杭州某复杂场地高层建筑桩基优化设计

曹晓萌，陈 强

（1.浙江开放大学工程学院，浙江 杭州310030；2.浙江东南建筑设计有限公司，浙江 杭州310012）

在对高层建筑基础形式进行选择时，桩基以其承载力高、稳定性好、沉降量小且均匀、耗材少、施工简便等优越性成为普适的选择，尤其是对于复杂地形或软弱地基，桩基的适用性更佳［1-2］。目前，建筑工程中常用的桩基类型有两种，分别是预制桩和灌注桩，二者在施工工序、机械设备、工程造价、施工周期等方面有着明显的差别［3］。在桩基设计的过程中，需要综合考虑工程类型和实际地质条件，制定科学合理的桩基设计方案。本项目所处场地地基土质条件复杂，通过对其桩基设计方案的对比研究，以期对同类工程的桩基设计有所帮助。

1 工程概况

本工程位于浙江省杭州市余杭区崇贤新城，占地面积3.65万m2，地上11幢17～18层高层住宅和配套商业用房，地上总建筑面积8.03万m2，其中高层住宅采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，多层商业用房采用框架结构，建筑最高高度小于54 m，地下建筑面积3.37万m2，主要功能为地下停车库、设备用房及部分人防地下室。建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度（0.10g），结构抗震设防类别为标准设防类别［4］。基本风压按50年一遇考虑，取0.45 kN/m2，地面粗糙度类别C类。

2 地质概况

拟建场地原始地貌属冲湖积平原，地形平坦，现状为废弃空地，地面标高3.04～5.85 m。场地周边环境见图1，北侧为绿化带，南侧为前村街，西侧为石前港，东侧为加油站。根据岩土工程勘察报告，按地基土时代成因、物理力学性质特征差异，拟建场地浅部地层主要为粉质黏土层，上部为浅海相沉积淤泥质土层，下部为陆相沉积的黏性土层，底部为冲积粉砂和圆砾层，各土层物理力学指标设计参数见表1。

图1 拟建场地周边环境

表1 场地土层物理力学指标设计参数

该场地地基土质条件十分复杂，主要体现在以下四个方面：

1）场地内分布有饱和的③号淤泥质黏土等软土层，尤其是图中Ⅱ号线东侧区域软土层厚度将近13 m。受挤土桩的影响，容易产生横向塑性变形，从而对周边建筑、市政道路和管线产生不利影响。而淤泥质黏土层是基坑开挖的主要土层，开挖后会对基坑周边产生较大的沉降、变形等不利影响。

2）场地内分布有厚度不一的④4号粉砂层，尤其是图中Ⅰ号线西侧场地粉砂层厚度达5 m。该土层较密实，对静压预制桩桩基施工影响较大，易造成截桩，难以达到设计有效桩长，对单桩承载力和沉降不利。

3）场地内分布有下卧软土层⑤号粉质黏土层，该土层软可塑，力学性质一般，呈高压缩性，但厚度较小，对沉降极为不利。

4）场地周边环境复杂，分布着大量的地下管线，距东侧加油站直线距离仅15 m。

3 桩基础设计

桩型的选择主要由上部结构类型、荷载、场地，及地质情况、周边环境和桩基施工可行性等因素决定［5］。为此，选择上部结构完全一致的3#楼和10#楼进行桩基础设计。本工程采用YJK（盈建科）高层建筑结构三维分析软件（版本号2.0.3）进行有限元计算分析。

3.1 方案一

以10#楼为例，由于10#楼所在场地存在较厚的④4号粉砂层，根据岩土工程勘察报告和实地试桩检验，预制管桩无法穿越④4号粉砂层，只能以④3号粉质黏土层作为桩端持力层。根据《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3—2010）》［6］，当存在软弱下卧层时，桩端下部硬持力层厚度不宜小于4d（d为空心桩外径），同时为保证基础稳定并减小沉降，将桩端至下卧层顶标高的距离取为5 m左右。由此确定，该楼采用有效桩长为23 m，直径为600 mm的预制管桩，壁厚110 mm，以有效桩长作为控制标准。

根据《建筑桩基技术规范（JGJ 94—2008）》［7］，敞口预应力混凝土空心桩单桩竖向极限承载力标准值：

式中：u为桩身周长；

d为空心桩外径，mm；

b为空心桩边长，mm；

d1为空心桩内径，mm。

根据岩土工程勘察报告所提供的参数，计算得出23 m有效桩长时：Quk=2800 kN，Ra=1400 kN。

根据工程经验和计算，筏板厚度取为850 mm，对于冲切计算不满足要求的位置，采用局部加厚的方式进行处理。由于单桩竖向承载力特征值较小，根据计算，桩基采用满堂布置见图2。图3给出了该方案的单桩反力图，可以看出单桩平均反力为1206 kN（＜Ra），单桩最大反力为1549 kN（＜1.2Ra），满足要求。

