孙宏伟
(北京市建筑设计研究院有限公司,北京 100045)
高层建筑,特别是超高层建筑,高且重,而且主裙楼之间结构体系、荷载集度差别显著,因此地基基础设计至关重要。建筑地基基础设计过程中,应综合考虑上部结构类型、荷载状况、地层土质条件、地下水位情况等因素,选择合理的地基与基础形式。地基与基础紧密连接,设计中各有侧重[1]。在建筑基础工程设计中,按稳定性设计通常称为按承载力控制设计,按变形控制设计通常称为按沉降控制设计。按沉降控制设计的思路与按承载力控制设计的思路不同。按沉降控制设计中,首先按建造建筑物对地基沉降量控制要求进行设计[2]。
对于主裙楼建筑而言,不仅需要控制主裙楼各自的沉降量,更重要的是主裙楼之间沉降差,对于高层主楼,其内部的差异沉降控制需要实现变调平,即差异沉降最小化。本文以差异沉降控制为核心,从两条主线(主裙楼沉降差控制、主楼变调平技术)和两个支撑(协同分析技术、成桩品质管控)简明阐述主裙楼建筑差异沉降控制的理念、方法、技术、措施的新进展,以期推进土木建筑行业技术进步。
经过不懈的探索研究和大胆实践,“高层建筑的高层部分与多层裙房之间,根据地基及上部结构的条件,也可不设置沉降缝(在地震区兼作防震缝)。目前我院所设计在北京地区的工程,已基本上不在高低层之间设缝。我院所设计的外地工程,也都根据具体工程地质条件,尽可能不设沉降缝,以利于减少造价,便于使用[3]。
高低层之间不设缝措施的关键,在于减少高低层之间的沉降差[3]。对于高低层建筑主裙楼一体的大底盘形式,GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》所给出的主裙楼之间沉降差的限值要求为不大于其跨度的0.1%,主裙楼之间的差异沉降(沉降差)可用式(1)表达。
Δs=s1-s2
(1)
式中:s1为主楼沉降量,s2为裙房沉降量。
由式(1)可知,基础联合设计准则是高层与低层建筑的地基基础一体化,始终要把工程在不同工况条件下的差异变形控制与协调作为解决地基基础问题的总目标,并以“控制与协调差异变形”为核心,以地基与结构相互作用分析与协同设计为技术保证。地基基础设计时,通常更关注减少主楼沉降的技术措施,此时应注意裙房沉降不致过小,若能统筹兼顾同时调控s1和s2,则为最有效方法。需要提醒的是,抗浮措施比选确定应兼顾差异沉降控制要求。
文献[4]总结的主裙连体建筑调平:当高层主体采用桩基时,裙房采用天然地基、复合地基或疏短复合桩基;当裙房地基承载力较高时,宜对裙房采取增沉措施,包括主裙相邻跨桩基以外筏板底设松软垫层,对抗浮桩设软垫或改为抗浮锚杆等。
遵循差异沉降控制原则,根据主裙楼的荷载分布、结构刚度、基础形式、基础刚度、地基土质条件以及沉降差的协调和控制要求进行主裙楼高低层建筑的地基基础联合设计,更应开展地基与结构协同设计。
北京中国尊大厦地基基础设计中,应用土与结构相互作用原理,将主塔楼与其相邻裙房作为一个整体进行研究与分析,遵循差异沉降控制与协调的设计准则,考虑桩筏协同作用按变形控制条件合理选择桩端持力层,优化设计桩长、桩径和桩间距,桩基础结构设计计算考虑上部结构、筏板基础和地基(桩与土)共同作用分析,岩土工程师与结构工程师通力协作完成了桩筏基础设计优化,最终取消了全部裙房抗浮桩,超高层主塔楼与裙房之间不再设置沉降后浇带,实现了桩筏设计的创新[5]。
地基类型分为天然地基和人工地基两大类。根据沉降控制要求,因地制宜、因工程制宜,合理选用地基类型。
1)天然地基方案
