不均勻地基基礎設計選型
——以福州大學城某高校教學實驗樓為例

吳承志

(福建工程學院 福建福州 350001)

0 引言

建筑基礎是承擔上部結構荷載，并傳遞到地基中的重要受力構件，是建筑物安全、穩(wěn)定的重要保證。建筑基礎占整個建筑物工程造價約10%～20%，對軟弱地質條件下的多層建筑，建筑基礎造價占比可能更高。而從施工工期角度來看，建筑基礎工程所占的工期約占整個施工工期的20%～30%，有時，由于基礎的復雜性，基礎施工工期可達30%以上?？梢?，建筑基礎設計的選型不僅涉及建筑結構的安全，也很大程度影響整個工程的造價和工期。因此，在復雜地質條件下，建筑基礎的設計選型尤為重要。

基于此，本文以福州大學城某高校教學實驗樓為工程案例，詳細分析不均勻地基基礎選型，為其它工程地基基礎選型優(yōu)化提供參考。

1 案例工程概況

1.1 建筑構物概述

福州大學城某高校教學實驗樓位于福州市閩侯縣上街鎮(zhèn)。建筑占地面積6097.44 m2，總建筑面積26 794.7 m2，其中，地上建筑面積22 903.33 m2，東側布置一層地下室，建筑面積3909.61 m2，如圖1所示。

圖1 平面示意圖

建筑場地整平標高8.950 m，設計±0.00相當于絕對高程8.95，地下室埋深約5.1 m(高程3.85 m)。教學實驗樓主體為5層鋼筋混凝土框架結構，局部為4層和1層，如圖2所示。

圖2 縱剖面示意圖

1.2 工程地質條件

場地位于福州沖海積盆地西部，原始地貌屬剝蝕殘丘地貌單元。覆蓋土層主要由全新統(tǒng)至更新統(tǒng)的沖海積相及殘積土層組成，下伏燕山晚期侵入的細粒花崗巖，地層結構較為簡單。自上而下依次為：①素填土、②粉質粘土、②-1淤泥、③殘積粘性土、④全風化花崗巖、⑤土狀強風化花崗巖、⑥碎塊狀強風化花崗巖、⑦中風化花崗巖，如圖3所示。

圖3 典型地質剖面圖

根據地質勘察報告揭示，在②粉質粘土、③殘積粘性土、④全風化花崗巖和⑤土狀強風化花崗巖層中，存在大量的球狀風化核(孤石)，孤石的大小不一、埋深不一，密度差異較大(圖4),給樁基選型帶來很大困難。而場地西側則存在1m～13m厚的①素填土和②-1淤泥，無法滿足淺基礎的地基承載力和變形控制要求(地基土設計參數詳見表1)。

表1 地基土設計計算指標

圖4 場地整平發(fā)現大量孤石

2 基礎設計選型分析

根據地質勘察報告，該場地淺層存在軟硬不一的淤泥、粉質粘土和殘積粘性土，且在粉質粘土、殘積粘性土層、全風化花崗巖層和強風化花崗巖層殘存大量孤石，給基礎選型增加不少難度。為此，進行了多方案分析。比選詳況如下。

2.1 淺基礎方案

根據建筑物特征，該建筑東側為5層建筑，且有一層地下室，因此基礎底板大部分落在殘積粘性土層，采用淺基礎具備條件。西側為1～5層建筑，下部為壓縮模量較小的素填土層和淤泥層，無地下室，通過沉降縫斷開，基本上可以滿足承載力要求。但因五層部分局部落在淤泥層上，使沉降不均勻性風險加大。因此，不宜采用全淺基方案。

2.2 PHC預制樁方案

該方案施工工藝簡單、速度快，單樁承載力較高，為擠土樁，會產生擠土效應。擬建建物筑物周邊環(huán)境相對簡單，但鉆孔揭示有埋深不一的孤石，且在場地整平過程中已發(fā)現大量孤石。對該地質狀況，PHC管樁成樁過程極易出現斷樁、截樁等現象，成樁困難，影響樁基質量。雖然可以通過成樁過程的補樁方法解決孤石問題，但會造成補樁費用增加和補樁困難。因此，該方案可行性較差。

