某超高層采用素混凝土灌注樁應(yīng)用實例分析

王 康

(廈門合立道工程設(shè)計集團股份有限公司 福建廈門 361009 )

1 工程概況

該工程地處河南省洛陽市新區(qū)，本文介紹的單體(下文簡稱為“西樓”)地上為35層商業(yè)及酒店，主體結(jié)構(gòu)高度(計算至主屋面)為165.95m(屋架高度180m)，地下室3層。地上面積約7.7萬m2，地下室面積約3.5萬m2。

建筑典型平面(圖1)，結(jié)構(gòu)布置典型平面(圖2)建筑效果圖(圖3)，剖面圖(圖4)。該棟建筑基礎(chǔ)底面以下地基土層依次為卵石層④、粉質(zhì)粘土層⑤、卵石層⑥、卵石層⑦，根據(jù)地質(zhì)勘查報告反映，地基土天然地基承載力特征值無法滿足上部主樓采用天然地基基礎(chǔ)設(shè)計方案。

本文主要介紹并分析西樓地基基礎(chǔ)設(shè)計。

圖1 建筑典型平面

圖2 結(jié)構(gòu)布置典型平面

2 基礎(chǔ)設(shè)計方案確認過程

根據(jù)建筑條件，可初步判定基礎(chǔ)開挖深度約為從現(xiàn)有地面往下17.0m(考慮3層地下室深度及基礎(chǔ)承臺、筏板厚度)，綜合考慮地下室荷載后，塔樓范圍每單位平方米的荷載標準值約800kN。

(1)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件：受甲方委托，經(jīng)地質(zhì)勘查單位對建筑場地詳細勘察，塔樓主體范圍主要地質(zhì)情況如下：

①場地及其附近地段不存在全新活動斷裂、濕陷凹地、黃土溶洞、滑坡、崩塌、泥石流、采空區(qū)、地面沉降等影響工程穩(wěn)定的不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災(zāi)害。20m深度范圍內(nèi)不存在地震液化條件，地基土不液化。依據(jù)洛陽市該地區(qū)相關(guān)經(jīng)驗和室內(nèi)土工試驗結(jié)果，基底以下土不具濕陷性，場地穩(wěn)定，適宜建筑。

圖3 效果圖 圖4 剖面圖

②場地各土層縱橫分布均較為均勻，如圖5所示；第一次提供的相關(guān)土質(zhì)參數(shù)如表1～表3所示。

圖5 典型地質(zhì)剖面

表1 天然地基土承載力特征值表

表2 天然地基土壓縮模量表

表3 樁基設(shè)計參數(shù)

(2)建議：擬建建筑主樓，可采用經(jīng)素混凝土樁處理后的復合地基筏板基礎(chǔ)，也可采用鋼樁或鉆孔灌注樁的樁筏基礎(chǔ)；裙樓和地下室，可采用天然地基獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)間設(shè)置沉降縫，盡可能保證主樓和裙樓間變形協(xié)調(diào)一致，避免主、裙樓間差異沉降過大。建議設(shè)計單位根據(jù)準確的上部荷載進行變形計算，確保建筑物強度和變形均滿足要求。

(3)塔樓主體各種建議方案及相應(yīng)的問題

①天然地基基礎(chǔ)方案，按照第一次提供的土層參數(shù)，卵石層④地基承載力修正后約為：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)

=500+3×10(6-3)+4.4×10(3.5-0.5)

=722kPa

與實際計算的基底反力極為接近。同時，考慮基底以下4m～6m深度分布有軟弱下臥層，該下臥層承載力及變形均無法滿足設(shè)計要求，故未經(jīng)處理時，不考慮該方案。

②樁基礎(chǔ)方案，采用地勘報告建議的樁基方案(鋼樁、鉆孔灌注樁)。鑒于該工程基礎(chǔ)承臺之下所揭示深度范圍內(nèi)，基本上全部為卵石層，根據(jù)當?shù)厥┕そ?jīng)驗，成樁效率很低，樁基礎(chǔ)施工工期預(yù)估太長，無法滿足項目進度計劃，盡量避免采用該方案。