采用压缩模量较高的一般第四纪沉积的中密以上的砂土层或卵石圆砾(通称作“砂卵石”)层为基础持力层,其厚度宜不小于4m并较均匀,且无软弱下卧层。工程实践案例包括在20世纪80年代完成的北京西苑饭店[6]、长富宫大厦、北京国际大厦等,其中北京国际大厦,通过箱形基础外扩以降低基底压力[7]。
北京地区高层建筑天然地基方案实施高度不断突破,如北京LG大厦[8],北京丽泽首创中心(高200m)[9],远洋锐中心主楼(高200m,地上42层),均成功采用了天然地基方案。
长沙北辰A1地块写字楼[5](结构高度206m,建筑高度达240m)在验证软岩地基工程特性指标的基础上,经过基础与地基协同作用分析,最终确定了筏板基础天然地基设计方案,取代了桩基方案,经沉降实测验证,软岩天然地基方案安全可靠,为软岩地基工程评价与地基基础设计积累了重要的经验。
2)人工地基方案
包括处理地基(换填地基、预压地基、强夯地基等)、复合地基、桩基,特别是可考虑桩土共同工作的桩基,因桩的作用为人工调整地基刚度,故归入人工地基更为确切。采用桩基或复合地基,应做好技术经济比较。宰金珉先生在文献[10]中系统地论述了地基刚度的人为调整与优化设计,包括地基土刚度调整和桩基刚度调整。
上海中心大厦采用了大直径超长灌注桩,有别于金茂大厦(420m)、上海环球金融中心(492m)所采用的钢管桩,持力层选择层⑨2粉砂,因其土性较佳、承载力高、土质相对较均、持力层厚度有保证,但是钻孔灌注桩钻孔过程需要穿越相对厚的粉土和砂层,施工的成孔能力和钻孔桩的质量是有必要进行多方面试验的,因此通过现场试桩验证成桩可行性及承载力取值,试桩载荷试验加载至极限,采用分布式光纤量测桩身应变,同时为研究上海软土地区大直径超长灌注桩承载特性及荷载传递机理提供了有价值的数据[11],为上海软土地区600m超高层建筑首次采用灌注桩提供指导和技术支持。
自20世纪90年代开始,后注浆技术的钻孔灌注桩成桩工艺技术逐步推广,北京保信金融中心(主楼地上31层)、北京名人广场[12]、北京雪莲大厦(高150m)[5]、北京SOHO现代城A栋(地上40层)[13]是相对较早期采用灌注桩后注浆工艺以控制主楼沉降量的高层建筑项目。随着研究深入和经验积累,大直径钻孔灌注桩后注浆技术越来越成熟可靠,应用日益广泛,研究与实践相辅相成。北京中国尊大厦[14]、北京银泰中心[15]、北京电视中心新台址、北京CCTV新台址[16]、北京财富中心、北京国家体育场、首都国际机场T3航站楼以及北京大兴国际机场航站楼[17]等均采用了灌注桩后注浆技术以提高基桩承载能力且减少变形。
裙房的地基基础方案选择考虑不周会抑制裙房沉降,使得高低层之间的沉降差过大。所以,设法使裙房部分的沉降量不致太少,是一个很重要的减少高低层之间沉降差的方法。加大裙房沉降量的措施主要如下。
1)适当调整裙房基础的埋置深度,以使压缩性相对更高的土层作为裙房基础持力层。例如:高层基础持力层为密实的砂土或碎石土时,裙房基础底面标高可以提高(如果可能),使得基底放置在黏性土或粉土层之上。例如北京西苑饭店设计将高层主楼的基础落在-12.000m砂卵石层上,设3层地下室;裙房的基础落在-7.550~-9.500m粉细砂层上,设2层地下室[6]。
2)基础形式应优先选用单独柱基或条形基础,有防水要求时可采用单独柱基或条形基础另加防水板的方法。此时防水板下应铺设一定厚度的易压缩材料。北京嘉里中心大面积使用泡沫板作为基础的软垫层[18],减少基础与土的接触面积,加大基础压力,增加低层部分的沉降,进而减少高层建筑与裙房之间的不均匀沉降差。
3)选用单独柱基或条形基础之后,还须设法尽量采用较高地基容许承载力,尽可能减少其基底面积。
当前地下室层数有愈来愈多的趋势,即基坑深度越来越深,裙房基础处于超补偿状态,因此往往设计中还需要考虑抗浮措施。
