某高层建筑的基础设计分析

黄进芳

厦门市住宅设计院有限公司（361000）

某高层建筑的基础设计分析

黄进芳

厦门市住宅设计院有限公司（361000）

这里以某高层建筑为实例，通过几种基础方案的对比分析及经济技术的比较优选，提出了平板式筏形基础加减沉疏桩的基础设计思路及实际实施效果，以期对此类工程给予参考。

基础方案；设计分析；筏形基础；减沉疏桩

1 工程概况

某大厦位于厦门市湖滨南路北侧，闽南大厦东侧，后埭溪路西侧，处于厦门黄金地段。该工程总建筑面积约6万m2，是一栋以办公为主的高层5A甲级写字楼。其中：地下3层，建筑面积约2.4万m2，埋深约16m，地下第三层人防设防等级为核6级，地基基础设计等级为甲级；地上主楼24层，建筑高度为97.75m，裙房3层，采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，单柱最大内力约25 000 kN。

根据厦门地质工程勘查院提供的勘察报告,本工程地质剖面和各土层的物理力学综合指标见表1。

2 基础方案分析

本工程场地内杂填土层中分布有较多大小不一的“孤石”，且地下室开挖深度达16m，受此影响，不宜采用PHC桩、TSC薄壁钢管混凝土桩。同时，由于该工程主楼局部已有全风化层揭露，而目前大直径沉管灌注桩施工长度只有36m,因此大直径沉管灌注桩的有效桩长局部无法满足工程要求。另外，由于人工挖孔桩施工安全隐患较突出，根据闽建【2006】38号文，桩长不得超过15m。若本工程采用人工挖孔桩，按持力层为全风化花岗岩或砂砾状强风化花岗岩,桩身直径1.2m,桩端扩大头2.0m,桩长15m进行计算,单桩承载力特征值为3 000～4 800 kN，单桩承载力偏低,加上场地地下水位较高，施工降水困难，因此人工挖孔桩也不宜采用。基于上述情况，以下着重对比分析冲（钻）孔桩灌注桩、平板式筏形基础、复合桩基础及平板式筏形基础加减沉疏桩。

2.1 冲（钻）孔灌注桩

以砂砾状强风化花岗岩为桩端持力层，桩身直径1.3m，有效桩长40m，桩端进入持力层深度17m，单桩竖向承载力特征值Ra=7 600 KN，主塔楼四周单柱下大多为三桩，核心筒区域为群桩，纯地下室区域有抗浮起控制作用,单柱下需布两根抗拔桩，承台厚度1.8～2.3m。由于紧邻本工程的湖滨二里住宅楼为老旧建筑，为尽量避免施工振动对其结构造成影响，施工时宜采用钻孔成桩。

2.2 平板式筏形基础

表1 地基土层物理力学性能综合指标

按照平板式筏形基础设计，以残积砾质黏性土为持力层，初勘时承载力特征值fak=230 kPa（参照厦门地区嘉益大厦、当代天境等工程载荷板试验的结果，残积土承载力特征值估计可提高到310～350 kPa），经深度宽度修正后fa=470 kPa，按土的抗剪强度指标（Ck=30 kPa，Φk=22°）确定的地基承载力特征值fa=650 kPa。根据以往工程经验，主楼筏板基础可采用外扩一跨（7～8m）来减小基底压力，同时也减少了纯地下室设置抗浮锚杆或抗拔桩的范围。这样主塔楼区域筏板面积约3 000m2，经计算得筏板底平均反力为457 kPa，筏板厚度经冲切、剪切验算应不小于2m，核心筒区域采用2.4m。

2.3 复合桩基础

采用人工挖孔灌注桩的复合地基，通过在桩顶与基础承台(底板)之间安装变形调节器来弱化桩的刚度,使桩和土可以协调变形共同承担荷载，形成复合桩基。本工程基础承台(底板)下地基土修正后承载力特征值可达470 kPa;桩体采用直径1.2m的人工挖孔灌注桩，桩长按12m，以全风化花岗岩或砂砾状强风化花岗岩为持力层，单桩承载力可以达到2 300 kN，桩距按3～4 d布桩,主楼下共150根。承台厚度1.6～2.0m。

2.4 平板式筏形基础加减沉疏桩

按照上面2.2所列的平板式筏形基础进行设计，依据变刚度调平设计的原则，在各框架柱的筏板下分别加设一根直径1.2m或1.5m的人工挖孔灌注桩，核心筒区域加设19根直径1.4m的人工挖孔灌注桩，人工挖孔桩均不加扩大头，同时在所有桩底均铺设300mm厚砂石垫层。

