天然地基在高層框筒結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

丁小偉

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，高層建筑數(shù)量日益增多，其中地基基礎(chǔ)方案的選擇是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)合理與否，關(guān)系到建筑物的安全使用、施工工期和工程造價(jià)。高層建筑上部荷載大，一般天然地基的承載力不能滿足要求，或沉降變形過(guò)大，所以高層建筑的地基基礎(chǔ)方案采用樁基和復(fù)合地基較多[1]，西安地區(qū)黃土層厚度較大，地基承載力相對(duì)較低，直接利用天然土層作為高層建筑地基的案例較少[2，3]，而在北郊渭河階地某些區(qū)域，地表以下20m左右存在較厚的密實(shí)砂層，工程地質(zhì)條件良好，該類(lèi)場(chǎng)地多采用樁基礎(chǔ)或CFG樁復(fù)合地基，以砂層為主要持力層。但在砂層中灌注樁施工時(shí)易發(fā)生塌孔，采用泥漿護(hù)壁會(huì)降低樁身側(cè)摩阻力，增加成本和工期并造成現(xiàn)場(chǎng)污染；當(dāng)采用CFG樁復(fù)合地基時(shí)，易發(fā)生竄孔、縮頸、斷樁等問(wèn)題，樁身質(zhì)量不易保證有風(fēng)險(xiǎn)；預(yù)應(yīng)力管樁也很難壓入砂層[4]。根據(jù)有關(guān)資料，天然地基基礎(chǔ)的造價(jià)僅為樁基的17%～67%，目前工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家天然地基的應(yīng)用較為廣泛，日本的超高層建筑采用天然地基基礎(chǔ)方案的占總基礎(chǔ)形式的57%[1]。因此，若能結(jié)合場(chǎng)地地層分布特征，發(fā)揮砂層的承載潛力將其用做天然地基，將大幅降低造價(jià)、縮短工期、節(jié)約能源、減少污染[5]。本文結(jié)合具體工程，經(jīng)過(guò)地基計(jì)算分析、現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，針對(duì)框筒結(jié)構(gòu)地基反力不均勻的特點(diǎn)，采取適當(dāng)加厚基礎(chǔ)筏板，合理劃分沉降后澆帶，調(diào)整配筋方式等工程措施，并對(duì)實(shí)際沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算沉降值的分析對(duì)比，為高層框筒結(jié)構(gòu)以細(xì)砂層作為天然地基提供了成功的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況及工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

該工程建筑面積5.4萬(wàn)m2，地上24層，地下3層，建筑檐口高度99.9m，主樓地下室的西側(cè)外墻相鄰道路，其余三側(cè)與地下車(chē)庫(kù)相通，主樓采用框架核心筒結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為平板式筏板，埋深為-14.60m，裙房車(chē)庫(kù)采用獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板方案，抗浮設(shè)計(jì)水位-11.45m。標(biāo)準(zhǔn)組合作用下筏板底面平均壓力值為510kPa?？拐鹪O(shè)防烈度為8度；基本地震加速度值為0.2g；地震分組為第一組。場(chǎng)地特征周期值為0.35s；場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)。

原設(shè)計(jì)為兩層地下室，基礎(chǔ)底面埋于承載力較低的③黃土中，在結(jié)構(gòu)方案討論時(shí)，如改為三層地下室，將主樓以外的人防地下室移至增加的地下三層，基礎(chǔ)底面埋于承載力較高的④細(xì)砂層中，這樣既存在采用天然地基的可能性，又利用了增加的建筑空間，從經(jīng)濟(jì)性和施工便捷性考慮都是最優(yōu)方案。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)比較，確定將主樓改為三層地下室，其中地下二、三層為人防設(shè)施，平時(shí)為汽車(chē)庫(kù)，地下一層為車(chē)庫(kù)及設(shè)備用房，如圖1所示。

圖1 建筑剖面圖 (mm)

