柬埔寨某超高層住宅基礎(chǔ)設(shè)計

陳佳琪

(廣州市住宅建筑設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

鉆孔灌注樁因承載力高、沉降量小、直徑大和施工工藝成熟等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于高層、超高層建筑的基礎(chǔ)中。然而樁施工所引起的樁底沉渣較多和樁側(cè)泥皮較厚等問題，導(dǎo)致樁承載力降低。目前，大量的研究表明，鉆孔灌注樁后注漿技術(shù)能夠有效地降低上述問題的影響。后注漿技術(shù)能擠密加固樁端土體，消除樁端虛土對承載力的影響，改變樁側(cè)泥皮形狀以及樁與土體接觸的邊界條件，使樁體范圍土體與樁緊密地結(jié)合在一起形成一體，提高樁的剛度和承載力，減小樁基沉降[1-3]。本文以柬埔寨某超高層住宅項目介紹了后注漿鉆孔灌注樁的基礎(chǔ)設(shè)計。

1 工程概況

柬埔寨某超高層住宅項目位于柬埔寨王國金邊市莫尼旺大道南端東側(cè)，用地面積約15 192 m2，總建筑面積約212 141.5 m2。本場地擬建建筑為5棟57層超高層住宅，1層～5層為裙樓，5層為轉(zhuǎn)換層，6層～57層為住宅標(biāo)準(zhǔn)層，無地下室，1層～4層層高為3.1 m，5層層高為4.5 m，6層層高為3.6 m，標(biāo)準(zhǔn)層及避難層層高為3 m，天面層標(biāo)高為173.5 m，立面效果圖如圖1所示。主塔樓和裙樓的結(jié)構(gòu)體系分別為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)，塔樓偏置于裙樓一側(cè)，并與裙樓連帶為一個整體。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告，本項目場地較平坦，無不良地質(zhì)作用，且無活動斷裂構(gòu)造通過，場地穩(wěn)定性較好，場地表層為雜填土，未經(jīng)壓實；其下是粉質(zhì)黏土，為軟塑～硬塑；接著是較厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，為軟塑～可塑；再下是砂粉質(zhì)黏土，為硬塑～堅硬；最后是泥質(zhì)砂巖層，基巖承載力不高，巖面起伏較大且較深，坡度大于10%，為非均勻地基。各土層分布及特征詳見表1。

表1 土層分布及樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsk、端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk

根據(jù)世界地震烈度分布圖[4]，柬埔寨是不處于地震活動帶，當(dāng)?shù)責(zé)o地震歷史記錄。根據(jù)當(dāng)?shù)卣嚓P(guān)文件和工程經(jīng)驗，本項目可按非抗震設(shè)計，設(shè)計相關(guān)規(guī)范或相應(yīng)規(guī)定均依據(jù)中國規(guī)范執(zhí)行。

3 基礎(chǔ)選型

根據(jù)場地工程地質(zhì)條件、荷載大小、經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件以及當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗，本項目采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。根據(jù)巖層情況，以層⑦中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(較完整)為樁端持力層，該巖層的巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度較低巖層深度達(dá)到70 m以上，樁徑比較大，樁側(cè)摩阻力占比達(dá)65%以上，成樁質(zhì)量和樁基沉降難以把握。

采用后注漿技術(shù)不僅可以提高樁的端阻和側(cè)阻，而且可以加固樁側(cè)土體，減少樁長，提高樁基的質(zhì)量和減少樁基沉降。綜合考慮，本項目采用后注漿鉆孔灌注樁。

4 后注漿鉆孔灌注樁設(shè)計

后注漿鉆孔灌注樁是指鉆孔成樁后，利用鋼筋籠在樁底和樁側(cè)預(yù)埋注漿導(dǎo)管，利用地面壓力系統(tǒng)將水泥漿液通過注漿導(dǎo)管注入到樁體一定范圍的土層中，使水泥漿液與樁體一定范圍的土體相結(jié)合，改變土體物理力學(xué)性質(zhì)和樁土間的邊界條件，使樁底沉渣和樁側(cè)泥皮得到加固，從而提高樁的承載力，減小樁基沉降量。

