成本管控下高層建筑地基基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：以成本管控為主要目標(biāo)，對某商業(yè)地產(chǎn)項(xiàng)目高層建筑地基方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)高層建筑基底反力要求，考慮樁長和樁間距兩個(gè)因素，本文設(shè)計(jì)了3種預(yù)制管樁復(fù)合地基及4種CFG樁復(fù)合地基比選方案，在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比。研究結(jié)果表明，7種復(fù)合地基方案均可以滿足設(shè)計(jì)要求，在管樁復(fù)合地基方案中，樁長8.0m、樁間距1.20m的短樁方案較為經(jīng)濟(jì)，在CFG樁復(fù)合地基方案中，樁長8.0m、樁間距0.74m的短樁方案較為經(jīng)濟(jì)。綜合來說，預(yù)制樁在施工周期、質(zhì)量控制方面優(yōu)于CFG樁，因此確定預(yù)制樁復(fù)合地基為最優(yōu)方案。

關(guān)鍵詞：成本管控；高層建筑；地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TU 47" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前，由于建設(shè)用地資源減少，因此城市中出現(xiàn)以高層建筑為代表的住宅、商業(yè)、辦公以及工業(yè)廠房，這部分建筑具有荷載大、抗震要求高、后期沉降大等特點(diǎn)[1]，然而東部沿海地區(qū)上部土層主要以中等壓縮性的粉土、粉砂為主，不進(jìn)行地基處理，將無法滿足高層建筑地基設(shè)計(jì)要求，因此正確選擇和執(zhí)行地基處理技術(shù)是保證高層建筑長期穩(wěn)定和保障安全的關(guān)鍵[2]。

高層建筑的地基處理是整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)工程中非常重要的一部分，是保證高層建筑的穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，當(dāng)前高層建筑的基礎(chǔ)方案以樁基礎(chǔ)為主，例如預(yù)制管樁、灌注樁、載體樁等。隨著復(fù)合地基技術(shù)實(shí)踐逐漸增加，積累了大量的施工經(jīng)驗(yàn)，因此將復(fù)合地基應(yīng)用于高層建筑地基處理中，可有效提高地基承載力，降低工程造價(jià)，減少不均勻沉降。

鑒于復(fù)合地基在高層建筑中的廣泛應(yīng)用，針對某商業(yè)地產(chǎn)高層辦公建筑的地基處理方案，考慮不同樁長和樁間距，采用預(yù)制管樁及CFG樁復(fù)合地基對不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比分析，在保障設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備的前提下，以成本管控為主要目標(biāo)，對高層建筑地基處理方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡介

某商業(yè)地產(chǎn)項(xiàng)目規(guī)劃總建筑面積為32351.36㎡，其中地上建筑面積為22124.21㎡，地下建筑面積為10227.15㎡，主體建筑物為2棟28層商業(yè)辦公雙子樓，底部為2層裙樓，結(jié)構(gòu)高度為99.6m，建筑高度為100.8m，地下一層聯(lián)通地下室。工程建設(shè)等級為一級，設(shè)計(jì)使用年限為50年。項(xiàng)目總平面示意圖如圖1所示。

將本工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級，根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50223—2008），本工程屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類抗震建筑，按7度抗震設(shè)防，7度采取抗震設(shè)防措施。根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）本工程場地震峰值加速度取0.10g，場地特征周期為0.55s。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）（GB 50011-2010），本工程場地類型為Ⅲ類，將建筑抗震地段劃分為一般地段，場地內(nèi)無軟弱土層及液化土層。

1.2 地質(zhì)概況

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，場地內(nèi)的主要土層以夾層土為主，沉積年代均為第四紀(jì)晚更新世以后的河流相和濱海相沉積物，各層土承載力特征值及主要力學(xué)指標(biāo)見表1。

在勘察期間，地下水位位于地面下約2.0m，地下水類型為孔隙潛水，受到降雨及季節(jié)性影響。歷史最高水位與現(xiàn)狀地面持平，現(xiàn)狀地面85高程為5.00m，歷史最低地下水位為現(xiàn)狀地面下4.80m，年水位變化幅度2.5～3.3m。本工程抗浮設(shè)計(jì)水位取現(xiàn)狀地面以上0.80m，地下室開挖深度為5.55m，局部集水井位置開挖深度為6.50m，根據(jù)周邊建筑物情況，基坑施工時(shí)采用深井降水與局部井點(diǎn)降水相結(jié)合的方式進(jìn)行。

