某超高層建筑超強(qiáng)復(fù)合地基設(shè)計(jì)

鄭少昌

（廣州瀚華建筑設(shè)計(jì)有限公司 廣州 510630）

0 引言

復(fù)合地基是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強(qiáng)，或被置換，或在天然地基中設(shè)置加筋材料，加固區(qū)是由基體（天然地基土體或被改良的天然地基土體）和增強(qiáng)體兩部分組成的人工地基［1］。復(fù)合地基需要在樁體的頂部設(shè)置褥墊層以充分發(fā)揮地基土體的承載力、調(diào)整樁體與土體的應(yīng)力并協(xié)調(diào)變形。當(dāng)天然地基具有一定的承載力但對于上部建筑結(jié)構(gòu)荷載不足時(shí)，可對地基承載力采用“缺多少，補(bǔ)多少”的原則進(jìn)行布樁，具有較強(qiáng)靈活性，體現(xiàn)了其具有的經(jīng)濟(jì)性和工期性保證的優(yōu)點(diǎn)。在墊層上的基礎(chǔ)則按照天然地基筏板基礎(chǔ)進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)即可，同時(shí)也利用筏板自身較大的強(qiáng)度和剛度起到均衡應(yīng)力和協(xié)調(diào)變形的作用。

對于高層建筑的地基處理，高強(qiáng)復(fù)合地基已經(jīng)是成熟的地基處理方法；由于該地基的承載力大，其豎向加強(qiáng)樁需采用剛性樁，常用的高強(qiáng)復(fù)合地基中的剛性樁有素混凝土樁、預(yù)應(yīng)力管樁等；而對于超強(qiáng)復(fù)合地基的剛性樁主要有大直徑預(yù)應(yīng)力管樁、鉆孔樁、旋挖樁等［2］。對于剛性樁的持力層也有較高的要求，從而控制復(fù)合地基在高應(yīng)力作用下的整體沉降。

對于超高層建筑的地基處理，采用超強(qiáng)復(fù)合地基方式在廣東并不多見。本工程最高的塔樓高度達(dá)到184.4 m，相對矮的塔樓達(dá)到96.2 m，5 個(gè)相鄰塔樓基礎(chǔ)相連，地基豎荷載差異大。通過精心設(shè)計(jì)，采用了超強(qiáng)復(fù)合地基，為甲方提供了既安全可靠又經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)方案，設(shè)計(jì)過程可為類似工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供有意義的借鑒和思考。

1 工程概況

本工程位于廣州市荔灣區(qū)南岸路以西、荔港南灣（南區(qū)）地塊?？偨ㄖ娣e122 686.6 m2，地上部分建筑面積121 072.7 m2，地下部分建筑面積16 139 m2。本期工程共包括 7～11 棟共 5 棟 29～56層的高層純住宅（見圖1、圖2），設(shè) 2層地下車庫，最高建筑（7 棟、11 棟）總高度為 184.40 m，8 棟、9 棟、10 棟高度為 96.20 m。建筑結(jié)構(gòu)采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，地基與基礎(chǔ)形式采用復(fù)合地基筏板基礎(chǔ)形式［3］。

圖1 本工程總平面圖Fig.1 General Layout Plan

圖2 本工程效果圖Fig.2 Engineering Effect Drawing

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 地質(zhì)情況

本工程場地屬珠江三角洲沖積平原地貌，場地經(jīng)人工整平，地面較平坦；第四系覆蓋層主要為人工填土、沖積淤泥質(zhì)土、砂土及殘積粉質(zhì)粘土，下伏基巖為白堊系砂巖、礫巖。各土層承載力指標(biāo)如表1所示［4］。

表1 土層承載力指標(biāo)Tab.1 Index of Soil Bearing Capacity

2.2 基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)

本工程7～11 棟共5 棟高層、超高層住宅，其中7、11 棟為 56層 180.75 m 高的超高層住宅，8～9 棟為 29層95.7 m 高的高層住宅。各棟在總平面上連成一體，棟與棟之間以300 mm 寬的抗震縫在地面以上分開，地下室及基礎(chǔ)則相連成整體。7～11 棟基礎(chǔ)均采用φ 800（單樁承載力特征值R=3 700 kN）素混凝土剛性樁復(fù)合地基，基礎(chǔ)平面布置圖如圖3所示。為控制高層、超高層最終沉降變形一致，采用了變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)。由于基礎(chǔ)不設(shè)沉降縫，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［5］要求，應(yīng)采取有效措施減少差異沉降及其影響，筏板設(shè)置了后澆縫及后注漿管（見圖4、圖5）。超高層采用2.4 m 的樁距，復(fù)合地基承載力特征值為700 kPa，褥墊層厚度為300 mm；高層部分樁距3.2 m，復(fù)合地基承載力特征值為460kPa，褥墊層厚度為450mm。

