高层建筑桩基埋置深度不够设计分析

王亚平，杨亚丽

（1.西北综合勘察设计研究院贵州分院，贵州 贵阳 550081；2.贵阳职业技术学院，贵州 贵阳 550081）

0 引言

贵州地貌以山地丘陵为主，建筑物一般据地形走势而建。然经济性作为建设方主要诉求之一，其将主导建筑方案创作走向。结构方案终将以配合之姿，更好地为建筑功能和建设方服务。故当建筑方案受地形影响，且建设方不愿为满足高层建筑埋置深度而过多开挖地下室时，作为一名有经验的结构工程师，必将尽自己所学，以规范为纲，从原理出发，结合理论和工程经验，对规范没有明确规定的设计方法予以推到论证，这样才能得出合理的结构方案和设计方法。

贵州地区基岩承载力较高，大多数高层采用中风化基岩作为基础持力层，基础型式有独基、条基、筏基和桩基。当高层基础埋深不够，且只能采用桩基时，需要找到一组有力的数据来佐证，并采取可靠的技术措施进行结构设计，这样既能说服自己，也能让建设方满意。下文将结合工程案例，对高层建筑桩基础且埋置深度不满足1/18 房屋高度的情况进行设计与探讨。

1 工程概况

1.1 工程简介

拟建场地位于贵阳市。该地区基本风压W0 为0.30kN/m2；六度设防，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组；场地类别为Ⅱ类，场地特征周期0.35s。

该工程共3 层地下室，北侧地下两层商业临空，一层地下室掩埋；西侧全掩埋；南侧和东侧地下一层商业临空、两层地下室掩埋。嵌固端取基顶。整个项目含3栋高层塔楼和1 个独立商业结构单元，其中高层塔楼包括普通高层E1-6# 楼、E1-7# 楼和超A 级高度高层E1-8#楼。E1-8#楼为本次讨论的楼栋，其高宽比为7.5，剪力墙结构。地上 25 层，为 1F～25F；地下3 层为-3F～-1F。建筑平面呈矩形，各层层高情况为：-3F 为3.8m，-2F 为 3.5m，-1F 为 5.735m，1F 及以上各楼层为 5.5m。本工程为多塔结构，如图1 所示。

图1 各楼栋及地下室分布情况

1.2 地基岩土参数

根据场地内岩土体的时代及成因，岩体完整性、岩体纵波波速值、岩芯采取率、岩石饱和单轴抗压强度等因素定性、定量指标综合分析，将场地岩土体分为三个单元层，即①、②、③三个单元。现将各单元工程性质分述如下：

（1）①单元为素填土，遍布整个场地，厚度分布不均，松散。

（2）②为强风化泥质白云岩，基本遍布整个场地，厚度分布不均，风化裂隙发育，多充填泥质，岩石破碎。岩质软，遇水易软化。岩芯呈砂状，采取率低。属破碎岩体，岩体质量基本级别Ⅴ级。根据地勘建议结合地区经验，建议 fa﹦300kPa；C﹦30kPa，φ﹦25°；γ﹦25.5kN/m3。

（3）③为中风化泥质白云岩，遍布整个场地。局部白云质或泥质含量较高，隐晶结构，中厚层夹薄层构造，结构面较发育，类型主要为层面，其次为闭合～微张状裂隙，泥质胶结，局部钙质胶结，结合度一般，岩石较破碎。质较软，泥质含量高地段岩芯裸露易碎裂，岩芯呈砂状、碎块状，岩芯采取率60%～75%。岩体的超声波纵波波速平均值为2470m/s，岩样波速取18 件岩块波速值的最大值：V0=3743m/s，岩体完整性系数Kv=0.44，属较破碎岩体，为较软岩，岩体质量基本级别Ⅳ级。

根据场地岩石节理裂隙较发育，岩溶中等发育，考虑施工影响等因素，建议场地各岩土单元层参数参见表1。

表1 各岩土单元地基设计参数

根据地基土质、上部结构体系及施工条件等资料，经技术和经济对比，本工程基础采用人工挖孔灌注桩基础，持力层为中风泥质白云岩，持力层地基承载力特征值fa=2500kPa。此场地中地下水位位于底板以下，本工程不需要抗浮设计。

2 设计思路

E1-8#楼-3F 为局部全埋地下室，其基础埋深不满足房屋高度的1/18，据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）（以下简称《高规》）第 12.1.8 条可知，当该建筑物采取有效措施，在满足地基承载力、稳定性要求和基础底面不出现零应力区（高宽比7.5＞4）的规定下，基础埋深可适当放松；当地基可能产生滑移时，应采取有效的抗滑移措施。故应遵循规范要求，逐一论证该结构方案的可行性[1-2]。

