南通中央商务区C R 0505-A-04地块项目桩基础变刚度调平设计

祁彦龙

上海招商置业有限公司 上海 200949

1 工程概况

南通中央商务区CR0505- A- 04 地块项目江苏省南通市经济技术开发区，西邻工农南路，南邻桃园路。本工程总建筑面积246455m2。本工程地下室成长方形布置，东西长251.85m，南北宽142.35m，地下室相对上部结构有较大面积外扩。

本工程地上部分被抗震缝分割为东西塔楼、东西裙房和汽车库五个单体。本工程裙房及汽车库高27.95m，西塔楼高151.95m，东塔楼高151.85m，塔楼采用框架-剪力墙结构，裙房及汽车库采用框架结构。

南通中央商务区CR0505- A- 04 地块项目抗震设防烈度为6 度，抗震设防类别为乙类，基础设计等级为甲级。本工程基础形式为桩筏基础，桩基拟采用塔楼区域的钻孔灌注桩（长桩）+ 加裙房区域的中等长度预应力混凝土管桩+ 地下室外扩区域的单节预应力混凝土抗拔管桩。桩基的布置形成以塔楼为中心，向周边扩散，桩刚度依次递减的变刚度调平桩基础。

2 地质条件

根据启东市建筑设计院有限公司提供的详细勘察报告：拟建场地为空地，地形稍有起伏，场区所属地貌类型为长江三角洲冲积平原，微地貌单元为长江低漫滩。勘探孔标高最大值4.42m，最小值3.25m，地表相对高差1.17m，自然地面高程3.90m 左右。本场区勘察深度范围内为第四系滨海—河流相、滨海—浅海相、滨海—湖沼相、可口沙洲—漫滩相沉积的松散堆积土层，地基土自上而下分为如下8 层：

①层杂填土：黄褐色- 灰黑色，上部含碎砖块、建筑垃圾，松散，土质不均。场区普遍分布，平均厚度1.06m，平均埋深1.06m。

②层粉土夹粉质黏土：黄褐色，很湿，稍密，摇震反应中等，无光泽反应，低干强度，低韧性，所夹粉质黏土可塑- 软塑，稍有光泽，中等韧性，含铁锰结核，具微层理，中压缩性，土质欠均匀。场区普遍分布，平均厚度2.07m，平均埋深3.13m。

③层粉土夹粉砂：灰色，饱和，稍密，含云母碎片，夹粉质黏土薄层，捻面粗糙，稍有黏性，摇震反应中等，韧性低，干强度低，压缩性中等，所夹粉砂灰色饱和稍密，土质欠均匀。场区普遍分布，平均厚度8.37m，平均埋深11.5m。

④层粉砂夹粉土：灰色，稍密- 中密，饱和，主要成分为石英斜长石，所夹粉土灰色，很湿，稍密，摇震反应中等，无光泽反应，低干强度，低韧性，中压缩性，土质欠均匀。场区普遍分布，平均厚度14.72m，平均埋深26.22m。

⑤层粉细砂：灰色，中密- 密实，饱和，主要成分为石英斜长石，中低压缩性，夹薄层粉土、粉质黏土，土质欠均匀。场区普遍分布，平均厚度5.49m，平均埋深35.93m。

⑥层粉质黏土夹薄层粉砂：本层以粉质黏土为主，夹薄层粉土、粉砂及淤泥质黏土，灰色，稍有光泽，中等干强度，中等韧性，流塑～软塑，中压缩性，土质欠均匀。场区普遍分布，平均厚度20.11m，平均埋深56.03m。

⑦层粉细砂夹粉质黏土：灰黄色，中密- 密实，饱和，主要成分为石英斜长石，夹薄层粉土、粉质黏土，土质欠均匀。场区普遍分布，厚度14.25m，埋深70.00m。

⑧层砾砂：灰黄色，中密～密实，饱和，主要成分为石英斜长石。该层未穿透。

据调查，场地历年最高水位为高程2.8m，可作为抗浮设计水位。地下水对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋在干湿交替情况下具弱腐蚀性，在长期浸水情况下无腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。

