PLAXIS超高層樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與分析
——以北京麗澤商務(wù)區(qū)某建筑為例

■ 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 王媛

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該項(xiàng)目緊鄰地鐵14號(hào)線及16號(hào)線的麗澤商務(wù)區(qū)站，基礎(chǔ)持力層為第四紀(jì)厚層卵石層，考慮到地鐵聯(lián)絡(luò)線對(duì)工后沉降的要求，采用樁筏基礎(chǔ)形式；基樁綜合分析不同樁長、不同持力層的單樁承載變形性狀，最終確定采用“短樁”“不入巖”方案；選擇第四紀(jì)卵石層作為樁端持力層，避開第三系不利影響，充分發(fā)揮砂卵石層樁側(cè)摩阻力。該項(xiàng)目作為麗澤商務(wù)區(qū)內(nèi)“短樁”樁基方案的典型超高層案例，現(xiàn)場試驗(yàn)樁及工程檢驗(yàn)樁數(shù)據(jù)分析以及基礎(chǔ)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)為此區(qū)域工程研究積累了重要資料。

1. 建筑與結(jié)構(gòu)概況

該項(xiàng)目工程主體為辦公樓，其結(jié)構(gòu)高度191.5m，地上45層，地下4層，±0.00=44.60m，板底標(biāo)高-22.7m（相對(duì)標(biāo)高），基底持力層為⑤層卵石土，主樓由兩個(gè)反對(duì)稱復(fù)雜雙塔用跨度9m～38m弧形鋼連廊連接組成，純地下室部分采用鋼筋混凝土框架——剪力墻體系。該工程通高的中庭被稱為目前世界最高中庭，雙塔荷載集中且超大，雙塔與中庭荷載差異顯著。該工程有地鐵聯(lián)絡(luò)線隧道自西北向東南貫穿整個(gè)地下室的3、4層（圖1），地鐵聯(lián)絡(luò)線對(duì)該工程工后沉降有嚴(yán)格要求。綜合考慮場地地質(zhì)條件、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)荷載受力情況、施工的可行性以及基樁承載形狀及試驗(yàn)樁數(shù)據(jù)，進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)。

圖1 該工程與周邊地鐵工程相對(duì)位置關(guān)系平面示意圖

2. 巖土工程條件

2.1 工程地質(zhì)條件

擬建場地地面標(biāo)高為43m～45m左右，位于古漯水河故道范圍內(nèi)，場區(qū)的第四系覆蓋層厚度為40m左右。根據(jù)現(xiàn)場勘探、原位測(cè)試及室內(nèi)巖、土實(shí)驗(yàn)成果，按地層沉積年代、成因類型，將最大深度70m范圍內(nèi)的地層劃分為人工堆積層、新進(jìn)沉積層、第四紀(jì)沉積層及第三紀(jì)巖層四大類，地面以下至第三系基巖頂板之間的土層巖性以厚層的卵礫石為主，局部夾有薄層的粘性土、粉土和砂土層。按地層巖性及其物理力學(xué)數(shù)據(jù)指標(biāo)，進(jìn)一步劃分為8個(gè)大層及亞層。其中，第三系沉積巖層中⑦全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化粘土巖層，勘察報(bào)告中定義為極軟巖，膠結(jié)差～中等，成巖性差。

2.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，工程場區(qū)自然地面下40m深度范圍內(nèi)的揭露1層地下水，地下水類型為潛水。潛水主要賦存于標(biāo)高25.55m～26.33m以下的砂、卵石層（相應(yīng)于工程地質(zhì)剖面圖中的⑤層）。工程場地地下水賦存于較厚層的卵礫石地層中，為單一含水層中賦存的潛水。用于該工程的建筑抗浮設(shè)防水位按標(biāo)高39m考慮。

3. 地基基礎(chǔ)工程問題分析

3.1 天然地基VS樁筏基礎(chǔ)

該項(xiàng)目施工之前，周邊項(xiàng)目已采用天然地基，且沉降穩(wěn)定。在確定該項(xiàng)目地基基礎(chǔ)時(shí)，除參考周邊其他項(xiàng)目外，還需要仔細(xì)比對(duì)該項(xiàng)目的特有結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及周邊設(shè)施，包括以下內(nèi)容：一是該項(xiàng)目與周邊多條地鐵線相鄰，且有地鐵聯(lián)絡(luò)線隧道貫穿建筑物地下室3、4層（聯(lián)絡(luò)線限定要求工后沉降不超過±5mm）；二是在不考慮核心筒基礎(chǔ)底板范圍外擴(kuò)影響情況下，南塔核心筒基底壓力高達(dá)1952.5kPa，北塔核心筒基底壓力高達(dá)1978.5kPa（已考慮底板自重，未考慮水浮力），遠(yuǎn)大于修正后的地基承載力特征值。綜合考慮，該項(xiàng)目采用樁筏基礎(chǔ)控制沉降變形更為合理。

