南通中央商務(wù)區(qū)C R 0505-A-04地塊項目樁基礎(chǔ)變剛度調(diào)平設(shè)計

祁彥龍

上海招商置業(yè)有限公司 上海 200949

1 工程概況

南通中央商務(wù)區(qū)CR0505- A- 04 地塊項目江蘇省南通市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，西鄰工農(nóng)南路，南鄰桃園路。本工程總建筑面積246455m2。本工程地下室成長方形布置，東西長251.85m，南北寬142.35m，地下室相對上部結(jié)構(gòu)有較大面積外擴。

本工程地上部分被抗震縫分割為東西塔樓、東西裙房和汽車庫五個單體。本工程裙房及汽車庫高27.95m，西塔樓高151.95m，東塔樓高151.85m，塔樓采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，裙房及汽車庫采用框架結(jié)構(gòu)。

南通中央商務(wù)區(qū)CR0505- A- 04 地塊項目抗震設(shè)防烈度為6 度，抗震設(shè)防類別為乙類，基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。本工程基礎(chǔ)形式為樁筏基礎(chǔ)，樁基擬采用塔樓區(qū)域的鉆孔灌注樁（長樁）+ 加裙房區(qū)域的中等長度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁+ 地下室外擴區(qū)域的單節(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土抗拔管樁。樁基的布置形成以塔樓為中心，向周邊擴散，樁剛度依次遞減的變剛度調(diào)平樁基礎(chǔ)。

2 地質(zhì)條件

根據(jù)啟東市建筑設(shè)計院有限公司提供的詳細勘察報告：擬建場地為空地，地形稍有起伏，場區(qū)所屬地貌類型為長江三角洲沖積平原，微地貌單元為長江低漫灘?？碧娇讟?biāo)高最大值4.42m，最小值3.25m，地表相對高差1.17m，自然地面高程3.90m 左右。本場區(qū)勘察深度范圍內(nèi)為第四系濱?！恿飨唷I?！獪\海相、濱海—湖沼相、可口沙洲—漫灘相沉積的松散堆積土層，地基土自上而下分為如下8 層：

①層雜填土：黃褐色- 灰黑色，上部含碎磚塊、建筑垃圾，松散，土質(zhì)不均。場區(qū)普遍分布，平均厚度1.06m，平均埋深1.06m。

②層粉土夾粉質(zhì)黏土：黃褐色，很濕，稍密，搖震反應(yīng)中等，無光澤反應(yīng)，低干強度，低韌性，所夾粉質(zhì)黏土可塑- 軟塑，稍有光澤，中等韌性，含鐵錳結(jié)核，具微層理，中壓縮性，土質(zhì)欠均勻。場區(qū)普遍分布，平均厚度2.07m，平均埋深3.13m。

③層粉土夾粉砂：灰色，飽和，稍密，含云母碎片，夾粉質(zhì)黏土薄層，捻面粗糙，稍有黏性，搖震反應(yīng)中等，韌性低，干強度低，壓縮性中等，所夾粉砂灰色飽和稍密，土質(zhì)欠均勻。場區(qū)普遍分布，平均厚度8.37m，平均埋深11.5m。

④層粉砂夾粉土：灰色，稍密- 中密，飽和，主要成分為石英斜長石，所夾粉土灰色，很濕，稍密，搖震反應(yīng)中等，無光澤反應(yīng)，低干強度，低韌性，中壓縮性，土質(zhì)欠均勻。場區(qū)普遍分布，平均厚度14.72m，平均埋深26.22m。

⑤層粉細砂：灰色，中密- 密實，飽和，主要成分為石英斜長石，中低壓縮性，夾薄層粉土、粉質(zhì)黏土，土質(zhì)欠均勻。場區(qū)普遍分布，平均厚度5.49m，平均埋深35.93m。

⑥層粉質(zhì)黏土夾薄層粉砂：本層以粉質(zhì)黏土為主，夾薄層粉土、粉砂及淤泥質(zhì)黏土，灰色，稍有光澤，中等干強度，中等韌性，流塑～軟塑，中壓縮性，土質(zhì)欠均勻。場區(qū)普遍分布，平均厚度20.11m，平均埋深56.03m。