建筑工程抗浮设计需要兼顾差异沉降控制要求。近年来随着建筑地下室的不断加深,裙房和地下车库的基础抗浮设防问题越来越凸显,并且对于大底盘主裙楼高低层建筑地基基础设计造成了诸多困扰,当裙房、地下车库采用抗拔桩时,会抑制其沉降量,即使得s2过小,不利于控制和协调主楼裙房之间沉降差,由式(1)可知,此时为了将沉降差Δs控制在允许范围内,需要更严格地限制高层主楼的沉降量(s1),则会造成高层主楼地基基础工程投资加大、工期延长。针对这一问题,应当进行专门的水文地质勘察工作,以保证更为科学合理地确定场地地下水抗浮设计水位[19]。
依据文献[19],某建筑物基础基本上坐落于粉细砂层上,场区30m深度范围内存在3层地下水且第1,2层水对浮力确定起主要作用,在此基础上通过在拟建工程场区范围内设置地下水观测孔(10个)和埋设孔隙水压力计(15个)以及收集区域性水文地质背景资料和地下水位长期观测资料,分析研究了水压力的实际分布状况和变化规律。台地潜水在越流补给层间潜水过程中存在水头损失,因此在垂向上孔隙水压力小于静水力学理论计算值。综合考虑诸多自然与人为因素不利影响,分析研究表明最不利情况下的水压力分布较之传统方法减小。根据建议的设防水位,比原来拟采用浮力值减小40kPa,基础设计就可以采用压重方案解决抗浮问题,避免采用抗浮桩方案。
适当增加配重,有利于控制差异沉降。抗浮锚杆、抗浮桩对地基刚度和沉降控制的影响,在抗浮设计时应予以充分重视。抗浮锚杆的选型及其布置方式,对沉降以及基础内力的影响,尚需要深入研究。
1)有无沉降后浇带
关于沉降后浇带的有无,其过程可以分为两大阶段:①从无到有,即以沉降后浇带取代永久沉降缝;②从有到无,经过差异沉降控制设计,主裙楼差异沉降控制在容许范围内,沉降后浇带不必设置。从沉降后浇带的有无变化之中,可以看出差异沉降控制设计的发展历程。
起初沿用了设置沉降缝这一传统的处理措施。后来发现,设置沉降缝未必能提高结构的抗震性能,地震时常因为相互碰撞而造成震害。实际工程中还发现设置沉降缝未必能解决差异沉降的问题。有的工程,根据预估的差异沉降量,特意加高了主楼室内地坪标高,然而沉降差却始终未能消除。根据建筑沉降变形观测,由于相互影响,北京饭店新楼的Ⅰ段和Ⅲ段均表现为短向倾斜的沉降形态[7]。
自1980年设计西苑饭店工程开始,我院已在许多工程设计中,采取高层建筑与其裙房之间不设沉降缝的设计方法,并都取得了成功[3]。北京的西苑饭店[6]、新世纪饭店[20]、长富宫中心等高层建筑主楼与低层裙房之间未设置永久沉降缝,均取得了成功,推动了设计创新与技术进步。
地基基础设计过程中,需要考虑主楼荷载对于相邻裙房地基应力的影响,影响程度与相邻裙房地上、地下的层数、间距以及基础形式、基础刚度、地基土质等有关,影响范围一般可按3跨以内考虑。相关的结构措施包括:高层建筑及与其紧邻一跨裙房的筏板应采用相同厚度,裙房筏板的厚度宜从第2跨裙房开始逐渐变化,应同时满足主、裙楼基础整体性和基础板的变形要求;应进行地基变形和基础内力的验算,验算时应分析地基与结构间变形的相互影响,并采取有效措施防止产生有不利影响的差异沉降。经过差异沉降控制设计,当确认可将主裙楼差异沉降控制在容许范围内,可以对沉降后浇带设置进行合理优化,包括适时提前浇筑或取消设置。
2)提前浇筑
沉降后浇带的浇筑时间一般应在高层主体结构完工以后。若考虑提前浇筑沉降后浇带,则需要有系统的沉降观测数据,根据观测数据证明高层建筑的实际沉降确已趋向稳定,并且可以判断后期的沉降差也在许可范围内时,方可适当提前浇筑时间,此时应考虑主裙楼之间的沉降差对于建筑结构的影响,并进行验算。北京LG大厦、北京新中关大厦、主语城的公寓楼项目等工程,以沉降观测数据和沉降计算分析为依据,在适当时间对沉降后浇带提前浇筑封闭。