3.2 樁端是否入巖

該項(xiàng)目基礎(chǔ)底板以下有將近20m厚度的密實(shí)卵石層，卵石巖層下為易受擾動(dòng)的第三紀(jì)巖層，樁端持力層的選取對(duì)單樁承載力、工期進(jìn)度及成本控制有較大影響，需慎重選擇。

麗澤商務(wù)區(qū)超高層G、M項(xiàng)目于該項(xiàng)目之前完成涉及施工，其中，G項(xiàng)目主塔樓高度360m，地上81層，地下5層，基礎(chǔ)埋深30.2m，采用樁筏基礎(chǔ)，樁徑1m，樁長34m，樁端持力層第三紀(jì)巖層，單樁承載力特征值取16000kN；M項(xiàng)目建筑物高度為99.95m，地上24層，地下4層地下室，埋深約19.6m，采用樁筏基礎(chǔ)，樁徑1m，樁長20m，樁端持力層第三紀(jì)巖層，單樁承載力特征值取7200kN。兩個(gè)項(xiàng)目均選擇第三紀(jì)巖層作為樁端持力層，樁身穿過卵石、泥巖、砂巖、礫巖。

圖2為G工程樁樁側(cè)阻力實(shí)測(cè)值，G工程基樁深度10m～34m范圍內(nèi)，樁身正好進(jìn)入第三紀(jì)黏土巖層，樁側(cè)阻力驟減且樁側(cè)阻力值都小于第四紀(jì)卵石層的樁側(cè)阻力值。通過分析，G工程試驗(yàn)樁施工時(shí)對(duì)第三紀(jì)巖層的擾動(dòng)較大，雖然樁長加長，但是單樁承載力特征值并沒有很有效的提高。

圖2 樁側(cè)摩阻力實(shí)測(cè)值（G）

圖3為M項(xiàng)目的Q-s曲線，M工程的試驗(yàn)樁樁端進(jìn)入第三紀(jì)巖層，樁基施工，第三紀(jì)巖層遇水被擾動(dòng)，孔底支承剛度較低，單樁承載力特征值只能取到7200kN。

圖3 抗壓試驗(yàn)樁豎向靜載試驗(yàn)Q-s曲線圖(M)

北京平原區(qū)第三紀(jì)末期的古地形，為第四紀(jì)沉積創(chuàng)造了基底條件。澤商務(wù)區(qū)第四紀(jì)以下分布著“似巖非巖，似土非土”的性狀，環(huán)境影響的全風(fēng)化～ 強(qiáng)風(fēng)化黏土巖層，此巖層屬極軟巖，膠結(jié)差～ 中等，成巖性差，且第三紀(jì)巖層的獨(dú)特特性和成樁工藝無法保證承載力和變形要求：旋挖鉆孔及泥漿護(hù)壁工藝中的水進(jìn)入黏土巖層微裂隙，黏土礦物集合體在與水作用時(shí)膨脹應(yīng)力不均勻分布造成崩裂現(xiàn)象，引起基巖軟化，應(yīng)力釋放，從而大大降低樁端極限阻力，且黏土巖層遇水軟化后造成樁端較厚的沉渣無法清除干凈。同時(shí)，卵石粒徑偏大，樁長過長，不利于成孔，而第四紀(jì)卵石層，密實(shí)，飽和，屬低壓縮性土，且平均層厚大于10m，更適合作為樁端持力層。

綜合分析G和M項(xiàng)目以及該項(xiàng)目所在區(qū)域的地質(zhì)條件，暫定該項(xiàng)目第四紀(jì)卵石層為樁端持力層，不入巖，還需試驗(yàn)樁檢測(cè)數(shù)據(jù)佐證。

4. 單樁承載性狀分析

4.1 試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)