4.1 灌注樁后注漿的加固機(jī)理

灌注樁后注漿加固機(jī)理主要分為滲透固結(jié)、壓密填充、劈裂加筋、化學(xué)膠凝和填充膠結(jié)等。這些機(jī)理在注漿過程中同時存在，相互聯(lián)系。一般來說，漿液先滲透進(jìn)去到空隙較大碎石頭中，然后在一定的漿液壓力下將松散的土體壓密填充，當(dāng)注漿壓力大于土體的最小主應(yīng)力時，將土體劈裂，漿液沿著縫隙滲透進(jìn)入土體。在整個過程中，水泥漿液的礦物質(zhì)與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的晶體，這樣既能減少土體中的含水量，又能填充于土體間的縫隙里，改變土體的物理性質(zhì)，使土體得到加固。

4.2 后注漿單樁承載力的計算

根據(jù)《樁規(guī)》[5]中第5.3.10條規(guī)定，后注漿灌注樁的單樁豎向極限承載力Quk的估算公式如下：

Quk=Qsk+Qgk+Qgpk=

u∑qsiklj+u∑βsiqsiklgi+βpqqkAp。

式中各符號含義見《樁規(guī)》中第5.3.10條。

本項目主塔樓為超高層結(jié)構(gòu)，荷載較大，樁徑為1.2 m，樁身混凝土等級為C40，樁端持力層為層⑥強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(碎塊狀)，進(jìn)入持力層不小于5 m，平均樁長約55 m。裙樓荷載較小，樁徑為1.0 m，樁身混凝土等級為C30，根據(jù)柱底軸力，樁端持力層分別為層⑥-1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和層⑥強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(碎塊狀)，進(jìn)入持力層不小于3 m，平均樁長分別約為45 m和52 m。

按照樁端樁側(cè)聯(lián)合注漿，豎向增強(qiáng)段共2段，共計24 m，且僅考慮層③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土以下土層的注漿增強(qiáng)貢獻(xiàn)，含砂粉質(zhì)黏土和泥質(zhì)砂巖層的后注漿側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)βs=1.4，泥質(zhì)砂巖層的后注漿端阻力增強(qiáng)系數(shù)βp=2.0。按上述公式計算，同等樁長和直徑下，注漿前后單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計算結(jié)果詳見表2。由表2可知，注漿后單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可以提高40%以上。

表2 注漿前后單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計算結(jié)果

根據(jù)樁身承載力和計算結(jié)果，本工程樁徑為1.2 m的單樁承載力特征值12 000 kN，樁徑為1.0 m的單樁承載力特征值分別為5 500 kN和7 200 kN，樁基礎(chǔ)布置圖如圖2所示。

4.3 后注漿技術(shù)參數(shù)

為保證后注漿施工的質(zhì)量，需對注漿裝置、注漿方式、漿液配比和注漿壓力等參數(shù)進(jìn)行確定。

1)注漿裝置：后注漿導(dǎo)管及注漿閥沿鋼筋籠圓周均勻設(shè)置，建議埋設(shè)不少于4根φ32 mm×3.0 m鍍鋅鋼管(超聲波檢測管另外埋設(shè)3根φ50 mm×3.5 m鋼管)，注漿后鋼管可代替縱向縱筋，且與鋼筋籠綁扎固定，其中樁端和樁側(cè)的注漿導(dǎo)管均不少于2根。

2)注漿方式：采用樁端樁側(cè)聯(lián)合注漿，后注漿管閥設(shè)置2道，樁底設(shè)置一道，樁底以上12 m處設(shè)置一道樁側(cè)注漿閥，樁端注漿器應(yīng)伸出樁底0.3 m以上，并向樁底倒入碎石，防止水泥漿堵塞。

3)漿液配比：根據(jù)土的飽和度和滲透性，確定注漿所用水泥等級為42.5級，漿液的水灰比(質(zhì)量比)宜為0.45～0.65，低水灰比漿液宜摻入減水劑。