2.3 沖孔灌注樁方案

該方案可以順利穿透上覆地基各土層，達到設計要求的碎塊狀強風化花崗巖層少量擠土作用，但對施工技術要求較高，對泥漿護壁等工藝及樁端清孔要求嚴格，工期較長。對多層建筑，單樁最大荷載僅6000 kN，最小荷載僅1500 kN的柱網，而且相對造價較高，性價比不高。因此，大量的孤石會造成造價和工期的增加，在技術上雖然可行，但經濟性不佳。

2.4 人工挖孔灌注樁基礎方案

因局部地段存在淤泥，持力層碎塊狀強風化花崗巖巖面埋深超過15m，按福建省關于人工挖孔樁相關規(guī)定禁止使用。地下室地段開挖后持力層巖面雖未超過15m，但勘察鉆孔揭示場地存在孤石，人工成孔也相對較困難。因此，該方案可行性較差。

2.5 沖孔灌注樁+淺基礎(片筏基礎)方案

該方案結合建筑物結構特點及不均勻地基條件，為充分發(fā)揮淺層較硬地層承載力，同時避免樁基穿透孤石的技術難度，將東側地下室部分采用片筏基礎。而西側因軟土和填土較厚，不適合采用淺基礎，則選擇沖孔灌注樁基礎。同時，結合建筑物結構特點，在淺基礎、樁基礎交界區(qū)域，將上部結構斷開，設置沉降縫，較好解決兩種基礎型式的差異沉降問題，減少樁基施工對孤石處理的不確定性問題，并在工期、造價等方面顯示其優(yōu)越性。

通過上述分析，對各方案技術、經濟、安全、工期等進行定性、定量計算，匯總于表2，可以明顯顯示，選擇部分沖孔灌注樁+淺基礎組合方案，在各方面均表現較優(yōu)。故，該工程將其作為最后選擇方案。

表2 基礎選型技術與經濟對比

3 基礎設計

3.1 地下室區(qū)域

該工程G軸至X軸、16軸至48軸范圍內下設一層地下室，地下室埋深約5 m(室內正負零標高起算)。地下室底板主要落于層②粉質粘土、③殘積粘性土上(參照圖3 典型地質剖面圖)，局部落于②-1淤泥(僅JK4鉆孔揭示，淤泥厚2 m)、⑤土狀強風化花崗巖上(僅ZK16鉆孔揭示，土狀強風化厚1.65 m)。因此，在地下室范圍可采用粉質粘土或殘積粘性土作為天然地基持力層，筏板底部進入持力層不小于300 mm，荷載較集中的柱子部位采用墩基礎加強。在局部淤泥部位，采取挖除2 m左右淤泥，挖入③殘積粘性土下300 mm，然后采用級配砂石換填至底板標高。這樣，在地下室區(qū)域內(建筑平面示意圖1中A塊陰影區(qū)域)，就可以采用天然基礎進行設計。

3.2 地下室南側建筑

該工程A軸至G軸、16軸至48軸范圍內(建筑平面示意圖1中B塊陰影區(qū)域)，地質勘察報告未揭示軟弱土層，土質狀況良好，則采用深埋片筏基礎(埋深與地下室底板標高一致)，采用殘積粘性土作為天然地基持力層，筏板底部進入持力層不小于300 mm。這樣，整個東側區(qū)域土方可以大開挖，施工便捷。