圖3 基礎(chǔ)平面布置圖Fig.3 Foundation Layout Plan

圖4 后澆縫大樣Fig.4 The Detail Drawing of Post-poured Strip

圖5 后注漿管大樣Fig.5 The Detail Drawing of Injection Pipe

2.3 沉降計(jì)算與分析

依據(jù)業(yè)主和施工單位確定的施工進(jìn)度計(jì)劃，超高層比高層晚2 個(gè)月施工，在8～10 棟高層建筑的第20層結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，對于7、11 棟超高層建筑才進(jìn)行到地面上第2層結(jié)構(gòu)的施工。為此，本工程的重點(diǎn)與難點(diǎn)為對地基的沉降控制，需對極端工況下不同單體結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行驗(yàn)算。

2.3.1 復(fù)合地基的沉降計(jì)算

基坑開挖后，各棟建筑物的底板均坐落在殘積粉質(zhì)粘土上，粉質(zhì)粘土下為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化粉砂巖層。

復(fù)合地基的沉降計(jì)算方法有多種，任何一種都有其局限性，所以在選取某一種計(jì)算方法時(shí)一定要注意其適用范圍，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)踐中所形成的經(jīng)驗(yàn)加以分析對比，使其更加合理［6］。

本工程基礎(chǔ)在施工過程中的沉降量依照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范：JGJ 79-2012》［7］7.1.7條和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50007-2011》［8］5.3.5條計(jì)算得出，其計(jì)算公式為：

我的童年，還有其他顏色：電子產(chǎn)品是銀色的，出國旅游是藍(lán)色的，研學(xué)旅行是金色的，各色美食是粉色的……但是，不管童年的色彩是哪種，可以肯定，我的童年是美好的。

式中：zi為基礎(chǔ)底面至土底面的距離；L 為基底長邊；B為基底短邊；fspk為復(fù)合地基承載力特征值；fak為土的承載力特征值；ζ 為 fspk與 fak的比值；Esi為基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量，應(yīng)在土的自重壓力至土的自重壓力至土的自重壓力與附加壓力之和的壓力范圍取值， 對于風(fēng)化的殘積土和巖層采用彈性模量進(jìn)行計(jì)算；Esi′為地基強(qiáng)度提高以后，模量相應(yīng)提高后的取值；P0為對應(yīng)于荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)的基礎(chǔ)底面處的附加壓力；為基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至第i層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)；Ai為第i層土平均附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分值；ψs為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；s 為地基變形增量（mm）。

對于沉降計(jì)算，巖土的壓縮模量取值為關(guān)鍵。本工程基坑開挖深度約為10 m，沉降驗(yàn)算中需考慮土體的回彈與再壓縮性特性。根據(jù)《土體再壓縮變形規(guī)律的試驗(yàn)研究》［9］的實(shí)驗(yàn)和觀測數(shù)據(jù)，按照再加荷比與再壓縮比率關(guān)系，可得本場地的壓縮模量關(guān)系曲線如圖6［10］所示。土體的壓縮模量按照原位標(biāo)貫試驗(yàn)確定，各加載過程的壓縮模量由壓縮模量關(guān)系曲線確定。

圖6 場地地基巖土層變形模量與荷載關(guān)系圖Fig.6 Relation Diagram between Deformation Modulus and Load of Geotechnical Layer on Site Foundation

2.3.2 復(fù)合地基褥墊層的變形沉降計(jì)算

復(fù)合地基剛性樁頂?shù)娜靿|層作為地基的一部分，經(jīng)碾壓處理后較為密實(shí)，相當(dāng)于強(qiáng)風(fēng)化巖的特性，變形模量較大（一般為200～250 MPa），本工程對墊層沉降單獨(dú)計(jì)算，墊層模量取200 MPa［10］。褥墊層變形沉降計(jì)算公式為：

式中：P 為基礎(chǔ)底面壓力；h為褥墊層厚；Ec為墊層變形模量。

對于本工程，超高層的褥墊層厚度取300 mm，高層的褥墊層厚度取450 mm，根據(jù)上部荷載的荷載計(jì)算，超高層的變形約為0.615 mm，高層的變形約為1.692 mm。