4)注漿壓力：樁側(cè)注漿終止壓力宜為1.2 MPa～4 MPa；樁端注漿終止壓力宜為6 MPa～9 MPa，注漿流量宜為30 L/min～50 L/min，不宜超過75 L/min。

5)注漿量：根據(jù)《樁規(guī)》中第6.7.4條計算，1.0 m直徑樁樁端注漿量暫定為1.8 t，每個樁側(cè)斷面注漿量暫定為0.6 t；1.2 m直徑樁樁端注漿量暫定為2.0 t，每個樁側(cè)斷面注漿量暫定為0.75 t。

6)注漿作業(yè)：注漿作業(yè)在成樁2 d后開始，但不宜遲于成樁30 d后，注漿順序一般為先樁側(cè)后樁端和先外圍后內(nèi)部。

7)終止注漿：當(dāng)注漿總量和注漿壓力均達(dá)到設(shè)計要求時，或當(dāng)注漿總量已達(dá)到設(shè)計值的75%，且注漿壓力超過6 MPa時，即可終止注漿。

4.4 試樁靜載數(shù)據(jù)分析

本項目試樁靜載試驗的最大加載量為單樁承載力特征值的2倍，列出5根塔樓的試樁靜載結(jié)果和Q-s曲線圖，分別如表3,圖3所示。根據(jù)結(jié)果可知，當(dāng)加載量為單樁承載力特征值時，各樁樁頂沉降量為10.05 mm～11.36 mm；當(dāng)加載量為2倍單樁承載力特征值時，各樁樁頂沉降量為26.07 mm～30.05 mm。各樁樁頂沉降均勻，總沉降量均小于40 mm，均未發(fā)生破壞，單樁承載力特征值是可用于設(shè)計，采用后注漿技術(shù)可以提高樁的承載力，減小樁基沉降量。

表3 試樁靜載結(jié)果

4.5 變剛度調(diào)平設(shè)計

變剛度調(diào)平的基本原理是通過設(shè)置不同的樁距、樁徑和樁長對樁土支承剛度分布實施調(diào)整，采用增強(qiáng)與減弱相結(jié)合，整體協(xié)調(diào)，使沉降變形更趨向均勻，減小上部結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力和基礎(chǔ)內(nèi)力，減薄基礎(chǔ)厚度，降低基礎(chǔ)配筋[6]。

由于主塔樓為部分框支剪力墻，除核心筒剪力墻外，6層及以上其余剪力墻均采用轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行托換，致使核心筒和轉(zhuǎn)換柱下的荷載出現(xiàn)較大的差異。本項目對主塔樓采用強(qiáng)化中央和弱化外圍的原則進(jìn)行變剛度調(diào)平，使之與荷載匹配。對于豎向荷載集中的內(nèi)部核心筒相關(guān)區(qū)域，按照最小樁距為3倍樁徑的要求來滿堂均勻布樁，適當(dāng)增加樁數(shù)，減小沉降變形。對于荷載分散的外圍轉(zhuǎn)換柱區(qū)域，根據(jù)荷載大小僅在框架柱下布置樁，適當(dāng)加大樁間距。這樣不僅能使塔樓的上部荷載與樁反力整體平衡，又能有效減小核心筒相關(guān)區(qū)域和外圍轉(zhuǎn)換柱區(qū)域的沉降變形差，使筏板變形更趨向一致，減小筏板內(nèi)力和配筋。經(jīng)計算，主樓的筏板厚度為3.0 m，由于沖切原因，個別轉(zhuǎn)換柱下的筏板加厚至3.5 m，混凝土強(qiáng)度等級為C35，可以滿足抗彎、抗沖切等承載力要求。本文列出1棟～3棟塔樓的基礎(chǔ)沉降變形圖(見圖4)，沉降變形值約為8 mm～10.5 mm，沉降量同試樁靜載結(jié)果基本一致，核心筒相關(guān)區(qū)域與外圍轉(zhuǎn)換柱的沉降變形差為1 mm～2 mm，有效地減少了沉降變形差和筏板配筋，除局部受力較大位置外，筏板配筋主要為構(gòu)造配筋。

