某高层建筑的桩基选型及设计

刘欣鑫

(厦门中福元建筑设计研究院 福建厦门 361009)

1 工程概况

本工程位于晋江陈泉路的西侧，江滨路的南侧。地下两层;地上有两栋超高层办公楼及一栋3层裙楼(图1)。两栋办公楼均为框筒结构，裙楼及纯地下室部分为框架结构，裙楼与主楼设双柱脱开，整体建筑柱网规则，典型柱网尺寸为8.4mx8.4m及9.6mx8.4m。顶板覆土厚度差异区域清晰。建筑抗震设防类别为标准设防类。主楼基础设计等级为甲级，裙楼及地下室基础设计等级为乙级。

图1 工程平面示意图

2 工程地质概况

拟建场地原始地貌属海岸平原地貌。场地经回填平整，地势较平坦，现场地面标高为3.94～5.00m，±0.000相当于黄海标高为6.00m。

场地地质情况自上而下分别为:①杂填土，厚度为1.20～3.20m;②粉质粘土，厚度0.40～3.10m;③淤泥，厚度0.60～5.80m;④粉砂，厚度1.20～7.50m;⑤淤泥质土，厚度2.70～12.60m;⑥粉质粘土，厚度1.30～8.70m;⑦细砂，松散状，厚度1.00～7.90m;⑧砾砂，厚度1.10～8.60m;⑪全风化花岗岩，厚度0.60～2.10m;⑫1强风化花岗岩，岩芯为砂土状，厚度1.00～2.60m;⑫2强风化花岗岩，岩芯以砂土状为主，厚度0.20～8.30m;⑫3强风化花岗岩，岩芯以碎块状为主，厚度0.15～11.10m;⑬中风化花岗岩，厚度0.30～5.30m;⑭微风化花岗岩。其中⑧砾砂仅其中一栋主楼范围内个别钻孔有分布。地下室底板标高所处的土层为④粉砂层。各主要土层的力学指标见(表1)。

地下水对混凝土结构具有弱腐蚀性，干湿交替作用下和长期浸水作用下对混凝土结构具有微腐蚀性;在干湿交替作用下对混凝土结构中的钢筋具有中等腐蚀性，在长期浸水作用下地下水对混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性;地下水对钢结构具有中等腐蚀性。

3 基础设计

地勘报告对于基础选型的分析如下:天然浅基不能满足拟建物的荷载和变形要求，必须采用桩基。可采用的桩型有:预制桩、沉管灌注桩、冲钻孔灌注桩。综合地质条件、建筑物荷重等考虑，主楼建议采用冲、钻孔灌注桩，以中风化花岗岩⑬或微风化花岗岩⑭作持力层。裙楼和纯地下室建议采用冲、钻孔灌注桩，以中风化花岗岩⑬或微风化花岗岩⑭作持力层，也可以强风化花岗岩⑫2或强风化花岗岩⑫3作持力层。单柱下需15～20根抗拔桩才能满足抗浮要求。

表1 主要岩土层物理力学指标参数表

冲钻孔灌注桩施工工期长，孔壁易坍塌，其施工质量与施工工艺和工人的施工水平有很大关系，控制难度较大。预应力混凝土管桩施工速度快、工期短，成桩质量有保证。管桩的经济性优势明显，其费用约为冲钻孔灌注桩的50%～55%，具体比较详见(表2)。考虑施工质量、施工工期、工程造价等多种因素，最终选取直径为0.5m的预应力混凝土管桩作为抗拔桩。

大直径灌注桩做为抗拔桩使用时为摩擦桩，仅利用其侧阻力，因其属非挤土桩，单位面积的侧阻力值比预应力混凝土管桩小，其桩身强度能支持高单桩竖向承载力的优势得不到有效的发挥，加上其施工费用高，经济性不占优势。

3.1 主楼基础设计

主楼荷载重，场地内有密实状砾砂层⑧，且厚度不均，最厚达8.6m。冲钻孔灌注桩以中微风化的岩层作为持力层，单桩竖向受压承载力大，桩身强度可以得到充分利用。因此主楼基础采用冲钻孔灌注桩，桩长约17m，以中风化花岗岩⑬或微风化花岗岩⑭作持力层;外围框架柱下的桩径为Φ1200、Φ1300，中间核心筒下的桩径为Φ1100、Φ1200，桩身内均预埋2～3根后注浆管，施工完毕后通过后注浆管往桩底高压注入预定水灰比的水泥浆。

冲钻孔灌注桩经过砂层成孔施工过程桩底容易产生沉渣，不但会降低桩基承载力，而且容易出现较大的沉降。成孔成桩后，采用孔底高压注浆，可有效地处理孔底沉渣，保证桩端与岩体胶接紧密，保证桩的承载力，减小沉降量。

3.2 纯地下室及裙楼基础设计

3.2.1 基桩选型分析比较

地勘报告关于地下水位的描述为:初见水位埋深为0.85～3.63m(标高1.15～3.96m)，混合稳定水位埋深为 0.70～3.50m(标高1.00～3.83m)，近期年最高水位标高为5.00m。