該工程試驗(yàn)樁方案為一組抗壓試驗(yàn)樁和一組抗拔試驗(yàn)樁，具體如下：（1）抗壓試驗(yàn)樁樁徑850mm，有效樁長17.0m，樁端持力層為⑥層卵石土，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，單樁試驗(yàn)荷載25000kN，采用樁底及樁側(cè)聯(lián)合注漿工藝；（2）抗拔試驗(yàn)樁樁徑600mm，有效樁長12.0m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35，單樁試驗(yàn)荷載3000kN，采用樁側(cè)注漿工藝；（3）兩組試驗(yàn)樁，采用錨樁法加載，共6根試驗(yàn)樁，8根錨樁。

4.2 試驗(yàn)樁檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

豎向試驗(yàn)荷載加載到25000kN且穩(wěn)定后，試驗(yàn)樁最大豎向沉降為14.90mm；設(shè)計(jì)工作荷載下，即單樁承載力特征值取10000kN，對(duì)應(yīng)的沉降最大5.34mm；表明在設(shè)計(jì)工作荷載下試驗(yàn)樁是安全可靠的。

大直徑超長灌注樁所承受的豎向荷載克服樁側(cè)摩阻力向下傳遞，樁身軸力隨埋深增加而減少，且減少幅度受樁周土層性狀影響。采用振弦式傳感器測(cè)試樁身軸力，設(shè)計(jì)工作荷載10000kN下樁端阻力占總荷載比例18%，豎向試驗(yàn)荷載25000kN下樁端阻力占總荷載比例20%。

圖4為試驗(yàn)樁TP1樁側(cè)摩阻力實(shí)測(cè)值與勘察報(bào)告取值對(duì)比圖，根據(jù)受力情況，該項(xiàng)目工程樁為摩擦端承樁，呈現(xiàn)樁中間摩阻力相對(duì)較大趨勢(shì)，最大單位摩阻力介于1280kPa～1440kPa，位置距樁端4m～6m，處于⑥卵石層。試驗(yàn)樁TP1在樁頂以下10m～17m范圍內(nèi)，樁側(cè)阻力比勘察報(bào)告值大很多，經(jīng)分析，與樁側(cè)樁端聯(lián)合注漿、樁端持力層為卵石層、樁長較短都有一定的關(guān)系。

圖4 樁側(cè)摩阻力實(shí)測(cè)值與勘察報(bào)告取值對(duì)比

從圖5樁側(cè)摩阻力分布曲線可以看出，隨著豎向荷載增大，⑥卵石層側(cè)摩阻力逐步被激發(fā)，側(cè)摩阻力分布曲線峰值呈逐漸增大趨勢(shì)并且展開，而樁體上部分樁側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮到極致，并出現(xiàn)不同程度軟化。

圖5 試驗(yàn)樁TP1樁側(cè)摩阻力分布曲線

圖6為抗拔試驗(yàn)樁豎向靜載試驗(yàn)U—δ曲線，極限荷載3000kN對(duì)應(yīng)的最大位移值為18.23mm，設(shè)計(jì)工作荷載1200kN對(duì)應(yīng)最大位移值約為4.16mm，表明在設(shè)計(jì)工作荷載下試驗(yàn)樁是安全可靠的。

圖6 抗拔試驗(yàn)樁豎向靜載試驗(yàn)U-δ曲線

分析比較G項(xiàng)目、M項(xiàng)目以及該項(xiàng)目試驗(yàn)樁數(shù)據(jù)說明：樁側(cè)阻力與樁端阻力并非各自獨(dú)立，而存在著相互影響機(jī)制。當(dāng)樁端持力層選擇第三紀(jì)巖層，樁端土剛度較差，進(jìn)而樁側(cè)阻力也無法全部發(fā)揮，對(duì)樁側(cè)阻力是一種削弱效應(yīng)；當(dāng)樁端持力層選擇第四紀(jì)卵礫巖層，樁端土剛度很高，進(jìn)而對(duì)樁側(cè)阻力也是一種增強(qiáng)效應(yīng)。因此，選擇第四紀(jì)卵礫巖層作為樁端持力層的基樁，盡管樁長較短，但單樁承載力特征值比較大，且樁身沉降量較小。這也進(jìn)一步說明，單樁承載力特征值與樁長在上卵石層與下軟巖層的二元結(jié)構(gòu)地層中沒有必然聯(lián)系，需考慮選擇良好的樁端持力層，嚴(yán)控樁端虛土、沉渣，或采用樁端后注漿等措施。