1.3 地基方案選擇

工程中的2棟主樓地下室筏板基礎(chǔ)底標(biāo)高為-0.55m，筏板厚度為1000.0mm，根據(jù)計(jì)算模型，筏板底部的反力值為465kPa～500kPa。筏板底部位于第③層粉土上，該層土的承載力特征值為120kPa，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011），采用公式（1）對層③承載力進(jìn)行深度修正。

fa=fak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）" " " " " " " " （1）

式中：fa為經(jīng)深寬修正后的地基承載力特征值，kPa；fak為地基承載力特征值，kPa；ηb為基礎(chǔ)寬度修正系數(shù)，由土性確定，粉土取0.50；γ為基礎(chǔ)底面下土的重度，kN/m3；b為基礎(chǔ)寬度，m；ηd為基礎(chǔ)寬度修正系數(shù)，由土性確定，粉土取2.00；γm為基礎(chǔ)底面以下土的加權(quán)平均重度，水位以下取有效重度，kN/m3；d為基礎(chǔ)埋置深度，自室外地面起算，m。利用公式得到如下數(shù)據(jù)。

fa2=120+2.0×8.51×（5.55-0.50）=205.95kPa

經(jīng)計(jì)算，第③層粉土經(jīng)修正后的地基承載力特征值為205.95kPa，遠(yuǎn)小于主樓筏板底部的反力值465kPa～500kPa，天然地基方案顯然無法滿足設(shè)計(jì)要求，須進(jìn)行地基處理?？紤]經(jīng)濟(jì)性，可采用預(yù)制管樁復(fù)合地基或CFG樁復(fù)合地基方案，對場地地質(zhì)條件進(jìn)行分析。

2 預(yù)制管樁復(fù)合地基方案

2.1 預(yù)制管樁復(fù)合地基

預(yù)制管樁在本地區(qū)地基處理中具備較大優(yōu)勢，可預(yù)先在工廠預(yù)制后運(yùn)至現(xiàn)場施工，質(zhì)量更穩(wěn)定，尺寸精確，現(xiàn)場施工速度快，可縮短施工工期，同時(shí)與其他類型的樁相比，管樁因其形狀和材質(zhì)的特性，通常具有更高的承載能力。根據(jù)該地區(qū)地基施工經(jīng)驗(yàn)，若采用預(yù)制管樁復(fù)合地基，則地基承載力可提高2～4倍。預(yù)制管樁設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

根據(jù)表1，第⑤層粉細(xì)砂、第⑥層粉土、第⑨層粉細(xì)砂均可以作為預(yù)制管樁復(fù)合地基樁端持力層，因此需要對不同樁長及樁間距的地基處理方案進(jìn)行對比，獲取經(jīng)濟(jì)合理的預(yù)制管樁復(fù)合地基布置方案。

2.2 預(yù)制管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

預(yù)制管樁復(fù)合地基方案考慮樁端位于第⑤層、第⑥層及第⑨層3種方案，預(yù)制管樁樁徑取400mm，壁厚90mm，內(nèi)徑220mm，采用正方形布樁，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012），采用公式（2）計(jì)算復(fù)合的地基承載力特征值。

（2）

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；λ為根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值的單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取1.0；m為面積置換率；Ra為單樁承載力特征值，kN；Ap為樁身截面積，㎡；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.90；fsk為樁間土承載力特征值，取第③層粉土fak=120kPa。

3種方案的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)及復(fù)合地基承載力計(jì)算結(jié)果見表3和表4。

2.3 預(yù)制管樁造價(jià)估算

根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果可知，3種方案均可滿足設(shè)計(jì)要求，因此須從經(jīng)濟(jì)方面對3種預(yù)制管樁復(fù)合地基方案進(jìn)行對比研究，確定最優(yōu)方案。根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄖ袌鎏峁┑闹睆?00mm預(yù)制管樁造價(jià)約為225元/m，本工程3種預(yù)制管樁復(fù)合地基的造價(jià)估算見表5。

對比表5的計(jì)算結(jié)果可知，方案一（短樁方案）較為經(jīng)濟(jì)，比方案三（長樁方案）節(jié)省樁長3752m，節(jié)約地基處理造價(jià)84.42萬元。