计算地下水对地下室的托浮影响时，设计水位取近期年最高水位标高5.0m。地下室底板底标高为 -4.5m，托浮力为99kN/m2，大于上部竖向荷载，故此范围内需布置抗拔桩承担水浮力。地下水位是变化的，当地下水位低，水浮力小于上部结构自重时，抗拔桩就变成了抗压桩，因此纯地下室及裙楼桩基应考虑抗拔及抗压两种情况。

采用地勘报告建议的冲、钻孔灌注桩做抗拔桩，以中风化花岗岩⑬或微风化花岗岩⑭作为持力层。桩径取0.8m，根据钻孔剖面，桩端进入持力层0.8m，桩长约17m。经初步计算单桩竖向抗拔承载力特征值约为700kN，根据顶板覆土厚度不同，单柱下需5～7根抗拔桩才能满足抗浮要求。

考虑选取直径为0.5m的预应力混凝土管桩作为抗拔桩，因为地下水在干湿交替作用下对混凝土结构中的钢筋具有中等腐蚀性，对钢结构具有中等腐蚀性，根据福建省工程建设地方标准《先张法预应力混凝土管桩基础技术规程》(DBJ13-86-2007)的要求，应采用AB型或AB型以上管桩，不应使用有接头的多节预应力混凝土管桩，因此管桩采用PHC500-125-AB，单节15m定长桩;以细砂⑦作为持力层。经初步计算单桩竖向抗拔承载力特征值约为230kN，根据顶板覆土厚度不同，

表2 不同荷载下单柱下两种桩型经济比较

3.2.2 基桩布置

根据经验参数法按下式估算单桩竖向极限承载力标准值Quk及单桩抗拔极限承力标准值Tuk:

Qsk、Qpk―分别为总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值;

u、ui―桩身周长;

li―桩身第i层土的厚度;

qsik—桩侧第i层土的极限侧阻力标准值;

qpk―极限端阻力标准值;

Ap―桩端面积

Tuk―基桩抗拔极限承载力标准值;

λi―抗拔系数

按钻孔剖面土层经计算，Quk=1850kN，Tuk=490kN。单桩竖向抗压承载力特征值暂取900kN，抗拔承载力特征值暂取230kN。单柱下抗压需2～4根桩，抗拔需15～20根桩。桩的布置方式直接影响到底板的厚度及配筋。考虑抗浮工况时，桩对底板的抗拔力方向与水浮力方向相反，桩分散布置可以充分抵抗水浮力对底板产生的弯矩，对底板抗浮较为有利，可减小底板配筋，降低工程造价。按满樘布桩和柱下集中布桩两种方式计算标准柱网的配筋情况见下(表3)。

表3 不同布桩方式配筋情况

因本工程单柱下所需抗拔桩较多，按桩间距4d(d为管桩桩径)控制在柱下集中布桩，布桩范围与满樘布桩差别不大，因此钢筋用量与满樘布桩差别不大，仅略大些。考虑工程造价及方便施工，最后采用满樘布桩的方式。布桩时首先根据抗浮要求计算出满樘布桩的桩间距，保证柱帽范围内至少有四根桩，其余均匀的分布在柱帽外的区域。典型柱网的桩布置(图2)。

裙楼及纯地下室与主楼荷载相差大，且桩端持力层不同，因此在主楼与裙楼及纯地下室相邻处设沉降后浇带脱开，以减小沉降差异，后浇带均要求在主体结构封顶且全部填充墙完成后，根据实测沉降值并计算后期沉降差，满足要求后才可浇筑封闭。

图2 典型柱网桩布置图

3.2.3 底板设计

参照以往的工程经验，底板采用无梁筏板比有梁体系更经济且方便施工，因此底板采用柱帽无梁筏板，厚度600mm。根据底板冲切验算的需要，桩帽厚度需900mm，比底板厚300mm，与建筑专业商量后决定采用上柱墩的形式。上柱墩的做法有诸多优势:一是可增加300mm的覆土压重减小向上的浮托力;二是建筑可利用300mm的覆土区域设置排水沟，避免结构降板设沟，方便施工;三是上柱墩做法底板底面为统一标高，给施工带来很大的便利，加快了施工进度，而且有利于保证施工质量。上柱墩的做法见(图3)。

图3 上柱墩做法大样

4 结论

基础设计是结构设计的重要内容。桩基设计时可根据场地地质条件、结构荷载取值、柱网布置情况、施工工艺等因素选择桩型，选择合理的桩型及布桩方式可加快施工速度，提高施工质量，降低工程的基础造价，节约投资成本。大直径灌注桩做为抗拔桩使用时，其优势得不到有效的发挥，经济性不占优势。柱帽无梁筏板采用上柱墩的做法经济合理，方便施工。

[1]JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[2]GB 50007—2011，建筑地基基础设计规范[S].

[3]宰金珉.高层建筑基础分析与设计[M].北京:中国建筑工业出版社.1994.

[4]王建英，余广洪，程学军.建筑物抗浮设计中几个问题的分析[J].建筑技术2005;36(7);544-545.