3 技术合理性分析

3.1 冲（钻）孔灌注桩

冲（钻）孔灌注桩具有承载力高，对场地适应性好的特点，在厦门地区的高层和超高层建筑中应用较为普遍。然而近几年的工程实践也暴露出一些问题,主要表现为静载试验值小于理论估算值，桩底残渣较厚，桩身完整性不良。究其原因，就是施工过程中孔壁容易坍塌、桩周泥皮超厚及孔底残渣不易清除干净。对本工程的适应性分析，优点：①冲孔灌注桩基础可以穿越各土层中发育的孤石，对场地内土层的复杂情况有很好的适应性；②以砂砾状强风化花岗岩作为持力层，承载力高，沉降量小。缺点：①在软弱土层、粗砂层中成桩时泥浆护壁容易坍塌，会造成桩身夹泥夹渣,桩身承载力不容易保证；②桩身泥皮太厚，桩底残渣清除不干净,竖向承载力不容易保证；③为达到设计需求的承载力，桩长较长，工期长，造价高。为保证单桩竖向承载力，采用冲（钻）孔桩时需采取反循环施工工艺，并对桩端桩侧采取后注浆措施。

3.2 平板式筏形基础

具有整体性强、刚度大、质量易于保证、施工方便、工期短的特点，对于承载力较高、土质相对均匀的地基土，可以充分发挥地基土的承载力，在一定条件下是经济的基础形式，可以优先考虑。对本工程的适应性分析，优点：①场地范围小，已完成的基坑维护结构的水平支撑梁梁底距离地下室底板面仅1.5～1.7m，不利于大型机械设备作业，采用该基础形式施工方便；②刚度大、整体性好，有利于调整不均匀沉降；③施工速度快，验收程序简单，大大缩短工期。缺点：①上部结构荷载非常大，需要筏板沿主楼范围有较大的外挑，筏板厚度大；②筏板基础的变形较大，与纯地下室区域沉降差较大；③地基承载力必须有可靠的保证，残积砾质黏性土受到扰动或积水浸泡后承载力会迅速降低，施工时应有严格的保护措施,施工现场的管理难度较大。

3.3 复合桩基

在承载力较高的地基土上建造高层建筑，为满足承载力和变形的双重需要，采用桩土共同作用的复合桩基具有较好的经济性。变刚度端承桩复合桩基是近年来出现的一种新技术，在厦门只有“嘉益大厦”和“蓝湾国际”等极个别项目中采用。它通过在桩顶部设置刚度调节器，实现桩土共同承担上部荷载，达到了充分利用地基土的承载力和控制沉降的目的。对本工程的适应性分析，优点：①残积土参与承担上部荷载后，不仅可以减少人工挖孔桩的桩数，取消桩端扩大头,桩长也可以缩短，控制13m以内,大大减小了施工难度，节约桩基成本；②相对于采用冲（钻）孔桩施工工期大大缩短。缺点：①残积砾质黏性土受到扰动或积水浸泡后承载力会迅速降低,基槽开挖时对地基土必须有可靠的保证措施，对人工降低基坑内的地下水位也有更高的要求，施工现场的施工和管理难度较大；②对施工队伍的技术和管理水平要求较高，变刚度端承桩复合桩基采用了一系列的新工艺新技术,需要信息化施工，加大了施工难度。

3.4 平板式筏形基础加减沉疏桩

对于框架-核心筒结构高层建筑,在天然地基承载力基本满足要求的情况下，可在框架柱和核心筒区域设置减沉的摩擦型桩，用于控制沉降，协调变形。同时，桩底加设砂石垫层，当桩顶的荷载达到桩的极限承载力时，桩可以向下刺入，保证了基桩有一定的下沉空间。因此，与平板式筏板基础相比，其还具备以下优点：1）采用加设减沉桩，有利于进一步提高整个结构的安全度；2）桩基承受了部分荷载,有利于减少主楼的沉降量及与纯地下室区域的沉降差；3）挖孔桩可以利用第三道支撑（总的三道）施工及养护期间穿插施工，以缩短工期。