3 CFG樁復(fù)合地基方案

3.1 CFG樁復(fù)合地基

CFG樁是水泥-粉煤灰-礫石（Cement-Fly Ash-Gravel）的混合材料樁基，適用于處理黏性土、粉土、砂土以及固結(jié)完成的素填土地基，具備較好的環(huán)境適應(yīng)性，且采用工業(yè)副產(chǎn)品粉煤灰，較為經(jīng)濟(jì)。根據(jù)本地區(qū)地基處理經(jīng)驗(yàn)，若采用CFG樁復(fù)合地基，則地基承載力特征值可提高2～3倍。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，CFG樁設(shè)計(jì)參數(shù)見表6。

根據(jù)表6，第⑤層、第⑥層、第⑦層級第⑧層均可作為CFG樁樁端持力層，須對不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比分析。

3.2 CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

CFG樁復(fù)合地基考慮采用第⑤、第⑥、第⑦以及第⑧層4種方案，樁徑400mm，采用正方形布樁，采用公式（3）計(jì)算CFG樁單樁承載力特征值。

（3）

式中：up為樁身周長，取1.256m；qsi為樁側(cè)各層土的側(cè)阻力特征值，kPa；lpi為樁側(cè)各土層厚度，m；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，取0.90；qp為樁端端阻力特征值，kPa；Ap為樁身截面積，m2。

4種方案的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)及復(fù)合地基承載力計(jì)算結(jié)果見表7和表8。

3.3 CFG樁造價(jià)估算

根據(jù)表8的計(jì)算結(jié)果，采用不同樁長及樁間距的CFG樁復(fù)合地基均可滿足設(shè)計(jì)要求，因此須從經(jīng)濟(jì)性方面對4種CFG樁復(fù)合地基方案進(jìn)行對比研究，確定最優(yōu)方案。根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄖ牧鲜袌鰣?bào)價(jià)，直徑400mm的CFG樁造價(jià)約85元/m，本工程4種CFG樁復(fù)合地基的造價(jià)見表9。

根據(jù)表9計(jì)算結(jié)果，采用CGF樁復(fù)合地基的地基基礎(chǔ)處理造價(jià)相近，方案四價(jià)格（短樁方案）較為經(jīng)濟(jì)。

對比本工程7種地基基礎(chǔ)方案可知，若采用預(yù)制管樁，則方案一較為經(jīng)濟(jì)；若采用CFG樁，則方案四較為經(jīng)濟(jì)。綜合而言，預(yù)制樁施工周期較短，質(zhì)量易于控制，在經(jīng)濟(jì)性相近的情況下，本工程建議采用方案一作為地基基礎(chǔ)處理的最佳方案。

4 結(jié)論

針對某商業(yè)地產(chǎn)項(xiàng)目高層建筑的地基基礎(chǔ)處理工程，考慮不同樁長及樁間距，本文設(shè)計(jì)了3種預(yù)制管樁復(fù)合地基和4種CFG樁復(fù)合地基，并以成本管控為主要目標(biāo)，對7種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比，得到以下結(jié)論。1）在3種預(yù)制管樁復(fù)合地基方案中，樁長8.0m樁間距1.20m的短樁方案最為經(jīng)濟(jì)，比樁長20.0m、樁間距1.60m的長樁方案造價(jià)節(jié)省樁長3752m，節(jié)約造價(jià)84.42萬元。2）在4種CFG樁復(fù)合地基方案中，地基處理造價(jià)相近，樁長8.0m、樁間距0.74m的短樁方案較為經(jīng)濟(jì)。3）根據(jù)預(yù)制管樁與CFG樁兩種樁型復(fù)合地基造價(jià)對比可知，CFG樁復(fù)合地基的短樁方案較預(yù)制管樁復(fù)合地基的短樁方案更為經(jīng)濟(jì)，可節(jié)省基礎(chǔ)造價(jià)9.79萬元，相差較小。通過綜合對比，預(yù)制管樁在質(zhì)量控制及施工周期方面具備較大優(yōu)勢，因此在經(jīng)濟(jì)性相差較小的情況下，本項(xiàng)目推薦采用樁徑0.40m，樁長8.0m，樁間距1.20m的預(yù)制管樁復(fù)合地基方案。

參考文獻(xiàn)

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