1.2 場(chǎng)地工程地質(zhì)概況

場(chǎng)地地貌單元屬渭河一級(jí)階地，地下水穩(wěn)定水位埋深為14.50～15.70m，屬潛水類(lèi)型。場(chǎng)地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)其他不良地質(zhì)作用及地質(zhì)災(zāi)害，場(chǎng)地穩(wěn)定，適宜建筑。場(chǎng)地土層自上而下為：①填土，主要由素填土和雜填土組成；②黃土，黃褐色，局部具濕陷性，屬中等壓縮性土；③黃土，黃褐色，不具濕陷性，屬中等壓縮性土，地基承載力特征值為180kPa；④細(xì)砂，褐黃色～灰黃色，密實(shí)，濕～飽和，顆粒礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，可見(jiàn)云母，實(shí)測(cè)標(biāo)貫錘擊數(shù)平均值N=28擊，層厚1.80～4.20m，地基承載力特征值為220kPa；⑤中粗砂，褐黃色～灰黃色，中密～密實(shí)，濕～飽和，實(shí)測(cè)標(biāo)貫錘擊數(shù)平均值N=50擊，層厚6.60～11.10m，地基承載力特征值為280kPa；⑥粉質(zhì)粘土，黃褐～淺灰色，可塑，飽和，屬中壓縮性土，層厚1.790～5.0m，地基承載力特征值為150kPa；⑦中砂，淺灰～灰色，密實(shí)，飽和，實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)平均值N=69擊，層厚5.90～8.40m，地基承載力特征值為250kPa；再往下為⑧中砂、⑨粉質(zhì)粘土、⑩中砂、中砂。典型地質(zhì)剖面圖如圖2所示，各土層壓縮模量見(jiàn)表1。

圖2 典型地質(zhì)剖面圖(m)

表1 各土層壓縮模量表

2 天然地基方案的分析驗(yàn)算

2.1 地基基礎(chǔ)方案的比選

該項(xiàng)目參照周邊類(lèi)似建筑物的地基處理方式，可有兩種常用方案：方案一采用鋼筋混凝土灌注樁，以⑦層中砂為樁端持力層，經(jīng)初步計(jì)算需要?0.8m，長(zhǎng)度25m，共310根樁，造價(jià)650萬(wàn)元，工期60d；方案二采用復(fù)合地基，以CFG樁或PHC預(yù)應(yīng)力管樁作為剛性樁，由于管樁施工過(guò)程中要壓入密實(shí)砂層很困難，邊樁施工需要空間較大，所以選用CFG樁復(fù)合地基，初步計(jì)算需要?0.4m，長(zhǎng)度22m，共1200根樁，造價(jià)360萬(wàn)元，工期40d。

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，初步計(jì)算分析后提出天然地基方案，充分利用④細(xì)砂層的良好工程特性，但該地區(qū)百米高層建筑、尤其是框筒結(jié)構(gòu)地基反力不均勻，采用天然地基實(shí)例很少，而且細(xì)砂層位于地下水位變動(dòng)范圍內(nèi)，施工過(guò)程中需要降水措施，基坑加深后相應(yīng)的支護(hù)難度也會(huì)加大。在地基方案選擇中發(fā)現(xiàn)，按照地勘報(bào)告建議的④細(xì)砂層承載力特征值220kPa，尚不滿足地基壓力的要求，設(shè)計(jì)人員仔細(xì)分析持力砂層的特征與密實(shí)度，認(rèn)為該層承載力有潛力可挖，但需要現(xiàn)場(chǎng)原位載荷試驗(yàn)驗(yàn)證，即使不滿足也可以采用疏樁補(bǔ)強(qiáng)地基，這樣就可以安全可靠地利用天然地基。另外從補(bǔ)償?shù)鼗鵞6]方面考慮，當(dāng)基礎(chǔ)埋深14.6m時(shí)，開(kāi)挖地下室能補(bǔ)償壓力約為238kPa，那么基底有效應(yīng)力只要大于272kPa即能滿足要求[7]，經(jīng)過(guò)綜合分析計(jì)算，如果④細(xì)砂層承載力特征值能夠達(dá)到280kPa，則滿足采用天然地基的要求，所以提出補(bǔ)充現(xiàn)場(chǎng)原位靜載荷試驗(yàn)的要求。

天然地基造價(jià)15萬(wàn)元，工期3d，顯著節(jié)約了造價(jià)和工期，該方案通過(guò)了專家論證會(huì)的評(píng)審，并形成以下結(jié)論：擬建建筑可采用天然地基，基底下鋪設(shè)300mm厚級(jí)配砂石墊層，合理劃分沉降后澆帶，調(diào)整基礎(chǔ)筏板形心與上部結(jié)構(gòu)重心的偏心距滿足規(guī)范要求，基坑開(kāi)挖時(shí)應(yīng)避免對(duì)基底下原狀土的擾動(dòng)。這些措施在后續(xù)設(shè)計(jì)和施工中都得到了落實(shí)。