③復合地基基礎(chǔ)方案，第一次提供的地勘報告反應(yīng)的地基以下各土層的承載力及壓縮模量指標均較小，使得地基處理所需的剛性樁間距較密、數(shù)量較多。地勘資料依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79-2002 CFG)[1]復合地基算法預(yù)估：采用直徑800mm的素混凝土樁，間距2.4m正方形布置，總樁數(shù)約630根，一定程度上依然存在上述第②點樁基方案所帶來的困難，但可以作為主要思路進行深入探討。

(4)方案確定前準備

綜合考慮安全性、經(jīng)濟性、合理性及項目開發(fā)周期等各方面因素，經(jīng)建設(shè)單位協(xié)調(diào)，地勘單位對現(xiàn)場基礎(chǔ)受力寬度、深度范圍內(nèi)的地基土層進行精確的土工試驗分析，對地勘資料相關(guān)土質(zhì)的技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)進行如下調(diào)整(表4～表6)。

表4 天然地基土承載力特征值表

表5 天然地基土壓縮模量表

表6 第⑤層粉質(zhì)粘土的高壓固結(jié)試驗成果統(tǒng)計表

(5)方案的基本確定

充分利用基底之下各土層的天然承載力，重點考慮對軟弱下臥層粉質(zhì)粘土層⑤進行相應(yīng)處理，使其達到傳力至下部卵石層的目標。

3 主樓基礎(chǔ)設(shè)計

從變形協(xié)調(diào)所需剛度出發(fā)，兼顧基坑大面積開挖的便利性，塔樓主體范圍筏板厚度設(shè)置為3.5m，其下地基土層為卵石④(分布于基底以下4～6m范圍)，通過地基承載力修正后，該層承載力特征值為：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)

=650+3×10(6-3)+4.4×10(3.5-0.5)

=872kPa

即該層及軟弱下臥層之下的深度影響范圍之內(nèi)的地基土層，均能夠滿足主樓地基基礎(chǔ)設(shè)計要求。

距離基底4m～6m深度以下存在0.4m～1.6m厚的軟弱下臥層粉質(zhì)粘土層⑤，現(xiàn)主要針對該下臥層進行處理。

(1)設(shè)計思路

①鑒于該工程場地軟弱層“粉質(zhì)粘土⑤”厚度較小(0.4m～1.6m)，且分布均勻，從現(xiàn)有地面往下埋深約為22m～24m，該土層形成年代為第四系更新世，距今約300萬年～1萬年，長期受到上部土體自重(約400ka～500kPa)作用，在附加荷載下的變形量較小、穩(wěn)定性較好，擬采用素混凝土樁將超出該土層承載力的上部荷載傳遞到下部堅硬土層，在計算承載力時可不考慮該土層的不利影響，同時復核基礎(chǔ)沉降時考慮該土層影響。

地基處理采用“旋挖鉆孔灌注樁”，樁身直徑為800mm，樁身混凝土強度等級C30，樁長約12m(進入軟弱層之下土層深度不少于6m)，單樁承載力特征值2600kN；樁采用四角形布局方式，樁頂與筏板基礎(chǔ)底面之間設(shè)置300mm厚的褥墊層進行傳力及變形協(xié)調(diào)。地基處理方案布樁平面如圖6所示；剖面與土層關(guān)系示意如圖7所示。

圖6 素混凝土樁地基處理布置平面

圖7 素混凝土樁地基處理剖面示意

②設(shè)計時，將基礎(chǔ)承臺邊線外擴，以達到降低基底承載力的目的；同時，一定程度上減少邊緣部位的沉降變形，降低與裙房及地下室基礎(chǔ)的沉降差。根據(jù)計算分析結(jié)果，SATWE標準組合(1.00×恒+1.00×活工況下)，基底荷載總值為2 370 735.33kN，筏板面積約為3372.04m2，單位面積平均附加反力為：