最終，確定樁端不入巖，第四紀(jì)卵石層作為樁端持力層。

4.3 樁基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

該項(xiàng)目主塔樓核心筒和框架柱區(qū)域設(shè)計(jì)荷載都較大，核心筒和框架柱基礎(chǔ)剛度都需要強(qiáng)化，因此，采用相同樁型、裙房及純地下室區(qū)域采用柱下及地梁下抗拔樁布置，主群樓之間過渡區(qū)，此區(qū)域板厚1.9m。該工程樁筏基礎(chǔ)基于變調(diào)平設(shè)計(jì)，采用如下形式，樁位平面布置如圖7所示。

圖7 樁位平面布置示意圖

主塔樓采用樁筏基礎(chǔ)，筏板板厚3.0m，抗壓樁樁型采用后注漿鉆孔灌注樁，旋挖成孔灌注樁施工工藝，樁側(cè)、樁端均后注漿，樁徑0.85m，有效樁長為16.5m，樁端持力層為⑥層卵石土，單樁豎向承載力特征值暫定為10000kN。核心筒下根據(jù)軸網(wǎng)布置，采用3倍樁徑的樁間距均勻布樁；框架柱區(qū)域，按照框架柱的弧形分布進(jìn)行弧形布樁，樁間距不小于3倍樁徑。

裙房及純地下車庫區(qū)域，抗浮設(shè)防水位絕對(duì)標(biāo)高為39m，采用壓重（素混凝土回填）及抗拔樁方案：素混凝土回填高度為2.05m，素混凝土容重要求：不小于24.0kN/m3；抗拔樁樁徑600mm，有效樁長不小于12m，采用樁側(cè)后注漿鉆孔灌注樁，旋挖成孔灌注施工工藝，單樁豎向抗拔承載力特征值1200kN。

該工程基礎(chǔ)底板不設(shè)永久性沉降縫，為保證工程安全，故在主樓周邊—主裙樓過渡區(qū)域設(shè)置了沉降后澆帶。沉降后澆帶封閉時(shí)間有以下要求：沉降后，澆帶應(yīng)在主體結(jié)構(gòu)封頂之后，根據(jù)沉降觀測(cè)成果，并經(jīng)設(shè)計(jì)、勘察等相關(guān)單位協(xié)商同意后再進(jìn)行封閉。施工期間，應(yīng)采取有效措施保護(hù)留縫不受污染，澆搗前應(yīng)清洗干凈，用強(qiáng)度等級(jí)高一等級(jí)的微膨混凝土將后澆帶封閉。

4.4 工程檢驗(yàn)樁數(shù)據(jù)分析

工程抗壓檢驗(yàn)樁豎向承載力靜載試驗(yàn)結(jié)果顯示：設(shè)計(jì)荷載10000kN對(duì)應(yīng)的最大樁頂沉降6.15mm，極限荷載20000kN對(duì)應(yīng)的最大樁頂沉降20.53mm，均滿足設(shè)計(jì)要求。

5. 地基基礎(chǔ)沉降變形計(jì)算與分析

該工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中，為了更為準(zhǔn)確地進(jìn)行沉降分析，運(yùn)用國際地基基礎(chǔ)與巖土工程專業(yè)數(shù)值分析有限元計(jì)算軟件Bentley Plaxis 3D積極開展了地基沉降數(shù)值計(jì)算分析，考慮地基與結(jié)構(gòu)相互作用（Subgrade-Structure Interaction），對(duì)該工程天然地基方案總沉降量和差異沉降進(jìn)行了深入分析。

5.1 計(jì)算參數(shù)取值及建模

底板設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖相同，泊松比取0.2。根據(jù)計(jì)算模型確定各墻柱下荷載。

5.2 計(jì)算結(jié)果分析

主塔樓沉降量最大值為40.32mm，主裙樓差異沉降局部為0.12%，略大于規(guī)范限值要求（0.1%），通過在主裙樓之間設(shè)置沉降后澆帶解決；主塔樓核心筒與中庭差異沉降0.06%，主樓筏板撓度值為0.025%，滿足規(guī)范限值要求。

5.3 沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

圖8為該項(xiàng)目施工過程沉降觀測(cè)曲線圖。2018年4月8日～9月28日，174天內(nèi)平均沉降速率為0.0073mm/d，遠(yuǎn)小于測(cè)量規(guī)范100天內(nèi)0.01mm/d～0.04mm/d的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，表明地基變形已進(jìn)入穩(wěn)定階段。