2.2 原位靜載試驗(yàn)結(jié)論

為了合理確定④細(xì)砂層的承載力特征值，更好地模擬實(shí)際受力狀態(tài)，靜載試驗(yàn)在開(kāi)挖至基坑底面后進(jìn)行，采用堆載法提供反力，反力總重33t，采用直徑0.8m，面積0.5m2的圓形承壓板，均勻布置了8個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，采用慢速維持荷載法，加荷分8級(jí)等量進(jìn)行，每級(jí)加載增量為70kPa，在加載至終止壓力560kPa時(shí)，8個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的總沉降量介于11.01～11.73mm，在加載過(guò)程中，p-s曲線呈平緩變形，未見(jiàn)明顯比例界限，也未出現(xiàn)極限荷載，各試驗(yàn)點(diǎn)均未達(dá)到破壞狀態(tài)，代表性試驗(yàn)點(diǎn)的p-s曲線如圖3所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果該層地基承載力特征值不小于280kPa。

圖3 荷載-沉降(p-s)曲線

2.3 地基承載力確定

根據(jù)使用功能要求基礎(chǔ)采用平板式筏基，標(biāo)準(zhǔn)組合下基底平均壓力值為pk=500kPa，最大壓力pkmax=580kPa，地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，基底平均壓力值為p=530kPa，最大壓力pmax=680kPa，基礎(chǔ)底面未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)。地基承載力特征值按照下式修正：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)=280+2×

10×(6-3)+3×17×(4.5-0.5)=544kPa

式中，fak=280kPa，ηb=2，ηd=3，γ=10kN/m3，γm=17kN/m3，主樓周?chē)叵氯龑榆?chē)庫(kù)的頂板覆土厚度0.9m，三層樓面做法3×0.1m=0.3m，三層梁、板、柱折算混凝土厚度為3×0.3m=0.9m，基礎(chǔ)底板混凝土厚度0.6m，車(chē)庫(kù)基礎(chǔ)底與主樓基礎(chǔ)底高差為1.4m，以上折算成土層厚度為d=4.5m[8]。

標(biāo)準(zhǔn)組合下：pk

地震作用時(shí)：p<ζafa=707kPa，pmax<1.2ζafa=848kPa。

式中，地基抗震承載力調(diào)整系數(shù)ζa=1.3。

所以④細(xì)砂層地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 軟弱下臥層驗(yàn)算

基底以下約11m深處為⑥粉質(zhì)粘土層，約2.5m厚，承載力特征值fak=150kPa，根據(jù)工程特點(diǎn)，基礎(chǔ)筏板尺寸簡(jiǎn)化為45m×53m(寬×長(zhǎng))，θ=8°，z=11m，pc=231.5kPa，求得pz=246kPa。地下水位以下土層取浮重度時(shí)，軟弱下臥層頂面以上土的加權(quán)平均重度為γ=14.7kN/m3，軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值pcz=382.4kPa。⑥粉質(zhì)粘土地基承載力特征值按規(guī)范修正后faz=740.3kPa。所以pz+pcz=246+382.4=628.4kPa

2.5 地基基礎(chǔ)變形驗(yàn)算

本文采用JCCAD軟件計(jì)算，為了能較為真實(shí)的模擬實(shí)際受力狀態(tài)，電算時(shí)考慮上部結(jié)構(gòu)對(duì)筏板的貢獻(xiàn)[9]，單元沉降選用完全柔性算法[10]，按照分層總和法計(jì)算，沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψs=0.2?？蛲步Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)筏板的厚度決定其抗剪承載力和筏板剛性兩個(gè)主要因素，剛度對(duì)調(diào)節(jié)沉降差至關(guān)重要[11]，同時(shí)有關(guān)研究結(jié)果表明，增大板厚會(huì)使筏板彎矩增加，因而，并非筏板厚度越大越安全[12]。因此，在滿足沖切、構(gòu)造和剛度條件下，選用合適的筏板厚度是設(shè)計(jì)重點(diǎn)，該工程設(shè)計(jì)中分別對(duì)板厚1.5m、2.0m、2.5m進(jìn)行試算，分析筏板內(nèi)力和沉降變化，結(jié)果顯示三者筏板變形曲線均呈鍋底形彎曲，隨著筏板厚度的增加，內(nèi)筒和外框之間的沉降差減小。1.5m厚筏板在外框柱處沖切驗(yàn)算不滿足，需要局部加柱墩，施工麻煩；2.5m厚筏板雖然沉降更均勻，但混凝土量和配筋都明顯增加，造成不必要的浪費(fèi)；最終選擇而2.0m厚筏板，沖切驗(yàn)算滿足，筏板配筋率約0.25%，電算結(jié)果核心筒的沉降量為21.6～30.5mm，周邊框架的沉降量為6.8～18.81mm，內(nèi)筒和外框之間的差異沉降量為(0.0008～0.0012)L(L為內(nèi)筒與外框之間的距離)，滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]允許值0.0025的要求?；A(chǔ)沉降電算值如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)沉降電算值(mm)