3)取消设置
高层建筑与相连裙房的差异沉降满足限值要求时,紧邻主楼的裙房一侧可不设置沉降后浇带:①高层建筑与相连裙房为整体筏形基础时,主楼与相邻裙房柱的沉降差不大于其跨度的0.1%;②与高层主楼相连的裙房柱采用独立基础(承台)时,主楼与相邻裙房柱的沉降差不大于其跨度的0.15%”[1]。
位于北京丽泽商务区的首创中心通过采用变刚度调平设计和地基基础协同设计方法,使本工程3栋高度分别达到200,150,120m的塔楼均采用了天然地基上的筏板基础,而且150,120m 高的塔楼与裙房(5层高)之间取消了沉降后浇带[9]。
高层建筑地基基础的设计是制约高层建筑的安全可靠性和经济合理性的关键环节[4]。美国旧金山千禧大厦在设计和施工过程中考虑不周,导致沉降过大且整体倾斜,造成了罕见的超高层建筑桩基工程事故,更应当引起重视和警觉。
文献[21—24]针对传统设计理念存在的诸多问题,通过大型现场模型试验、工程实测研究,提出高层建筑地基基础变刚度调平设计理论与方法:以共同作用理论为基础,针对框筒、框剪和主裙连体结构荷载分布差异大的特点,调整桩土支承刚度,使之与荷载分布相匹配;使得基础沉降趋于均匀,基础板的冲、剪、弯内力和上部结构次应力减小;由此既降低材料消耗,又改善建筑物功能、延长使用寿命。通过29项高层建筑基础的设计应用表明:差异沉降远小于规范允许值,减少了传统设计中出现的碟形沉降和主裙差异变形。框-筒结构调平:通过增大桩长(当有2个以上桩端持力层时)、桩数,强化核心筒的支承刚度;采用复合桩基、减小桩长、减少桩数,相对弱化外框架柱的支承刚度,并按强化指数(1.05~1.20)和弱化指数(0.95~0.75)进行调控;局部增强调平:在天然地基承载力满足要求的条件下,对框-筒结构的核心筒、框-剪结构的电梯楼梯间采用刚性桩复合地基实施局部增强。变基桩竖向支承刚度调平模式如图1所示。
图1 变基桩刚度调平模式
基于差异变形控制的桩筏基础设计,考虑桩、土、筏板基础、上部结构相互作用对于承载力和变形的影响,既满足荷载与抗力的整体平衡,又兼顾荷载与抗力的局部平衡,以优化桩型选择和布桩为重点,力求减小差异变形,降低承台内力和上部结构次内力,实现节约资源、增强可靠性和耐久性。如前所述,在控制主楼沉降量的同时,尚应控制主楼内部沉降差,包括主楼筏板挠度限值、核心筒与外框柱之间的沉降差。对应式(1),此时的s1指核心筒的沉降量,而s2则指外框柱的沉降量。
荷载集度高的区域,如核心筒等实施局部增强处理:①可局部采用桩基;②局部采用刚性桩复合地基(见图2)。北京银河SOHO采用的是天然地基与局部增强CFG 桩复合地基的地基设计方案[25],有效地解决了差异沉降控制与协调问题,实现了变刚度调平的设计创新。需要关注的是,凡采用复合地基的工程项目,应注意系统且长期的沉降观测。
图2 地基刚度局部增强示意
上海中心大厦为巨柱-核心筒-伸臂桁架结构,考虑底板抗冲切的需要,在地下室范围巨柱边增加了壁柱,巨柱与核心筒之间通过翼墙连为整体。桩的布置按照变刚度调平的概念设计,核心筒及周边6m范围为核心区,有效桩长56m,梅花形布置,巨柱区域内有效桩长52m,梅花形布置,其余区域有效桩长 52m,正方形布置。这三者构成的桩承载密度大致为 1. 24∶1. 15∶1(详见文献[26])。上海中心大厦的变调平设计模式可概括为“变桩距与变桩长”。
西安国瑞金融中心(高350m)桩基础设计过程中,协同作用分析表明核心筒与外框柱之间存在沉降差,为了有效减小沉降差,采用了变桩长的变调平模式,如图3所示,即对外框柱的基桩桩长进行了减短优化。该建筑已经建成并投入使用,经沉降实测验证,主楼变调平技术思路合理可靠。
