杭州某復雜場地高層建筑樁基優(yōu)化設(shè)計

曹曉萌，陳 強

（1.浙江開放大學工程學院，浙江 杭州310030；2.浙江東南建筑設(shè)計有限公司，浙江 杭州310012）

在對高層建筑基礎(chǔ)形式進行選擇時，樁基以其承載力高、穩(wěn)定性好、沉降量小且均勻、耗材少、施工簡便等優(yōu)越性成為普適的選擇，尤其是對于復雜地形或軟弱地基，樁基的適用性更佳［1-2］。目前，建筑工程中常用的樁基類型有兩種，分別是預制樁和灌注樁，二者在施工工序、機械設(shè)備、工程造價、施工周期等方面有著明顯的差別［3］。在樁基設(shè)計的過程中，需要綜合考慮工程類型和實際地質(zhì)條件，制定科學合理的樁基設(shè)計方案。本項目所處場地地基土質(zhì)條件復雜，通過對其樁基設(shè)計方案的對比研究，以期對同類工程的樁基設(shè)計有所幫助。

1 工程概況

本工程位于浙江省杭州市余杭區(qū)崇賢新城，占地面積3.65萬m2，地上11幢17～18層高層住宅和配套商業(yè)用房，地上總建筑面積8.03萬m2，其中高層住宅采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，多層商業(yè)用房采用框架結(jié)構(gòu)，建筑最高高度小于54 m，地下建筑面積3.37萬m2，主要功能為地下停車庫、設(shè)備用房及部分人防地下室。建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為7度（0.10g），結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為標準設(shè)防類別［4］。基本風壓按50年一遇考慮，取0.45 kN/m2，地面粗糙度類別C類。

2 地質(zhì)概況

擬建場地原始地貌屬沖湖積平原，地形平坦，現(xiàn)狀為廢棄空地，地面標高3.04～5.85 m。場地周邊環(huán)境見圖1，北側(cè)為綠化帶，南側(cè)為前村街，西側(cè)為石前港，東側(cè)為加油站。根據(jù)巖土工程勘察報告，按地基土時代成因、物理力學性質(zhì)特征差異，擬建場地淺部地層主要為粉質(zhì)黏土層，上部為淺海相沉積淤泥質(zhì)土層，下部為陸相沉積的黏性土層，底部為沖積粉砂和圓礫層，各土層物理力學指標設(shè)計參數(shù)見表1。

圖1 擬建場地周邊環(huán)境

表1 場地土層物理力學指標設(shè)計參數(shù)

該場地地基土質(zhì)條件十分復雜，主要體現(xiàn)在以下四個方面：

1）場地內(nèi)分布有飽和的③號淤泥質(zhì)黏土等軟土層，尤其是圖中Ⅱ號線東側(cè)區(qū)域軟土層厚度將近13 m。受擠土樁的影響，容易產(chǎn)生橫向塑性變形，從而對周邊建筑、市政道路和管線產(chǎn)生不利影響。而淤泥質(zhì)黏土層是基坑開挖的主要土層，開挖后會對基坑周邊產(chǎn)生較大的沉降、變形等不利影響。

2）場地內(nèi)分布有厚度不一的④4號粉砂層，尤其是圖中Ⅰ號線西側(cè)場地粉砂層厚度達5 m。該土層較密實，對靜壓預制樁樁基施工影響較大，易造成截樁，難以達到設(shè)計有效樁長，對單樁承載力和沉降不利。

3）場地內(nèi)分布有下臥軟土層⑤號粉質(zhì)黏土層，該土層軟可塑，力學性質(zhì)一般，呈高壓縮性，但厚度較小，對沉降極為不利。

4）場地周邊環(huán)境復雜，分布著大量的地下管線，距東側(cè)加油站直線距離僅15 m。

3 樁基礎(chǔ)設(shè)計

樁型的選擇主要由上部結(jié)構(gòu)類型、荷載、場地，及地質(zhì)情況、周邊環(huán)境和樁基施工可行性等因素決定［5］。為此，選擇上部結(jié)構(gòu)完全一致的3#樓和10#樓進行樁基礎(chǔ)設(shè)計。本工程采用YJK（盈建科）高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析軟件（版本號2.0.3）進行有限元計算分析。

3.1 方案一

以10#樓為例，由于10#樓所在場地存在較厚的④4號粉砂層，根據(jù)巖土工程勘察報告和實地試樁檢驗，預制管樁無法穿越④4號粉砂層，只能以④3號粉質(zhì)黏土層作為樁端持力層。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 3—2010）》［6］，當存在軟弱下臥層時，樁端下部硬持力層厚度不宜小于4d（d為空心樁外徑），同時為保證基礎(chǔ)穩(wěn)定并減小沉降，將樁端至下臥層頂標高的距離取為5 m左右。由此確定，該樓采用有效樁長為23 m，直徑為600 mm的預制管樁，壁厚110 mm，以有效樁長作為控制標準。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ 94—2008）》［7］，敞口預應(yīng)力混凝土空心樁單樁豎向極限承載力標準值：