3.3 擬建物西側采用樁基。

該工程即1軸至16軸范圍內(建筑平面示意圖1中C塊區(qū)域)，根據該工程地質勘察報告揭示，存在厚層軟弱土②-1淤泥(層厚0 m～4.6 m)，最大厚度達8.5 m，粉質粘土或殘積粘性土埋深太深，不適合采用天然淺基。因此，選用⑥碎塊狀強風化花崗巖或⑦中風化花崗巖作為持力層的沖孔灌注樁基礎，樁徑800/1000 mm，樁端進入持力層深度為1.0 m，預計樁長10 m～25 m。

3.4 擬建筑物東側采用沖灌注樁+天然淺基

考慮到擬建筑物東西側層數一致，荷載大致相當，但西側采用沖孔灌注樁基礎，沉降少；東側采用天然淺基，沉降大，可能產生不均勻沉降；而且天然淺基中有地下室部位比無地下室部位的整體剛度較大，會產生沉降差。因此，采用不同基礎型式的建筑結構之間設置沉降縫、地下室底板設置后澆帶等處理措施，則可以有效預防并減少不同基礎型式間的沉降差問題。

由于樁基和天然淺基可以分成兩個施工段同時施工，大大節(jié)約工期。結構安全，經濟適中，工期可控。綜合考慮了技術、質量、安全、工期、造價等因素后，最終采用沖孔灌注樁+天然淺基方案。

經采用PKPM軟件對淺基部分進行沉降計算分析(圖5)，該擬建物最大沉降量98 mm，最小沉降量3 mm(中間天井部分)，沉降差95 mm，但從建筑單體分析，沉降差約為40 mm～50 mm，基本滿足淺基礎沉降差控制標準。

圖5 淺基礎沉降計算分析結果(單位:mm)

4 實施效果

基礎設計確定后，沖孔灌注樁和淺基礎同步開始施工。沖孔灌注樁施工實際歷時65 d；地下室土方開挖、地下室底板、片筏基礎施工實際歷時45 d；施工至±0.00(含整個基礎分部及地下室)總工期90 d。

樁基施工結束后，經靜載檢測，均符合規(guī)范規(guī)定，在極限承載力作用下，沉降量分別為6.66 mm、7.54 mm、8.60 mm和7.43 mm。對淺基礎部分進行載荷板試驗，在設計荷載作用下，沉降量分別為5.70 mm、8.76 mm和8.50 mm，均滿足規(guī)范及設計要求。

施工期間至工程結束一年時間，淺基礎部分日均沉降最大值0.04 mm，累計最大沉降量4.8 mm，比計算沉降量小得多。樁基部分日均沉降量最大值0.03 mm，累計最大沉降量3.8 mm。淺基礎和樁基礎沉降量比較接近。實測沉降觀測平面圖如圖6所示，沉降觀測曲線如圖7所示。

圖6 沉降監(jiān)測點平面示意圖

圖7 沉降觀測曲線

從造價角度分析，沖孔灌注樁因遇孤石處理，約增加 50萬元費用，其他造價基本在原來控制范圍。

5 結論

福州大學城某實際工程案例表明：對地勘報告的技術參數和建議進行有效分析，綜合考慮建筑物的結構特征，結合不均勻地基條件，進行多個基礎方案選型比較，提出的經濟、合理的筏板+沖孔灌注樁的基礎型式，既保證了工程質量，又有效降低了工程成本，縮短工期，取得較好的綜合效益。

案例工程因地制宜，選用樁基+天然淺基的組合基礎形式，通過沉降縫斷開等技術措施，有效地控制了不均勻沉降，說明了采用組合基礎形式，只要設計技術措施得當，也是可行。從沉降觀測結果來看，淺基和樁基兩部分的沉降差并不大，因此對多層建筑不設沉降縫處理，值得探討。

案例工程淺基礎設計，對局部柱下荷載較大區(qū)域采用墩基處理，有效地降低了筏板基礎的造價，是值得借鑒的方案。

從文中幾個方案比較中可以發(fā)現，對于富含孤石的地基采用各種樁型技術難度和造價都偏高，尤其對于多層建筑，應優(yōu)先選擇淺基礎方案。