由于主塔樓與裙樓之間的荷載差異較大，本項目對周邊裙樓的變剛度調(diào)平，按弱化裙樓作用的原則，來減小主塔樓與周邊裙樓間的沉降差。首先主塔樓和裙樓分別選用直徑1.2 m和1.0 m的灌注樁，且不同的樁端持力層和樁長(詳見表2)；然后在主塔樓周邊設(shè)置一圈1 m寬沉降后澆帶，待主塔樓封頂后進(jìn)行澆筑，來減小在主塔樓與周邊裙樓之間的沉降差所帶來的附加應(yīng)力。

根據(jù)變剛度調(diào)平的原則，通過選擇不同的樁距、樁徑、樁長和樁端持力層，來減少基礎(chǔ)沉降變形差，確定了合理的樁基礎(chǔ)布置，如圖2所示。

4.6 基礎(chǔ)埋深

考慮到施工成本、施工難度與周期及當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗等，該超高層建筑不設(shè)地下室，基礎(chǔ)埋深為3.6 m，其不滿足《高規(guī)》[7]中所要求房屋高度的1/18。本項目需對超高層塔樓進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗算。

根據(jù)結(jié)構(gòu)整體抗傾覆安全系數(shù)與基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)的對應(yīng)關(guān)系，在豎向荷載與水平荷載的共同作用下，對于高寬比大于4的高層建筑，基礎(chǔ)底面不得出現(xiàn)拉應(yīng)力，即所有樁基不得出現(xiàn)拉力，且結(jié)構(gòu)抗傾覆安全系數(shù)不小于3.0[8]。

樁基礎(chǔ)的抗滑移穩(wěn)定性是要求樁基總水平承載力的安全系數(shù)不小于1.3。根據(jù)規(guī)范要求，按直徑為1.2 m的樁來計算確定樁頂上部的主要影響深度及相關(guān)土層和地基土水平抗力系數(shù)，按水平位移控制計算樁的水平承載力特征值為215 kN，且不考慮筏板側(cè)面土和底部土摩擦力的有利影響。

本項目按100 a的基本風(fēng)壓(0.56 kN/m2)進(jìn)行抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定性驗算，列出1棟～3棟塔樓的計算結(jié)果，詳見表4，表5。

表4 結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算結(jié)果 kN·m

表5 結(jié)構(gòu)抗滑移驗算結(jié)果 kN

由表4,表5結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)樁基均處于受壓狀態(tài)，結(jié)構(gòu)抗傾覆安全系數(shù)均大于3，結(jié)構(gòu)樁基總水平承載力的安全系數(shù)均大于1.3，表明該結(jié)構(gòu)能滿足抗傾覆和抗滑移的穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)論

通過介紹柬埔寨某超高層住宅的基礎(chǔ)設(shè)計，得到以下結(jié)論：

1)根據(jù)地質(zhì)條件、荷載大小和成樁質(zhì)量，采用后注漿鉆孔灌注樁；根據(jù)試樁靜載試驗結(jié)果，采用樁端樁側(cè)復(fù)式注漿技術(shù)能顯著提高樁基承載力，減少沉降變形。

2)按照變剛度調(diào)平的原理，通過確定合適的樁間距、樁數(shù)量以及不同的樁徑、樁長和樁端持力層等措施，減小了塔樓內(nèi)部核心筒相關(guān)區(qū)域與外圍轉(zhuǎn)換柱區(qū)域的沉降差以及主塔樓與裙樓之間的沉降差，使沉降變形更均勻，減小了基礎(chǔ)內(nèi)力和配筋。

3)當(dāng)超高層建筑基礎(chǔ)埋深不滿足規(guī)范的要求時，通過概念設(shè)計和相關(guān)措施后，結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)埋深是可以滿足抗傾覆和抗滑移的穩(wěn)定性要求。