式中：u為樁身周長；

d為空心樁外徑，mm；

b為空心樁邊長，mm；

d1為空心樁內(nèi)徑，mm。

根據(jù)巖土工程勘察報告所提供的參數(shù)，計算得出23 m有效樁長時：Quk=2800 kN，Ra=1400 kN。

根據(jù)工程經(jīng)驗和計算，筏板厚度取為850 mm，對于沖切計算不滿足要求的位置，采用局部加厚的方式進行處理。由于單樁豎向承載力特征值較小，根據(jù)計算，樁基采用滿堂布置見圖2。圖3給出了該方案的單樁反力圖，可以看出單樁平均反力為1206 kN（＜Ra），單樁最大反力為1549 kN（＜1.2Ra），滿足要求。

圖2 方案一樁基布置

圖3 方案一單樁反力

3.2 方案二

該方案擬采用預制管樁，由于10#樓無法采用預制長樁，因此，該方案以3#樓為例，該樓與10#樓上部結(jié)構(gòu)完全一致。預制管樁穿越淤泥質(zhì)軟土層，樁身直徑采用500 mm，以⑥1號粉砂夾黏土層作為持力層，樁端全截面進入持力層不小于3d，有效樁長約為42 m。根據(jù)巖土工程勘察報告提供的參數(shù)，利用公式（1）計算得出，Quk=4000 kN，Ra=2000 kN。由于該方案單樁豎向承載力特征值較大，樁基采用墻下布置方式，見圖4。圖5給出了方案二的樁基反力圖，由圖5可以看出，單樁反力值均小于Ra，滿足要求。

3.3 方案三

該方案采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，以3#、10#樓為例，樁身直徑采用600 mm，以⑥1號粉砂夾黏土層作為持力層，灌注樁樁端全截面進入持力層不小于3d，有效樁長約為42 m，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ 94—2008）》［7］和巖土工程勘察報告提供的參數(shù)，利用公式（2）計算得出Quk=4000 kN，Ra=2000 kN。由于該方案單樁豎向承載力特征值與方案二相同，樁基布置方式和樁基反力同方案二（圖4、圖5），均滿足要求。

圖4 方案二、三樁基布置

圖5 方案二、三單樁反力

式中參數(shù)與公式（1）相同。

4 設(shè)計方案對比

4.1 沉降量對比

圖6～8分別給出了三種方案的最大沉降量（單位：mm）。由圖6可以看出，方案一最大沉降量的范圍在49～75 mm之間，分布較為均勻，其中沉降量最大的位置出現(xiàn)在主樓中央位置附近。由圖7可以看出，方案二最大沉降量的范圍在1～26 mm之間，其中主樓中央位置附近的沉降量較大。由圖8可以看出，方案三最大沉降量的范圍在1～26 mm之間，最大沉降量的分布與方案二相差不大。對比發(fā)現(xiàn)，方案一沉降量最大，方案二和方案三沉降量相當，三種方案均滿足建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［8］對沉降量（S≤200 mm）及沉降差的要求。

圖6 方案一最大沉降量

圖7 方案二最大沉降量

圖8 方案三最大沉降量

4.2 施工對比

方案一：有效樁長一致，且23 m的樁長較短，施工工藝簡單、速度快，底板采用筏板，可避免磚胎膜、深基坑開挖，在保障項目安全性和可靠性的同時，能夠滿足業(yè)主對項目進度的要求。

方案二：有效樁長在42 m左右，樁長不等，跟隨持力層的起伏而變化，承臺開挖較深，施工工作量較大。此外，場地西側(cè)地下分布有較厚粉砂層，存在樁無法打穿的風險，易造成截樁，難以達到設(shè)計有效樁長，對單樁承載力和沉降不利。

方案三：采用鉆孔灌注樁，該樁型較之預制管樁而言，施工工藝復雜，周期長，承臺開挖亦較深，施工工作量大。同時，由于本項目為軟土地基，孔底沉渣的清理存在一定困難，對單樁承載力及樁基檢測有一定的影響。

4.3 經(jīng)濟性對比

表2分別列出了三種方案的設(shè)計參數(shù)、技術(shù)指標、經(jīng)濟指標。由表2可以看出，三種方案均滿足單樁承載力和沉降量的要求。盡管方案一所需要的總樁數(shù)最多，但由于其持力層位置較淺，有效樁長短，總造價最低。方案二和方案三持力層所在位置相同，有效樁長和總樁數(shù)均相同，但由于兩者所采用的樁型不同，施工工藝不同，總價相差較大?？傮w來說，方案三總造價最高，方案二居中，方案一經(jīng)濟性最佳。

表2 三種方案對比

綜上，施工圖設(shè)計最終選用以粉質(zhì)黏土層作為持力層，以預制管樁作為樁型的設(shè)計方案一。該方案不僅滿足承載力和沉降量的要求，并且有效樁長一致，施工最為方便，時間成本和經(jīng)濟成本最低。

5 結(jié) 語

1）在對復雜場地地區(qū)進行建筑基礎(chǔ)設(shè)計時，持力層的選擇不一定局限于力學性質(zhì)最穩(wěn)定的土層，在滿足承載力和沉降量要求的前提下，也可選擇力學性質(zhì)相對較差的土層作為持力層。

2）預制管樁和鉆孔灌注樁是當今高層住宅項目最為常用的兩種樁型，在地層條件和上部結(jié)構(gòu)條件相同的情況下，預制管樁的經(jīng)濟性和時效性均優(yōu)于鉆孔灌注樁。

3）樁基設(shè)計方案的選擇可直接影響工程項目的造價及工期，根據(jù)巖土工程勘察報告，合理選擇持力層、樁基形式及布樁方式，保證結(jié)構(gòu)既安全又經(jīng)濟。