某超高层建筑超强复合地基设计

郑少昌

（广州瀚华建筑设计有限公司 广州 510630）

0 引言

复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体（天然地基土体或被改良的天然地基土体）和增强体两部分组成的人工地基［1］。复合地基需要在桩体的顶部设置褥垫层以充分发挥地基土体的承载力、调整桩体与土体的应力并协调变形。当天然地基具有一定的承载力但对于上部建筑结构荷载不足时，可对地基承载力采用“缺多少，补多少”的原则进行布桩，具有较强灵活性，体现了其具有的经济性和工期性保证的优点。在垫层上的基础则按照天然地基筏板基础进行常规设计即可，同时也利用筏板自身较大的强度和刚度起到均衡应力和协调变形的作用。

对于高层建筑的地基处理，高强复合地基已经是成熟的地基处理方法；由于该地基的承载力大，其竖向加强桩需采用刚性桩，常用的高强复合地基中的刚性桩有素混凝土桩、预应力管桩等；而对于超强复合地基的刚性桩主要有大直径预应力管桩、钻孔桩、旋挖桩等［2］。对于刚性桩的持力层也有较高的要求，从而控制复合地基在高应力作用下的整体沉降。

对于超高层建筑的地基处理，采用超强复合地基方式在广东并不多见。本工程最高的塔楼高度达到184.4 m，相对矮的塔楼达到96.2 m，5 个相邻塔楼基础相连，地基竖荷载差异大。通过精心设计，采用了超强复合地基，为甲方提供了既安全可靠又经济的基础方案，设计过程可为类似工程基础设计提供有意义的借鉴和思考。

1 工程概况

本工程位于广州市荔湾区南岸路以西、荔港南湾（南区）地块。总建筑面积122 686.6 m2，地上部分建筑面积121 072.7 m2，地下部分建筑面积16 139 m2。本期工程共包括 7～11 栋共 5 栋 29～56层的高层纯住宅（见图1、图2），设 2层地下车库，最高建筑（7 栋、11 栋）总高度为 184.40 m，8 栋、9 栋、10 栋高度为 96.20 m。建筑结构采用剪力墙结构体系，地基与基础形式采用复合地基筏板基础形式［3］。

图1 本工程总平面图Fig.1 General Layout Plan

图2 本工程效果图Fig.2 Engineering Effect Drawing

2 基础设计

2.1 地质情况

本工程场地属珠江三角洲冲积平原地貌，场地经人工整平，地面较平坦；第四系覆盖层主要为人工填土、冲积淤泥质土、砂土及残积粉质粘土，下伏基岩为白垩系砂岩、砾岩。各土层承载力指标如表1所示［4］。

表1 土层承载力指标Tab.1 Index of Soil Bearing Capacity

2.2 基础方案设计

本工程7～11 栋共5 栋高层、超高层住宅，其中7、11 栋为 56层 180.75 m 高的超高层住宅，8～9 栋为 29层95.7 m 高的高层住宅。各栋在总平面上连成一体，栋与栋之间以300 mm 宽的抗震缝在地面以上分开，地下室及基础则相连成整体。7～11 栋基础均采用φ 800（单桩承载力特征值R=3 700 kN）素混凝土刚性桩复合地基，基础平面布置图如图3所示。为控制高层、超高层最终沉降变形一致，采用了变刚度调平设计。由于基础不设沉降缝，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》［5］要求，应采取有效措施减少差异沉降及其影响，筏板设置了后浇缝及后注浆管（见图4、图5）。超高层采用2.4 m 的桩距，复合地基承载力特征值为700 kPa，褥垫层厚度为300 mm；高层部分桩距3.2 m，复合地基承载力特征值为460kPa，褥垫层厚度为450mm。

图3 基础平面布置图Fig.3 Foundation Layout Plan

图4 后浇缝大样Fig.4 The Detail Drawing of Post-poured Strip

图5 后注浆管大样Fig.5 The Detail Drawing of Injection Pipe

2.3 沉降计算与分析

依据业主和施工单位确定的施工进度计划，超高层比高层晚2 个月施工，在8～10 栋高层建筑的第20层结构施工完成时，对于7、11 栋超高层建筑才进行到地面上第2层结构的施工。为此，本工程的重点与难点为对地基的沉降控制，需对极端工况下不同单体结构的变形进行验算。

2.3.1 复合地基的沉降计算

基坑开挖后，各栋建筑物的底板均坐落在残积粉质粘土上，粉质粘土下为强风化和中风化粉砂岩层。

复合地基的沉降计算方法有多种，任何一种都有其局限性，所以在选取某一种计算方法时一定要注意其适用范围，同时结合工程实践中所形成的经验加以分析对比，使其更加合理［6］。

本工程基础在施工过程中的沉降量依照《建筑地基处理技术规范：JGJ 79-2012》［7］7.1.7条和《建筑地基基础设计规范：GB 50007-2011》［8］5.3.5条计算得出，其计算公式为：

我的童年，还有其他颜色：电子产品是银色的，出国旅游是蓝色的，研学旅行是金色的，各色美食是粉色的……但是，不管童年的色彩是哪种，可以肯定，我的童年是美好的。

式中：zi为基础底面至土底面的距离；L 为基底长边；B为基底短边；fspk为复合地基承载力特征值；fak为土的承载力特征值；ζ 为 fspk与 fak的比值；Esi为基础底面下第i层土的压缩模量，应在土的自重压力至土的自重压力至土的自重压力与附加压力之和的压力范围取值， 对于风化的残积土和岩层采用弹性模量进行计算；Esi′为地基强度提高以后，模量相应提高后的取值；P0为对应于荷载效应准永久组合标准值时的基础底面处的附加压力；为基础底面计算点至第i层土底面范围内平均附加应力系数；Ai为第i层土平均附加应力系数沿土层厚度的积分值；ψs为沉降计算经验系数；s 为地基变形增量（mm）。