2370375.33/3372.04=702.95kPa

鑒于卵石層④未處理時承載力已能滿足要求，此處僅對下臥層⑤承載力進行復核處理。下臥層承載力特征值為300 kPa，筏板底面以上原長期存在的土層厚度約16.9m，其覆土壓力約304.2 kPa，故超出下臥層部分的單位面積反力為：

702.95-300-304=98.95 kPa

超出部分總荷載為：

98.95×3372.04=333697.08kN

所需樁數(shù)為333 697.08/2600=128根，綜合考慮地基土的壓縮回彈、考慮樁體布置間距與承臺剛度的匹配、以及其它不可控因素，預(yù)留1倍左右的安全系數(shù)，實際布樁采用矩形布置方案，控制素混凝土樁軸心間距不超過4m，素混凝土樁總根數(shù)為237根，計算結(jié)果能滿足傳力需求。根據(jù)當?shù)氐墓こ塘坑嬎阋?guī)則，該素混凝土樁部分的綜合造價約為：

P=237×12×(3.14×0.4×0.4×350+250)/10 000=85.8萬元

即使考慮褥墊層等其它措施，其造價也可控制在100萬元左右，經(jīng)濟效果極為顯著。經(jīng)測算，樁基部分施工周期可壓縮約60%以上，施工難度大大降低。

③經(jīng)計算分析，該棟建筑基礎(chǔ)沉降計算預(yù)估值約25mm～45mm(尚未考慮下臥層地基處理后變形模量的提高)，能滿足主體基礎(chǔ)對于變形控制要求。

(2)保障措施及驗證手段

鑒于該工程所用的地基處理方式不同于現(xiàn)行規(guī)范《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79-2002)的相關(guān)內(nèi)容，需在地基處理后，即刻進行相關(guān)檢測試驗，以取得相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐。

①單樁豎向抗壓承載力檢測：選取3根樁進行試驗，典型試驗曲線(圖8)，均滿足要求。

②復合地基承載力特征值檢測(淺層平板法)：選取6組試驗點，典型試驗曲線如圖9所示，均滿足要求。

③樁身完整性檢測(低應(yīng)變法)：Ⅰ類樁占比98.36%，Ⅱ類樁占比1.64%，滿足要求。

圖8 單樁豎向抗壓靜載試驗曲線圖

圖9 復合地基載荷試驗曲線圖

④合理確定地基處理的基樁樁長，使其穿越軟弱土層，有效錨入堅硬土層。

⑤在主樓與裙房、主樓與純地下室間設(shè)置沉降后澆帶，以調(diào)節(jié)二者的沉降差異；同時，在主樓筏板與地下室防水板交接部位進行構(gòu)造加腋加強。

4 工程現(xiàn)狀

截稿時，該工程已經(jīng)裝修完畢，并通過竣工驗收，根據(jù)沉降觀測報告，為期1689d共28次對該棟建筑31個沉降觀測點進行連續(xù)觀測：該樓沉降量最小值為11.90mm，最大值為14.40mm，該樓目前沉降速率為0.01mm/d。依據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》(JGJ 8-2016)[2]及《洛陽市建設(shè)委員會關(guān)于加強建(構(gòu))筑物工程沉降管理工作的通知》洛建〔2006〕327號文件的規(guī)定，最后100d沉降速率小于0.01-0.04mm/d作為穩(wěn)定指標，可認為該樓已經(jīng)進入穩(wěn)定階段(運營階段待測)。

5 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場檢測，復核地基單樁承載力特征值可達到2600kN，復合地基承載力特征值可達到820kPa，滿足設(shè)計要求。

(2)通過為期近5年的連續(xù)觀測，建筑沉降量最小值為11.90mm，最大值為14.40mm，沉降量及整體斜率滿足規(guī)范要求，目前沉降速率為0.01mm/d，已進入穩(wěn)定階段。