某超高層住宅復(fù)合地基的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

王舜奇

(武漢正華公司建筑設(shè)計(jì)有限公司，湖北武漢 430000)

在進(jìn)行超高層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于結(jié)構(gòu)質(zhì)心較高、荷載較重，對(duì)基礎(chǔ)沉降差較為敏感，一般會(huì)選擇樁基礎(chǔ)方案。其實(shí)超高層住宅通常采用全現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，這種形式具有較大的結(jié)構(gòu)剛度，對(duì)減少地基的不均勻變形有較好的效果。當(dāng)具體工程場(chǎng)地條件合適的情況下，只要在設(shè)計(jì)中選擇合理的樁型及布置方式，復(fù)合地基可以在安全性上滿足要求。同時(shí)在經(jīng)濟(jì)性及工期上均有一定優(yōu)勢(shì)。

1 工程概況

某工程位于武漢市漢陽區(qū)，該項(xiàng)目由棟40層超高層和多棟高層住宅組成。超高層住宅采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，屬 A級(jí)高度、非超限高層建筑。

根據(jù)該項(xiàng)目地勘報(bào)告，場(chǎng)地地貌單元屬第四系沖湖積平原與長(zhǎng)江三級(jí)階地過渡地帶。場(chǎng)區(qū)范圍出露地層有雜填土、第四系全新統(tǒng)一般黏性土、第四系中更新統(tǒng)老黏性土及下部的基巖等，下伏基巖為穩(wěn)定的白堊系-下第三系泥質(zhì)粉砂巖。場(chǎng)區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷裂破碎帶，亦未見土洞、暗溝、暗濱等不良地質(zhì)現(xiàn)象。該場(chǎng)地的典型地勘剖面如圖1所示，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)指標(biāo)見表1。

圖1 典型地勘剖面

本工程自2014年開始設(shè)計(jì)，最初確定的基礎(chǔ)方案為鉆孔灌注樁嵌巖樁方案。但經(jīng)過對(duì)地質(zhì)條件的仔細(xì)分析后，與建設(shè)方及地勘單位多次協(xié)商，最后選用復(fù)合地基方案。經(jīng)試樁及復(fù)合地基試驗(yàn)后工程，于2015年完成基礎(chǔ)施工，項(xiàng)目于2018年竣工。

表1 地層承載力特征值及樁基參數(shù)

2 基礎(chǔ)方案的比選

2.1 灌注樁基礎(chǔ)的選擇

在地勘的中間報(bào)告中，建議超高層采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，持力層選用(5-2)層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖或(5-3)層微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。如樁端持力層采用(5-2層)，由于其節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯較破碎，地勘單位建議在不同地段分別試樁。按此建議各棟超高層均需增加試樁及檢測(cè)費(fèi)用，而且持力層強(qiáng)度不均對(duì)驗(yàn)收檢測(cè)和結(jié)構(gòu)安全均有一定影響。

如持力層采用較為穩(wěn)定的(5-3)層，雖然其強(qiáng)度高、厚度較大，但埋深大(一般大于39.50 m)。按照地勘剖面估算的樁長(zhǎng)達(dá)到45 m，其中穿越中風(fēng)化層約15 m，施工周期較長(zhǎng)造價(jià)較高。

按地勘報(bào)告參數(shù)估算，鉆孔灌注樁采用φ800 mm或φ900 mm均可滿足承載力要求，但均有不利因素影響，且未有效利用基底土層承載力。

2.2 天然基礎(chǔ)的可行性

對(duì)本項(xiàng)目中超高層建筑，地勘單位未提出天然基礎(chǔ)建議，如采用天然基礎(chǔ)則基礎(chǔ)底持力層為(3-2)層粉質(zhì)黏土。該層土為硬塑狀，壓縮性中偏低，強(qiáng)度較高，厚度較大，但局部埋深較大(大于13.50 m)且局部夾較軟的(3-2a)層粉質(zhì)黏土。(3-2)層土fak為365 kPa，如果不考慮夾層影響的話，經(jīng)修正后可以滿足100 m以內(nèi)高層地基承載力，但作為120 m高層建筑的天然地基承載力顯然不夠。