对于沉降计算，岩土的压缩模量取值为关键。本工程基坑开挖深度约为10 m，沉降验算中需考虑土体的回弹与再压缩性特性。根据《土体再压缩变形规律的试验研究》［9］的实验和观测数据，按照再加荷比与再压缩比率关系，可得本场地的压缩模量关系曲线如图6［10］所示。土体的压缩模量按照原位标贯试验确定，各加载过程的压缩模量由压缩模量关系曲线确定。

图6 场地地基岩土层变形模量与荷载关系图Fig.6 Relation Diagram between Deformation Modulus and Load of Geotechnical Layer on Site Foundation

2.3.2 复合地基褥垫层的变形沉降计算

复合地基刚性桩顶的褥垫层作为地基的一部分，经碾压处理后较为密实，相当于强风化岩的特性，变形模量较大（一般为200～250 MPa），本工程对垫层沉降单独计算，垫层模量取200 MPa［10］。褥垫层变形沉降计算公式为：

式中：P 为基础底面压力；h为褥垫层厚；Ec为垫层变形模量。

对于本工程，超高层的褥垫层厚度取300 mm，高层的褥垫层厚度取450 mm，根据上部荷载的荷载计算，超高层的变形约为0.615 mm，高层的变形约为1.692 mm。

2.3.3 各栋建筑沉降计算汇总

由上述公式可计算各栋建筑中心点沉降如图7所示。

图7 各栋建筑建造沉降曲线汇总图Fig.7 Summary of Settlement Curve of Each Building

3 沉降观测与对比分析

3.1 沉降观测

虽然广东省在高强复合地基和超强复合地基工程上有较多的成功实例，总结了不少工程经验，也颁布了有关规范。但像本工程这种超高层建筑的实例在国内还没有相应报道，而且本区建筑群间的相邻建筑的荷载（结构层数）差异大。这不仅要求复合地基的承载力要有足够的安全储备，而且还要保证相邻建筑间的差异沉降在控制的要求范围以内，为此后期需加强复合地基的监（观）测工作。

超高层以7 栋为代表（11 栋楼沉降观测结果与7栋相若），从观测结果图8a［11］中可见，7 栋最大沉降量为15.90 mm，最小沉降量为14.85 mm，全部测点均值为15.49 mm。最大沉降差为1.05 mm，计算该主体的倾斜值为1.05/11 300=0.00009，小于《建筑地基基础设计规范：GB 50007-2002》［8］中规定的建筑物倾斜允许值0.002。该楼最后100 d 的总体平均沉降量为0.87 mm，沉降速率为0.009 mm/d，满足《建筑变形测量规范：JGJ 8-2007》［12］中规定的最后 100 d 的沉降速率小于0.04 mm/d 的要求，表明该楼已进入稳定阶段。

高层以8 栋为代表（9、10 栋沉降观测结果与8 栋相若），从观测结果图8b［11］中可见，8 栋最大沉降量为5.90 mm，最小沉降量为4.20 mm，全部测点均值为5.10 mm，最大沉降差为1.70 mm，计算该主体的倾斜值为1.70/11 100=0.00015，小于文献［8］中规定的建筑物倾斜允许值0.002。该楼最后100 d 的总体平均沉降量为0.25 mm，沉降速率为0.0025 mm/d，满足文献［12］中规定的最后100 d 的沉降速率小于0.04 mm/d的要求，表明该楼也已进入稳定阶段。

图8 主体沉降量-时间变化曲线图Fig.8 Main Settlement-time Curve

3.2 与计算预估值的对比分析

依据上述理论计算及后期的沉降观测结果，将数据汇总于表2，从表2中可知，实测值均小于计算预估值，其中超高层的计算预估值较高层更接近实测值，各栋的沉降绝对值均不大，其偏差均在可接受范围内。由于超高层及高层的Esi′虽然相差较大（超高层在55～85 MPa 范围内，高层在 36～54 MPa 范围内），但均大于35 MPa，按照《建筑地基处理技术规范》7.1.8条，沉降计算经验系数ψs只能取下限值0.2，若可总结相应的经验系数，可使计算预估值更接近实测值。

表2 各栋沉降数据汇总Tab.2 Summary of Settlement Data of Each Building

4 结论及建议

⑴对于本建设场地的高层和超高层住宅建筑，其地基和基础处理采用高强和超强复合地基的筏板基础选型设计是合理和可行的，大直径旋挖桩作为刚性桩的设计是可靠的。

⑵通过对场地的岩土工程勘察资料和类似场地的工程经验确定了岩土设计参数；依据规范计算的沉降计算结果与实际变形基本一致，若有相应的经验修正系数，可使计算预估值更接近实测值。

⑶由于建筑群间的相邻建筑的荷载（结构层数）差异大，为防极端工况情况下产生过大的竖向变形差，采用了后浇缝及对垫层和一定深度的地基进行注浆处理2 种保险措施。

⑷根据结构的施工进度，结合对建筑的沉降变形监测结果进行信息化施工，使不同荷载的建筑的变形沉降协调可控。