图2 方案一桩基布置

图3 方案一单桩反力

3.2 方案二

该方案拟采用预制管桩，由于10#楼无法采用预制长桩，因此，该方案以3#楼为例，该楼与10#楼上部结构完全一致。预制管桩穿越淤泥质软土层，桩身直径采用500 mm，以⑥1号粉砂夹黏土层作为持力层，桩端全截面进入持力层不小于3d，有效桩长约为42 m。根据岩土工程勘察报告提供的参数，利用公式（1）计算得出，Quk=4000 kN，Ra=2000 kN。由于该方案单桩竖向承载力特征值较大，桩基采用墙下布置方式，见图4。图5给出了方案二的桩基反力图，由图5可以看出，单桩反力值均小于Ra，满足要求。

3.3 方案三

该方案采用钻孔灌注桩基础，以3#、10#楼为例，桩身直径采用600 mm，以⑥1号粉砂夹黏土层作为持力层，灌注桩桩端全截面进入持力层不小于3d，有效桩长约为42 m，根据《建筑桩基技术规范（JGJ 94—2008）》［7］和岩土工程勘察报告提供的参数，利用公式（2）计算得出Quk=4000 kN，Ra=2000 kN。由于该方案单桩竖向承载力特征值与方案二相同，桩基布置方式和桩基反力同方案二（图4、图5），均满足要求。

图4 方案二、三桩基布置

图5 方案二、三单桩反力

式中参数与公式（1）相同。

4 设计方案对比

4.1 沉降量对比

图6～8分别给出了三种方案的最大沉降量（单位：mm）。由图6可以看出，方案一最大沉降量的范围在49～75 mm之间，分布较为均匀，其中沉降量最大的位置出现在主楼中央位置附近。由图7可以看出，方案二最大沉降量的范围在1～26 mm之间，其中主楼中央位置附近的沉降量较大。由图8可以看出，方案三最大沉降量的范围在1～26 mm之间，最大沉降量的分布与方案二相差不大。对比发现，方案一沉降量最大，方案二和方案三沉降量相当，三种方案均满足建筑地基基础设计规范［8］对沉降量（S≤200 mm）及沉降差的要求。

图6 方案一最大沉降量

图7 方案二最大沉降量

图8 方案三最大沉降量

4.2 施工对比

方案一：有效桩长一致，且23 m的桩长较短，施工工艺简单、速度快，底板采用筏板，可避免砖胎膜、深基坑开挖，在保障项目安全性和可靠性的同时，能够满足业主对项目进度的要求。

方案二：有效桩长在42 m左右，桩长不等，跟随持力层的起伏而变化，承台开挖较深，施工工作量较大。此外，场地西侧地下分布有较厚粉砂层，存在桩无法打穿的风险，易造成截桩，难以达到设计有效桩长，对单桩承载力和沉降不利。

方案三：采用钻孔灌注桩，该桩型较之预制管桩而言，施工工艺复杂，周期长，承台开挖亦较深，施工工作量大。同时，由于本项目为软土地基，孔底沉渣的清理存在一定困难，对单桩承载力及桩基检测有一定的影响。

4.3 经济性对比

表2分别列出了三种方案的设计参数、技术指标、经济指标。由表2可以看出，三种方案均满足单桩承载力和沉降量的要求。尽管方案一所需要的总桩数最多，但由于其持力层位置较浅，有效桩长短，总造价最低。方案二和方案三持力层所在位置相同，有效桩长和总桩数均相同，但由于两者所采用的桩型不同，施工工艺不同，总价相差较大。总体来说，方案三总造价最高，方案二居中，方案一经济性最佳。

表2 三种方案对比

综上，施工图设计最终选用以粉质黏土层作为持力层，以预制管桩作为桩型的设计方案一。该方案不仅满足承载力和沉降量的要求，并且有效桩长一致，施工最为方便，时间成本和经济成本最低。

5 结 语

1）在对复杂场地地区进行建筑基础设计时，持力层的选择不一定局限于力学性质最稳定的土层，在满足承载力和沉降量要求的前提下，也可选择力学性质相对较差的土层作为持力层。

2）预制管桩和钻孔灌注桩是当今高层住宅项目最为常用的两种桩型，在地层条件和上部结构条件相同的情况下，预制管桩的经济性和时效性均优于钻孔灌注桩。

3）桩基设计方案的选择可直接影响工程项目的造价及工期，根据岩土工程勘察报告，合理选择持力层、桩基形式及布桩方式，保证结构既安全又经济。