有較大的不利影響的是(3-2a)層粉質(zhì)黏土透鏡體，該層土承載力較低(fak=200 kPa)且全場(chǎng)地均有分布，距基礎(chǔ)底面最薄處約2 m，如采用天然基礎(chǔ)需按軟弱下臥層進(jìn)行驗(yàn)算。由于軟弱夾層的存在，天然基礎(chǔ)方案無法成立。

2.3 復(fù)合地基方案

本工程如果采用復(fù)合地基，既可有效利用基礎(chǔ)底位于強(qiáng)度較高土層的有利條件，又可減少剛性樁進(jìn)入中風(fēng)化巖層的深度，在更好地保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，降低了樁基造價(jià)、節(jié)省了工期。本工程詳勘報(bào)告經(jīng)協(xié)商后，地勘單位補(bǔ)充了復(fù)合地基相關(guān)參數(shù)及建議。

3 復(fù)合地基設(shè)計(jì)

3.1 剛性樁持力層的選擇

復(fù)合地基中剛性樁應(yīng)將基礎(chǔ)荷載傳遞到下部承載力和壓縮模量相對(duì)較高的土層。結(jié)合本工程地層分布，僅在(3-2)層中布置剛性樁效果并不明顯，因此將基礎(chǔ)持力層定為第5層。樁型擬采用長(zhǎng)螺旋壓灌樁，由于這種施工工藝難以進(jìn)入(5-2)層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，考慮到(5-1)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層雖然較薄但是下部中風(fēng)化強(qiáng)度更高，與地勘單位協(xié)商后將持力層定為(5-1)層(qpa為 550 kPa)，。復(fù)合基樁采用φ600 mm長(zhǎng)螺旋鉆孔素混凝土壓灌樁，樁長(zhǎng)約20 m，單樁豎向承載力特征值Ra=1400 kN。

3.2 復(fù)合地基承載力特征值的確定

經(jīng)模型計(jì)算分析，標(biāo)準(zhǔn)組合下筏板底面最大壓力值約680 kPa。按照J(rèn)GJ79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》第3.0.4條，復(fù)合地基承載力可進(jìn)行修正，基礎(chǔ)寬度修正系數(shù)應(yīng)取0，基礎(chǔ)埋深修正系數(shù)應(yīng)取1.0。在考慮筏板厚度及地下室底板的埋深修正后，復(fù)合地基承載力特征值fspk取550 kPa。

3.3 軟弱夾層對(duì)承載力的影響

雖然基底持力層為(3-2)層粉質(zhì)黏土，但由于局部夾有(3-2a)層粉質(zhì)黏土透鏡體，并不能直接采用(3-2)層承載力進(jìn)行復(fù)合地基計(jì)算。考慮到勘察孔位間距較大，對(duì)基礎(chǔ)下的夾層不可能全部探明，因此按最薄處軟弱下臥層附加應(yīng)力反推基礎(chǔ)底面的地基承載力，最終確定用于復(fù)合地基設(shè)計(jì)的樁間土承載力特征值為260 kPa。

3.4 面積置換率及樁布置

按湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)DB42/242-2014《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》，樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)可取0.8，代入相關(guān)公式計(jì)算得到面積置換率為0.074。

由于高層建筑筏形基礎(chǔ)的沉降通常為碟形，考慮到復(fù)合地基中部樁應(yīng)力疊加效應(yīng)明顯，為減小筏板中部與邊緣的沉降差異，采用了變剛度調(diào)平的布置方式。按照《樁基手冊(cè)》[3]中相關(guān)建議，在布樁時(shí)對(duì)長(zhǎng)、寬方向中部各1/2區(qū)域樁間距適當(dāng)加密，其余部分樁間距按面積置換率確定。具體布置如圖2所示。

圖2 剛性樁平面布置示意

3.5 褥墊層的設(shè)計(jì)

本工程復(fù)合地基中剛性樁樁徑較大承載力較高，預(yù)估沉降較小，因此宜適當(dāng)加大褥墊層厚度到300 mm，允許剛性樁刺入褥墊層變形，提高樁土共同作用能力。