圖8 本項(xiàng)目施工過程沉降觀測(cè)曲線

圖9為主體結(jié)構(gòu)封頂274天后沉降觀測(cè)等值線圖，主樓沉降最大觀測(cè)值38.62mm，沉降數(shù)值計(jì)算結(jié)果與沉降觀測(cè)兩者變形趨勢(shì)完全吻合，且實(shí)測(cè)最大沉降值與數(shù)值沉降變形計(jì)算最大值也幾乎吻合，證明本沉降計(jì)算分析是合理的。同時(shí)，建筑物封頂時(shí)，實(shí)測(cè)最大沉降量為32mm，是沉降穩(wěn)定是最大值的83%，符合超高層建筑物樁筏地基基礎(chǔ)的沉降變形規(guī)律，表明樁基設(shè)計(jì)基于變調(diào)平設(shè)計(jì)里面是合理的。該項(xiàng)目樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及沉降變形結(jié)果對(duì)于今后北京麗澤商務(wù)采用樁筏基礎(chǔ)的超高層建筑積累了重要的資料。

圖9 沉降觀測(cè)等勢(shì)線圖（沉降穩(wěn)定）

6. 結(jié)語

該項(xiàng)目由于復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系、地質(zhì)條件及周邊公共設(shè)施，基礎(chǔ)選型及基樁承載性狀成為該工程設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)之一。經(jīng)過各方精誠合作，最終采取科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)措施與樁型設(shè)計(jì)，確保了工程的安全質(zhì)量，節(jié)約了工期，推動(dòng)了北京麗澤商務(wù)區(qū)樁筏基礎(chǔ)工程的應(yīng)用研究。主要結(jié)論包括以下幾個(gè)方面：

一是北京麗澤商務(wù)區(qū)超高層的基礎(chǔ)持力層第四紀(jì)卵石層，巖性密實(shí)且穩(wěn)定，當(dāng)承載力及沉降變形滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，天然地基無論從質(zhì)量安全還是經(jīng)濟(jì)成本方便都是最優(yōu)選擇。但是，如該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，雙塔核心筒地基基底壓力遠(yuǎn)大于持力層的地基承載力特征值，且地鐵聯(lián)絡(luò)線貫穿對(duì)沉降變形的嚴(yán)格要求，選擇樁筏基礎(chǔ)就成為從安全質(zhì)量考慮的較優(yōu)方案。

二是樁端是否入巖？長樁還是短樁？如該項(xiàng)目需要分析周邊已有項(xiàng)目的試驗(yàn)樁數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，且必須遵從地勘報(bào)告對(duì)地層的描述，以及區(qū)域地質(zhì)條件已有研究成果。北京西南區(qū)域上覆第四紀(jì)卵石層與下覆極易被擾動(dòng)的第三紀(jì)巖層組成了二次元地層，由于第三紀(jì)巖層具有膨脹性、崩解且耐久性差、易溶解、易風(fēng)化、浸水飽和單軸抗壓強(qiáng)度低等特點(diǎn)，高層及超高層建筑采用樁筏基礎(chǔ)時(shí)，其并非理想的樁端持力層，提供的樁端土剛度遠(yuǎn)小于第四紀(jì)卵礫巖層提供的樁端土剛度。因此，選擇“短樁”“不入巖”樁基方案，且對(duì)于周邊類似項(xiàng)目，建議盡量避免樁端持力層進(jìn)入第三紀(jì)巖層。

三是通過進(jìn)行單樁承載力特征值比對(duì)及試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析，樁基方案采取后注漿旋挖鉆孔施工工藝、樁徑850mm、樁長16.5m的基樁參數(shù)。而后，工程檢驗(yàn)樁檢測(cè)數(shù)據(jù)分析佐證了此樁基方案的合理可行性。試驗(yàn)樁檢測(cè)極其重要，數(shù)據(jù)分析可以為工程樁設(shè)計(jì)提供可靠的保證。同時(shí)，工程樁的檢測(cè)反過來也在驗(yàn)證最初基樁承載形狀分析的有效性。

四是建筑規(guī)模的不斷增大，建筑形體與結(jié)構(gòu)體系越來越復(fù)雜，對(duì)基礎(chǔ)變形控制提出了更高的要求——進(jìn)行更加精細(xì)、可信的共同作用分析。巖土數(shù)值軟件基于變調(diào)平分析概念，分析地基—基礎(chǔ)—上部結(jié)構(gòu)的共同作用，進(jìn)而預(yù)測(cè)建筑物沉降變形。根據(jù)分析，該項(xiàng)目沉降變形實(shí)測(cè)值與計(jì)算值完全吻合，且沉降變形計(jì)算對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、沉降后澆帶設(shè)計(jì)及封閉也具有科學(xué)的指導(dǎo)意義。