3 調(diào)整基礎(chǔ)筏板形心與建筑物重心基本重合

該工程為高層框筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒和外框柱之間存在較大的荷載和剛度差異，地基反力不均勻[14]。為了避免建筑傾斜變形，在設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)加大筏板厚度，以增加基礎(chǔ)剛度減小沉降差異；調(diào)整筏板基礎(chǔ)邊緣外挑寬度尺寸[15]，但是要注意基礎(chǔ)底板懸挑長(zhǎng)度的長(zhǎng)短會(huì)對(duì)地基反力分布規(guī)律產(chǎn)生較大影響。采用JCCAD程序“重心校核”項(xiàng)進(jìn)行驗(yàn)算，使建筑物重心和筏板基礎(chǔ)平面的形心基本重合，滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定；根據(jù)計(jì)算結(jié)果劃分主樓筏板和裙房基礎(chǔ)之間的沉降后澆帶，并在主樓結(jié)構(gòu)封頂且沉降基本穩(wěn)定后再封閉[16]。

4 沉降觀測(cè)與基礎(chǔ)筏板的變形特征

為了驗(yàn)證地基變形布置了15個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，在主體施工至地面以上時(shí)開(kāi)始進(jìn)行沉降觀測(cè)，至2016年10月封頂時(shí)共計(jì)觀測(cè)了24次，封頂后兩年至2018年10月觀測(cè)了7次，最后一期(208d)觀測(cè)的平均沉降速率為0.013mm/d，滿足《建筑變形測(cè)量規(guī)范》[17]規(guī)定的0.01～0.04mm/d，已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)構(gòu)封頂后兩年的沉降如圖5所示(圖5中括號(hào)內(nèi)數(shù)字為點(diǎn)號(hào))，各階段最大、最小、平均沉降量及沉降速率見(jiàn)表2。通過(guò)實(shí)際沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算沉降值的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在基礎(chǔ)筏板的厚跨比不大于1/6[18]時(shí)，兩者變形曲線基本一致，均呈鍋底形彎曲，下部受拉，上部受壓[19]。但由于軟件計(jì)算采用完全柔性算法，不考慮基礎(chǔ)剛度的影響，導(dǎo)致電算結(jié)果呈深鍋底形，而實(shí)際觀測(cè)結(jié)果內(nèi)筒和外框差異沉降不大，筏板變形平緩、呈淺鍋底形，說(shuō)明最大變形差與筏板剛度有關(guān)[5]。兩者的筏板變形曲線如圖6所示。

圖5 結(jié)構(gòu)封頂后2年的沉降測(cè)量值(mm)

表2 沉降觀測(cè)變化匯總

圖6 筏板變形曲線示意圖

5 結(jié) 語(yǔ)

該工程地基設(shè)計(jì)方案比選時(shí)，確定了以細(xì)砂層作為天然地基的可能性，并采用現(xiàn)場(chǎng)原位載荷試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。最后通過(guò)實(shí)際沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算沉降值的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩者的結(jié)果基本吻合，基礎(chǔ)筏板變形均呈鍋底形彎曲，但由于電算未考慮基礎(chǔ)剛度，結(jié)果呈深鍋底形，而實(shí)際觀測(cè)結(jié)果呈淺鍋底形，說(shuō)明筏板剛度對(duì)內(nèi)筒和外框之間的差異沉降量影響較大。該工程是百米框筒結(jié)構(gòu)采用天然地基的成功案例，對(duì)類(lèi)似場(chǎng)地上的建筑物地基設(shè)計(jì)有參考借鑒價(jià)值，也為該地區(qū)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化積累了經(jīng)驗(yàn)，說(shuō)明在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，挖掘地基承載潛力，合理使用天然地基，能減少工程造價(jià)，縮短建設(shè)工期，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。