4 造价及工期合理性分析

几种基础形式的造价和施工工期的比较分析见表2。可以看出，平板式筏形基础加减沉疏桩明显优于其他基础形式。

5 基础形式的选定及设计理念

5.1 基础形式的选定

与其他基础形式相比，用平板式筏形基础加减沉疏桩有如下优势：

1）充分利用地基土的承载力，可降低桩的承载力要求，减小桩长，节约工程造价，缩短工期。2）当地基土的沉降达到预估允许沉降量后，桩将桩底砂石垫层的空腔压缩密实，后续荷载由桩承担，由此可以大大减小基础的总沉降，实现主动控制最终沉降量的目的。3）结构体系采用框筒结构，结合变刚度调平的原则布置减沉桩,由桩参与协调变形，可减少差异沉降，实现主动控制差异沉降的目的。4）采用桩底加砂石垫层的做法替代桩顶加刚度调节器，节约了工程造价，并将施工难度大大降低。

总之,平板式筏形基础加减沉疏桩技术合理、施工工期短、造价低，是较为理想的设计方案。

5.2 设计理念

1）要实现桩减少沉降的作用，必须考虑解决桩土的变形协调问题。为此,在桩底铺设砂石垫层,使桩的前期竖向刚度变小，桩在荷载作用下可以产生广义的“压缩”变形，基础承台随之向下挤压地基土,达到桩土共同承载的目的。平板式筏形基础加减沉疏桩这一基础形式的工作状态可分为两个阶段。第一阶段为桩土共同作用阶段,上部荷载主要由地基土承担,充分发挥地基土的承载力。第二阶段地基土因压缩沉降后，桩将桩底砂石垫层压缩密实，后续沉降主要由桩承担。根据上部结构刚度和荷载布置情况，结合承台下地基土的承载力和刚度，尽可能在竖向荷载较大的位置上布减沉桩，使各区域地基沉降趋于均匀。同时，由于残积砾质黏性土被扰动后，会造成土体结构崩解，强度降低，压缩性提高，因此减沉桩选型和布置应从以下几点考虑：①为摩擦型桩，达到极限时能有所刺入；②对土体的扰动越小越好，为此桩数要少，桩长要短；③在现有的场地中可以施工。从这三点出发，较可行的桩型只有人工挖孔桩。2）为有效解决主楼及纯地下室结构之间的差异沉降，首先在塔楼基础加设减沉桩；其次在主楼与纯地下室筏板间加设沉降后浇带，及待主楼结构主体自由沉降基本完成后再封闭后浇带，以减小主楼结构的后期沉降，较好地解决本工程主楼和纯地下室间差异沉降的协调设计问题。3）为增加筏板基础的整体刚度，提高建筑安全度，降低施工难度,除主楼与纯地下室区域采用沉降后浇带外，地下室筏板均添加膨胀添加剂，并采用膨胀加强带替代常规的温度后浇带。4）主楼外挑区域通过加设局部褥垫层的做法来协调变形。5）根据变刚度设计原理，纯地下室采用1 000mm厚的板筏基础,局部为满足冲切要求加厚到1 100mm。地下室除结构自重外设计水浮力近100 kPa,采用直径180mm的抗拔锚杆,有效长度19m，布孔间距1.5m,单根抗拔承载力特征值200 kN,主筋按每年0.02mm被动腐蚀考虑50年后可满足要求进行计算,采用1根直径25mm的高强精轧螺纹钢筋（PSB830），基坑开挖时先挖至底板底标高+1.0m时进行锚杆施工，待锚杆施工及检测完成后开挖至底板底，以减少对持力层土体的扰动。采用抗拔锚杆（工期约45 d）具有如下优点：①布置灵活；②满堂布置可以减少底板的弯矩和底板的厚度；③施工设备简单，可以下坑底施工。而采用冲孔桩作为抗浮桩需要的施工空孔深度很大,由于泥浆护壁，泥皮的作用使抗拔力大幅降低。

表2 造价与施工工期比较分析

5.3 实际实施效果

基坑开挖后的平板载荷试验结果为：残积砾质黏性土地基承载力特征值为600 kPa，可满足受力要求；现工程主体结构已封顶，主体验收时各沉降观测点的沉降观测值均小于20mm，验证了原先设计思路的可行性。

6 结语

通过以上的比较分析，笔者认为在特定地质条件下，高层建筑的基础选型应综合考虑技术的可行性和造价、工期的合理性，提出合适的基础设计方法，供同行探讨及参考。

[1]GB 50007-2011,建筑地基基础设计规范[S].

[2]JGJ 94-2008,建筑桩基技术规范[S].

[3]李勇.北京当代MOMA工程结构设计，建筑结构优秀设计图集[D].中国建筑工业出版社，2010,10.

[4]嘉益大厦复合基础课题研究小组，厦门嘉益大厦高层建筑广义复合基础技术研究报告[R].

[5]刘金砺.建筑桩基技术规范应用手册[M].中国建筑工业出版社.