由于高層建筑基礎(chǔ)通常有較深的電梯基坑或集水坑降板，基底高差變化造成褥墊層施工復(fù)雜困難。復(fù)合地基中樁間距較小，難以避開筏板放坡斜面，而斜面處無法設(shè)置褥墊層。經(jīng)多個(gè)項(xiàng)目實(shí)踐，采用在高低褥墊層間設(shè)置素混凝土擋墻的方式(圖3)，可有效解決這個(gè)問題。

圖3 高差處褥墊層做法

4 施工階段問題處理及沉降觀測(cè)

4.1 試樁及復(fù)合地基試驗(yàn)情況

2015年4月本工程進(jìn)行了試樁及復(fù)合地基試驗(yàn)，經(jīng)檢測(cè)單樁豎向抗壓極限承載力均達(dá)到3 300 kN，達(dá)到極限值時(shí)沉降約28～32 mm；復(fù)合地基極限承載力均達(dá)到1 100 kPa，沉降量約為36～39 mm。單樁及復(fù)合地基試驗(yàn)前均進(jìn)行了小應(yīng)變檢測(cè)，各有一根有輕微缺陷，缺陷樁沉降量稍大，但仍可滿足承載力要求。

4.2 缺陷樁的處理

由于高層建筑基礎(chǔ)埋深較大，基坑開挖較為復(fù)雜，為防止出現(xiàn)工程隱患，設(shè)計(jì)要求全部樁均進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)以保證樁身質(zhì)量。經(jīng)開挖后檢測(cè)，少量樁出現(xiàn)樁身缺陷，缺陷深度在1.0～3.5 m左右。

對(duì)于缺陷樁采用2種方式處理：一是對(duì)缺陷深度在1.5 m以內(nèi)的樁采用挖除缺陷部位，擴(kuò)大樁頭方式接樁；二是對(duì)缺陷部位在1.5 m以下的樁采用單樁靜載荷試驗(yàn)方式驗(yàn)證承載力，按檢測(cè)結(jié)果折減后重新復(fù)核，由于筏板基礎(chǔ)整體性較好，復(fù)核后可滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 沉降觀測(cè)結(jié)果

2015年本項(xiàng)目完成基礎(chǔ)施工，2016年主體結(jié)構(gòu)封頂，結(jié)構(gòu)驗(yàn)收時(shí)沉降量約為18 mm。2018年項(xiàng)目完成竣工驗(yàn)收，根據(jù)竣工時(shí)提交的沉降觀測(cè)資料，累計(jì)沉降約22 mm，最大沉降差4 mm，整體沉降均勻，滿足結(jié)構(gòu)安全及使用要求。

5 總結(jié)與思考

5.1 樁徑的優(yōu)化

本工程素混凝土樁采用長(zhǎng)螺旋施工工藝，在施工過程中發(fā)現(xiàn)到達(dá)(5-1)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層后鉆進(jìn)困難，雖然強(qiáng)風(fēng)化層強(qiáng)度不高，但樁徑較大時(shí)對(duì)設(shè)備要求較高。因此建議在類似地質(zhì)情況下當(dāng)樁長(zhǎng)較短時(shí)可采用φ400 mm、φ500 mm等小直徑樁，有利于進(jìn)入保證樁進(jìn)入持力層深度。

5.2 樁頂配筋的做法

由于素混凝土樁樁身抗側(cè)力及抗裂較差，為減少樁身質(zhì)量問題，近幾年設(shè)計(jì)的高層復(fù)合地基中素混凝土樁廣泛采用在頂部配置2 m長(zhǎng)鋼筋籠的配筋方式，如圖4所示。鋼筋籠不與底板連接，僅為減少樁身開挖過程中的損傷及加強(qiáng)樁頂豎向承載力，這種方式對(duì)造價(jià)影響較小，但有效減少了缺陷樁數(shù)量。

圖4 樁頂配筋示意

5.3 結(jié)束語

本工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)能夠結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)條件，避免了其中巖層強(qiáng)度較低厚度較大的不利條件，又利用了土層強(qiáng)度較高的有利條件，靈活選用了復(fù)合地基的基礎(chǔ)形式。經(jīng)時(shí)間檢驗(yàn)滿足了結(jié)構(gòu)安全性要求，也取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，希望能對(duì)類似條件下的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考。