图3 变基桩支承刚度
体型复杂、层数相差较多的高低层连成一体的建筑物是指在平面上和立面上高度变化较大、体型变化复杂,且建于同一整体基础上的高层宾馆、办公楼、商业建筑等,由于上部荷载大小相差悬殊、结构刚度和构造变化复杂,很容易出现地基不均匀变形,为使地基变形不超过建筑物的允许值,地基基础设计的复杂程度和技术难度均较大,经常需要采用多种地基和基础类型并需要考虑采用地基与基础和上部结构共同作用的变形分析计算来解决不均匀沉降对基础和上部结构的影响问题。
对于同一大面积整体筏形基础上主裙楼一体或多塔的建筑形式,目前的简化方法得出的基础边缘沉降值偏小和基础挠曲度偏大,与沉降观测结果不符,较小的基础边缘沉降值对于差异沉降控制和结构安全是不利的,较大的基础挠曲度则易造成误导而导致设计不合理,基础设计时应考虑上部结构、基础与地基岩土协同作用或共同作用。
北京中国尊大厦在设计过程中,应用土与结构相互作用原理,将主塔楼与其相邻裙房作为一个整体进行研究与分析,最终实现了桩与筏板基础联合变调平设计的构想与技术思路。主塔楼为桩筏基础,其两侧的纯地下室部分采用天然地基。工程桩主要包括3种类型:主塔楼的核心筒和巨型柱区域为P1型(桩径1 200mm、桩长44.6m),主塔楼其他区域为P2型(桩径1 000mm、桩长40.1m),塔楼与纯地下室间过渡桩为P3型(桩径1 000mm、桩长26.1m,为边缘过渡桩)。所有工程桩均采用桩侧桩端组合后注浆工艺。由于建设场地第四系厚度达184m,且地层软硬交互,因此通过试验桩载荷试验研究超长钻孔灌注桩的荷载传递规律、荷载-沉降的工程性状、侧阻力变化特征。遵循差异沉降控制与协调的设计准则合理选择桩端持力层并优化设计桩长、桩径和桩间距,桩筏协同作用三维数值分析与桩筏基础设计紧密结合,应用 PLAXIS 和 ZSOIL 数值分析软件进行了地基土-桩-筏板-地下结构协同作用的精细计算分析(见图4)[27]。
图4 中国尊大厦深基础与深基坑整体计算模型
需要说明的是,模型参数确定是数值分析计算中的关键问题。必须详细地了解实际条件和过程,熟悉当地情况,积累经验,对理论和参数进行合理修正;在工程中不断观测和积累数据,在其基础上合理选用参数,再计算和预测以后的变化,往往达到很高的精度[28]。努力提高变形计算的精度,使其尽量接近于实际,是土木工程师的重要任务。
成桩品质管控关乎基桩的承载性状。正如张在明院士曾指出“桩的承载力和安全系数不仅与它本身的几何条件和材料有关,还与土性、荷载条件、成桩机械和工艺、施工质量、时间效应等方面有着密切的、错综复杂的关系。”
基桩的压力-变形特性以及桩侧岩土阻力值与桩端岩土阻力值的实际发挥,与成桩工艺、品质管控密切相关,以丽泽SOHO[5]实例加以阐明。丽泽SOHO所在的北京丽泽金融商务区的地层以卵石层为主,其下为第三系。北京丽泽SOHO与邻近的另一超高层建筑(G工程)基础形式都是桩筏基础,G工程的基础埋深约30m,深于丽泽SOHO,其主塔楼抗压桩桩径为1m,有效桩长34.0m,以第三系为桩端持力层。经过反复比较分析,丽泽SOHO改长桩为短桩,即桩长减短而不入第三系。北京丽泽SOHO与G工程的地层剖面与桩筏配置关系如图5所示。
图5 地层剖面与桩筏配置关系