⑦層粉細砂夾粉質(zhì)黏土：灰黃色，中密- 密實，飽和，主要成分為石英斜長石，夾薄層粉土、粉質(zhì)黏土，土質(zhì)欠均勻。場區(qū)普遍分布，厚度14.25m，埋深70.00m。

⑧層礫砂：灰黃色，中密～密實，飽和，主要成分為石英斜長石。該層未穿透。

據(jù)調(diào)查，場地歷年最高水位為高程2.8m，可作為抗浮設(shè)計水位。地下水對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在干濕交替情況下具弱腐蝕性，在長期浸水情況下無腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。

3 南通中央商務(wù)區(qū)CR0505-A-04 項目樁基礎(chǔ)設(shè)計

3.1 主要技術(shù)難題及解決方案

本工程兩個塔樓均布置在場地的北側(cè)，東西塔樓建筑高度均超過150m，層數(shù)分別為34 層和38 層，裙房及汽車庫建筑高度均為27.95m，層數(shù)分別為5 層和8 層，地下室為兩層，圍繞建筑四周均有外擴，但總體上南側(cè)外擴寬度大于北側(cè)。塔樓區(qū)域平均荷載數(shù)倍于裙房，而且相對于基礎(chǔ)底板形心存在較大偏心，而地下室外擴區(qū)域的平均荷載又遠小于裙房區(qū)域的平均荷載。從建筑整體布局情況可知，本工程上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)底板的荷載存在分布不均和偏心的特點，總體上程北重南輕，塔樓重，裙房次之，地下室外擴部分更輕的趨勢。

傳至基礎(chǔ)底板的荷載分布不均勻和偏心的特點導(dǎo)致的直接結(jié)果就是差異沉降和基礎(chǔ)底板內(nèi)力增大。為了減小差異沉降和基礎(chǔ)底板內(nèi)力，想到了變剛度調(diào)平概念設(shè)計。變剛度調(diào)平概念設(shè)計旨在減小差異沉降，降低基礎(chǔ)底板內(nèi)力和上部結(jié)構(gòu)次內(nèi)力，以達到節(jié)約資源，提高建筑物使用壽命，確保正常使用功能的目的。為達到上述目的，突破傳統(tǒng)設(shè)計理念，通過調(diào)整地基或基樁的豎向支承剛度分布，使樁土反力和上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載不僅整體平衡，而且實現(xiàn)局部平衡，以達到最大限度減小差異沉降，降低基礎(chǔ)底板內(nèi)力和上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力，使基礎(chǔ)底板減薄，變成柔性薄板。

3.2 基礎(chǔ)持力層選取

由地勘報告提供的數(shù)據(jù)知，本場地適合作為樁基持力層的土層有⑤層粉細砂層和⑦層粉細砂夾粉質(zhì)黏土層。根據(jù)變剛度調(diào)平設(shè)計的原則，首先選取較淺的⑤層粉細砂層作為裙房的樁基持力層。裙房的樁基持力層確定后關(guān)鍵是確定塔樓的樁基持力層。從地勘報告提供的數(shù)據(jù)來看，⑤層土端阻力為7000kPa，Es1- 2=10.8MPa；⑦層土端阻力為4000kPa，Es1- 2=7.2MPa。單從土層工程特性來看，⑤層土端阻力更大，壓縮性也更好，似乎選擇⑤層土作為持力層更經(jīng)濟。經(jīng)過初步測算，如果選擇⑤層土作為塔樓的樁基持力層，選用直徑600 的管樁，樁長取20m，則單樁承載力約為2000kN。以西塔樓為例：西塔樓上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1020600kN，采用上述樁型則需要約510 根基樁。顯然在塔樓范圍內(nèi)布置如此多的工程樁是有困難的。而且根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007—2011）中關(guān)于樁基的沉降計算的內(nèi)容來看，當(dāng)基樁的布置達到一定密度后，樁基的沉降表現(xiàn)為實體深基礎(chǔ)的沉降。這時樁基的沉降只與樁基布置的范圍、樁長和樁側(cè)土的內(nèi)摩擦角有關(guān)，而與樁數(shù)無關(guān)。也就是說當(dāng)布樁的密度達到一定程度后，再增加樁的密度雖然能提高承載力，但于減小沉降的作用幾乎為零。這顯然不符合變剛度調(diào)平設(shè)計提出的減小差異沉降的要求。經(jīng)過以上分析確定將塔樓區(qū)域的基樁加長，選用⑦層土作為塔樓的樁端持力層，加長后單樁承載力可以提高一倍以上?？紤]樁端持力層以上覆土的荷載，根據(jù)綜合固結(jié)實驗成果圖確定⑤層土的壓縮模量為16.8mPa，⑦層土的壓縮模量為25.05MPa，⑦層土的實際壓縮模量略大于⑤層土的壓縮模量。