2.3.3 各棟建筑沉降計(jì)算匯總

由上述公式可計(jì)算各棟建筑中心點(diǎn)沉降如圖7所示。

圖7 各棟建筑建造沉降曲線匯總圖Fig.7 Summary of Settlement Curve of Each Building

3 沉降觀測與對比分析

3.1 沉降觀測

雖然廣東省在高強(qiáng)復(fù)合地基和超強(qiáng)復(fù)合地基工程上有較多的成功實(shí)例，總結(jié)了不少工程經(jīng)驗(yàn)，也頒布了有關(guān)規(guī)范。但像本工程這種超高層建筑的實(shí)例在國內(nèi)還沒有相應(yīng)報(bào)道，而且本區(qū)建筑群間的相鄰建筑的荷載（結(jié)構(gòu)層數(shù)）差異大。這不僅要求復(fù)合地基的承載力要有足夠的安全儲備，而且還要保證相鄰建筑間的差異沉降在控制的要求范圍以內(nèi)，為此后期需加強(qiáng)復(fù)合地基的監(jiān)（觀）測工作。

超高層以7 棟為代表（11 棟樓沉降觀測結(jié)果與7棟相若），從觀測結(jié)果圖8a［11］中可見，7 棟最大沉降量為15.90 mm，最小沉降量為14.85 mm，全部測點(diǎn)均值為15.49 mm。最大沉降差為1.05 mm，計(jì)算該主體的傾斜值為1.05/11 300=0.00009，小于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50007-2002》［8］中規(guī)定的建筑物傾斜允許值0.002。該樓最后100 d 的總體平均沉降量為0.87 mm，沉降速率為0.009 mm/d，滿足《建筑變形測量規(guī)范：JGJ 8-2007》［12］中規(guī)定的最后 100 d 的沉降速率小于0.04 mm/d 的要求，表明該樓已進(jìn)入穩(wěn)定階段。

高層以8 棟為代表（9、10 棟沉降觀測結(jié)果與8 棟相若），從觀測結(jié)果圖8b［11］中可見，8 棟最大沉降量為5.90 mm，最小沉降量為4.20 mm，全部測點(diǎn)均值為5.10 mm，最大沉降差為1.70 mm，計(jì)算該主體的傾斜值為1.70/11 100=0.00015，小于文獻(xiàn)［8］中規(guī)定的建筑物傾斜允許值0.002。該樓最后100 d 的總體平均沉降量為0.25 mm，沉降速率為0.0025 mm/d，滿足文獻(xiàn)［12］中規(guī)定的最后100 d 的沉降速率小于0.04 mm/d的要求，表明該樓也已進(jìn)入穩(wěn)定階段。

圖8 主體沉降量-時(shí)間變化曲線圖Fig.8 Main Settlement-time Curve

3.2 與計(jì)算預(yù)估值的對比分析

依據(jù)上述理論計(jì)算及后期的沉降觀測結(jié)果，將數(shù)據(jù)匯總于表2，從表2中可知，實(shí)測值均小于計(jì)算預(yù)估值，其中超高層的計(jì)算預(yù)估值較高層更接近實(shí)測值，各棟的沉降絕對值均不大，其偏差均在可接受范圍內(nèi)。由于超高層及高層的Esi′雖然相差較大（超高層在55～85 MPa 范圍內(nèi)，高層在 36～54 MPa 范圍內(nèi)），但均大于35 MPa，按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》7.1.8條，沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψs只能取下限值0.2，若可總結(jié)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可使計(jì)算預(yù)估值更接近實(shí)測值。

表2 各棟沉降數(shù)據(jù)匯總Tab.2 Summary of Settlement Data of Each Building

4 結(jié)論及建議

⑴對于本建設(shè)場地的高層和超高層住宅建筑，其地基和基礎(chǔ)處理采用高強(qiáng)和超強(qiáng)復(fù)合地基的筏板基礎(chǔ)選型設(shè)計(jì)是合理和可行的，大直徑旋挖樁作為剛性樁的設(shè)計(jì)是可靠的。

⑵通過對場地的巖土工程勘察資料和類似場地的工程經(jīng)驗(yàn)確定了巖土設(shè)計(jì)參數(shù)；依據(jù)規(guī)范計(jì)算的沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)際變形基本一致，若有相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)，可使計(jì)算預(yù)估值更接近實(shí)測值。

⑶由于建筑群間的相鄰建筑的荷載（結(jié)構(gòu)層數(shù)）差異大，為防極端工況情況下產(chǎn)生過大的豎向變形差，采用了后澆縫及對墊層和一定深度的地基進(jìn)行注漿處理2 種保險(xiǎn)措施。

⑷根據(jù)結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度，結(jié)合對建筑的沉降變形監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行信息化施工，使不同荷載的建筑的變形沉降協(xié)調(diào)可控。