经过静载试验和桩身轴力测试,对比发现两个工程的桩侧阻力实际发挥出现了明显的差别。选择G工程和丽泽SOHO相同深度的试验桩桩侧阻力比对,如图6所示,丽泽SOHO的试验桩桩侧阻力约为同深度G工程试验桩桩侧阻力的2倍。分析图6所示的10~34m深度范围内桩侧阻力,此段桩身正好进入第三纪黏土岩层,桩侧阻力骤减且桩侧阻力值都小于第四纪卵石层的桩侧阻力值,推测是由于试验桩施工扰动对第三纪黏土岩的影响比较大,虽然桩长增加,但是单桩承载力特征值并没有得到有效提高,而且还影响到卵石层侧阻力的发挥。
图6 桩侧摩阻力实测值比对
文献[29]根据京津沪三地超长后注浆钻孔灌注桩试桩资料对比分析,桩顶沉降量主要来源于桩 身压缩变形量,应通过增加桩身配筋及提高桩身混 凝土强度等措施来减小桩顶沉降。天津和上海地区,桩身上部土层随荷载增加会出现不同程度的软化特征而下部土层则呈现强化的特征。而北京地区上部黏性土层则始终表现为强化特征,而且短桩较之长桩所表现出强化效应更明显。建议京津沪三地超高层均按沉降控制进行桩基设计。通过加大桩长,选择更为密实的深部土层作为桩端持力层,可以有效减小桩基沉降。但同时会增加施工质量的控制难度。为此不仅需要认真清孔而且还应当及时调整桩端后注浆工艺参数。
北京某项目桩基设计时,为选择合理的桩端持力层,对两个桩端持力层的试验桩做了比较,进行了2个不同持力层单桩承载力测试,其Q-s曲线如图7所示。根据检测报告,试验桩的2个桩长分别为53.40m和33.40m。由图7可知,长短试桩的承载力相近,造成这一现象的原因是黏质粉土由于吸水崩解出现严重的塌孔,形成2m左右厚的沉渣,由此可见,桩并非越长越好,桩越长,成桩品质管控难度越大。
图7 不同长度试桩Q-s曲线对比
陈斗生先生总结超高大楼基础设计与施工经验时曾指出:“大口径场铸桩之设计除考虑地层之工程特性、地下水之变化外,主要之考量为施工之工法、程序、使用之机械及管理与操作人员之成熟度,俾使完工之基础具一致之品质与工程特性。因此基桩之现场试作与达破坏之载重试验,为使用大口径场铸桩之重大工程为达安全而经济之设计之必要手段,除可使施工者与监造单位熟识设计者之基本假设与要求外,也可获得基桩设计与分析之实用数据”[30]。
1)本文所述的主裙楼沉降差控制、主楼变调平技术、协同分析技术、成桩品质管控,相关的理念、方法、技术、措施,需要具体问题具体分析,辨证施治,以求统合综效。主裙楼建筑的结构形式复杂、荷载集度差异悬殊,加之与相邻建筑地基基础相互影响等复杂工况的地基基础设计,地基与结构相互作用分析与详细的沉降计算时必需的,而且在设计分析过程中数值分析成果可作综合判断的重要依据。
2)岩土与结构相互作用(soil-structure interaction)依然是国际土木工程领域研究热点和难点问题,需要多学科多专业协同研究、共同推进工程实践。差异沉降控制的实现,需要加强勘察→设计→施工→检验的协作机制。
3)各方均应重视沉降观测,积累沉降控制的工程经验更离不开实测验证,而且沉降实测资料是工程反分析的基础。建议可由工程总承包单位加强管控,或可由全过程工程咨询单位加强技术把关。
4)桩并非越长越好,也并非嵌岩就好,因为桩越长、嵌岩越深,成桩品质管控难度越大。成桩品质管控关乎基桩的承载性状。桩侧岩土阻力值与桩端岩土阻力值的实际发挥,与成桩工艺、品质管控密切相关。
5)今后对于深化设计与价值工程,应当给予更多的考量,建筑师负责制、全过程工程咨询、工程总承包,三者相互支撑、相辅相成,有利于规避安全风险、提高投资效益。
6)遇到错综复杂的问题,亲身在工地上的工作体验、实务经验,有助于找到问题的主要矛盾和关键因素,提出有效的解决方法和手段。这不仅对于从事建造施工的技术人员,而且对于从事成桩工艺技术研究、桩工设备研发制造的从业者均会有所启发。我们国家进入新的时代,必将从工程大国发展成为工程强国,行业技术进步离不开扎扎实实的努力和踏踏实实的作风。