3.3 變剛度調(diào)平概念布樁及試樁

確定好樁基持力層后，初步確定樁型為：塔樓區(qū)域采用直徑800mm 的鉆孔灌注樁，樁長50.7m，為了進一步減小沉降差，采用后注漿技術(shù)進行加強；裙房區(qū)域采用直徑600 的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁長20m；塔樓外擴區(qū)域采用單節(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁作為抗拔樁，樁長13m，樁端設(shè)置在較軟的④層土，豎向荷載考慮天然地基的承載力。

確定好樁型后，進行了現(xiàn)場試樁，以便取得實際的樁基承載力和相關(guān)參數(shù)作為施工圖設(shè)計的最終依據(jù)。

3.4 基礎(chǔ)計算分析

本工程基礎(chǔ)計算及分析主要采用PKPM2008 版的JCCAD 軟件。要實現(xiàn)變剛度調(diào)平設(shè)計就要求樁土反力和上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載不僅整體平衡，而且實現(xiàn)局部平衡。為此，將計算方案設(shè)計為：先采用分塊計算的模型實現(xiàn)局部平衡，再將整個項目的模型拼合為整體實現(xiàn)整體平衡。以東塔樓及其周邊的裙房，車庫為例，其計算過程如下：首先，以東塔樓的模型建模，布樁，進行基礎(chǔ)計算。本工程塔樓部分雖然是框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)，但剪力墻較集中布置于中間位置，框架柱布置在剪力墻周邊1～2 跨范圍內(nèi)，整個布局與框架- 核心筒類似。因此在基礎(chǔ)設(shè)計時將重心位置集中布置的剪力墻作為核心筒來處理。布樁時遵循局部平衡原則，以荷載標(biāo)準(zhǔn)組合分別估算每根柱下和核心筒區(qū)域的樁數(shù)，根據(jù)估算樁數(shù)進行布樁，然后輸入模型進行初步計算，見圖1。從圖中可以看出底板沉降圖程明顯的馬鞍狀，中間大，四周小，核心筒區(qū)域與周邊柱下的沉降差為16mm，差異沉降比較明顯。

圖1 東塔樓初步計算沉降圖

為了減小差異沉降對核心筒區(qū)域的樁基進行了加密，增加核心筒區(qū)域的樁基密度，經(jīng)過反復(fù)幾次驗算后，最終沉降見圖2。從圖中可以看出底板的沉降趨于平衡，核心筒區(qū)域與周邊柱下的沉降差為7mm，差異沉降減小了9mm,最大沉降略有減小。分塊模型達到預(yù)期目的后再進行整體模型的驗算。整體驗算時，參照分塔驗算的結(jié)果進行布樁，調(diào)整樁基剛度，使樁基反力與分塔模型接近，再根據(jù)最終的沉降情況適當(dāng)調(diào)整樁基布置，使差異沉降達到預(yù)期目的。這個過程需要反復(fù)調(diào)整，再帶入分塔模型進行復(fù)核，如此反復(fù)幾次迭代計算，方可達到最終設(shè)計要求。

圖2 東塔樓最終計算沉降圖

4 總結(jié)

（1）根據(jù)基礎(chǔ)沉降的情況和上部結(jié)構(gòu)的荷載情況，動態(tài)調(diào)整樁基長度和變換不同的持力層可以方便實現(xiàn)變剛度調(diào)平設(shè)計。

（2）在變剛度調(diào)平設(shè)計理論的運用可以減小基礎(chǔ)底板內(nèi)力，起到節(jié)約工程造價的作用。

（3）在進行變剛度調(diào)平設(shè)計時可以先分塊設(shè)計，再進行整體建模分析，兩者可以相互補充，相互驗證，經(jīng)過反復(fù)迭代驗算提高結(jié)構(gòu)分析的可靠性。