基础设计时，设计人员会根据勘察报告选取中风泥质白云岩作为基础持力层进行桩基设计，该地基承载力自然能够满足。其稳定性应从“三水准”入手，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。如何才能确保高层建筑不因基础埋深不够而发生倒塌？若能使其在大震不倾覆、不滑移，且满足其高宽比大于4 时基底不出现零应力区，那么其稳定性就能得到保证。与此同时，再加强一些抗滑移的构造措施，就能达到工程设计的要求，使该设计安全可靠。

3 大震抗倾覆计算

为确定基础安全，现采用PKPM 软件对E1-8#楼进行大震不屈服抗倾覆验算，通过电算结果判断其安全性，如表2 所示。

表2 结构整体抗倾覆验算结果

表2 为大震弹性定义下电算出来的结果，Mr/Mov最小值为3.03，且基底均未出现零应力区，满足抗倾覆验算要求。表中Y 向对应图1 的东西向，X 向对应图1的南北向，由表可知该结构Y 向抗倾覆能力较弱，这是由于Y 向较窄致使该方向抗倾覆力臂较短所致。

若上述验算结果不满足规范要求，即抗倾覆能力不够或基底出现零应力区时，可对结构进行竖向构件调整或结构方案调整，进而达到大震不倾覆的目的。

4 大震抗滑移计算

采用PKPM 软件对E1-8# 楼进行大震CQC 法分析，得出其在荷载标准组合下：竖向荷载G=87637.359t，底部剪力取塔楼范围内的值，基底最大剪力值Vx=33707.0kN，Vy=33532.0kN。塔楼范围内柱底轴力标准值总值为886495.3kN，根据地勘资料提供的地基承载力特征值可计算出桩身总面积不小于354.60m2，将其折算成本工程最小桩径1.2m，计算其单桩水平承载力特征值，从而计算出所有桩顶的水平承载力，再与基底最大地震剪力进行比较，继而得到大震弹性下的抗滑移能力，以此判断结构稳定性。通过《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）第 5.7.1、5.7.2、5.7.5 条制作灌注桩水平承载力计算表，该表采用规范最小配筋率0.2%进行计算，桩顶固结[3-4]。

通过灌注桩水平承载力计算表可知，在大震作用下，所有桩桩顶承担水平承载力与最大基底地震剪力之比（下文称“桩的水平抗滑移系数”）49789.197/33707=1.48＞1.2，即桩身水平承载力能够抵抗大震下基地剪力。该计算尚未考虑地下室侧面填土和地基的贡献，故本工程在大震作用下结构不产生滑移（风荷载不起控制作用），满足结构整体抗滑移稳定性要求。

若设计中出现桩的水平抗滑移系数达不到设计要求，该如何提高其抗滑移能力？这里采用单一变量控制法对其进行分析，以更好应对不同高层桩基础且埋置深度不够的抗滑移设计。通过灌注桩水平承载力计算表进行计算，当仅改变桩身配筋率时，0.65%是桩顶水平承载力的一个分界线；0.2%～0.64%的桩身配筋对应桩的水平抗滑移系数为1.48～1.67，而0.65%对应桩的水平抗滑移系数为11.11，即便配筋率达到2%，该系数只能达到11.63；故桩身抗滑移能力不足时，可将其桩身配筋率提高到0.65%。单一变量可以是桩长、桩径、混凝土等级、桩侧土水平抗力系数的比例系数，将其中一个变量按增加的规律进行计算，均可不同程度提高桩的水平抗滑移系数，但效果不够显著。故当某高层桩基础水平抗滑移能力严重不足时，可直接将桩身配筋率提高到0.65%；若抗滑移能力稍差时，可以增加桩长、混凝土强度，或对地基土进行处理从而提高桩侧土水平抗力系数的比例系数，不建议提最小桩径，因桩径增大时钢筋构造上也要增加。

5 构造措施

E1-8#楼东侧塔楼区域未全部落到-3 层，故对其进行构造加强，具体如下。

（1）桩顶增设承台并加大其尺寸，不仅增加了基础埋深，也增加了地基土对承台的约束作用，可为大震滑移提供有利抗力。

（2）桩长不小于4m，桩长对抗滑移能力有少许贡献。

（3）设置基础底板，桩径大小不一定为同一直径，桩顶水平承载力采用等效桩径的方法进行计算，整体抗力是满足了，但竖向构件上的地震剪力是通过刚度分配而来，其传递到桩基上的水平剪力是不一样的，故需通过底板来协调并传递水平剪力。

（4）加高基础梁，基础梁周边的地基土可为大震滑移提供有利抗力。

6 结语

通过对高层建筑桩基础埋置深度不满足规范要求的情况进行思考，从结构安全的角度出发，通过对结构大震抗倾覆和大震抗滑移能力的计算分析，在满足结构稳定性的前提下，结合必要构造加强措施，可使该类结构的设计安全可靠并满足规范要求。该类问题的处理方法和设计思路可供参考，但不同地区的工程有其区域性，结构设计师应严格遵守规范精神并以之作为设计依据。对无明文规定的设计方法，要进行论证分析，经专家评审后方可指导设计。