3 南通中央商务区CR0505-A-04 项目桩基础设计

3.1 主要技术难题及解决方案

本工程两个塔楼均布置在场地的北侧，东西塔楼建筑高度均超过150m，层数分别为34 层和38 层，裙房及汽车库建筑高度均为27.95m，层数分别为5 层和8 层，地下室为两层，围绕建筑四周均有外扩，但总体上南侧外扩宽度大于北侧。塔楼区域平均荷载数倍于裙房，而且相对于基础底板形心存在较大偏心，而地下室外扩区域的平均荷载又远小于裙房区域的平均荷载。从建筑整体布局情况可知，本工程上部结构传至基础底板的荷载存在分布不均和偏心的特点，总体上程北重南轻，塔楼重，裙房次之，地下室外扩部分更轻的趋势。

传至基础底板的荷载分布不均匀和偏心的特点导致的直接结果就是差异沉降和基础底板内力增大。为了减小差异沉降和基础底板内力，想到了变刚度调平概念设计。变刚度调平概念设计旨在减小差异沉降，降低基础底板内力和上部结构次内力，以达到节约资源，提高建筑物使用寿命，确保正常使用功能的目的。为达到上述目的，突破传统设计理念，通过调整地基或基桩的竖向支承刚度分布，使桩土反力和上部结构传来的荷载不仅整体平衡，而且实现局部平衡，以达到最大限度减小差异沉降，降低基础底板内力和上部结构次应力，使基础底板减薄，变成柔性薄板。

3.2 基础持力层选取

由地勘报告提供的数据知，本场地适合作为桩基持力层的土层有⑤层粉细砂层和⑦层粉细砂夹粉质黏土层。根据变刚度调平设计的原则，首先选取较浅的⑤层粉细砂层作为裙房的桩基持力层。裙房的桩基持力层确定后关键是确定塔楼的桩基持力层。从地勘报告提供的数据来看，⑤层土端阻力为7000kPa，Es1- 2=10.8MPa；⑦层土端阻力为4000kPa，Es1- 2=7.2MPa。单从土层工程特性来看，⑤层土端阻力更大，压缩性也更好，似乎选择⑤层土作为持力层更经济。经过初步测算，如果选择⑤层土作为塔楼的桩基持力层，选用直径600 的管桩，桩长取20m，则单桩承载力约为2000kN。以西塔楼为例：西塔楼上部结构传至基础的荷载标准值为1020600kN，采用上述桩型则需要约510 根基桩。显然在塔楼范围内布置如此多的工程桩是有困难的。而且根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2011）中关于桩基的沉降计算的内容来看，当基桩的布置达到一定密度后，桩基的沉降表现为实体深基础的沉降。这时桩基的沉降只与桩基布置的范围、桩长和桩侧土的内摩擦角有关，而与桩数无关。也就是说当布桩的密度达到一定程度后，再增加桩的密度虽然能提高承载力，但于减小沉降的作用几乎为零。这显然不符合变刚度调平设计提出的减小差异沉降的要求。经过以上分析确定将塔楼区域的基桩加长，选用⑦层土作为塔楼的桩端持力层，加长后单桩承载力可以提高一倍以上。考虑桩端持力层以上覆土的荷载，根据综合固结实验成果图确定⑤层土的压缩模量为16.8mPa，⑦层土的压缩模量为25.05MPa，⑦层土的实际压缩模量略大于⑤层土的压缩模量。

3.3 变刚度调平概念布桩及试桩

确定好桩基持力层后，初步确定桩型为：塔楼区域采用直径800mm 的钻孔灌注桩，桩长50.7m，为了进一步减小沉降差，采用后注浆技术进行加强；裙房区域采用直径600 的预应力混凝土管桩，桩长20m；塔楼外扩区域采用单节预应力混凝土管桩作为抗拔桩，桩长13m，桩端设置在较软的④层土，竖向荷载考虑天然地基的承载力。

确定好桩型后，进行了现场试桩，以便取得实际的桩基承载力和相关参数作为施工图设计的最终依据。

3.4 基础计算分析

本工程基础计算及分析主要采用PKPM2008 版的JCCAD 软件。要实现变刚度调平设计就要求桩土反力和上部结构传来的荷载不仅整体平衡，而且实现局部平衡。为此，将计算方案设计为：先采用分块计算的模型实现局部平衡，再将整个项目的模型拼合为整体实现整体平衡。以东塔楼及其周边的裙房，车库为例，其计算过程如下：首先，以东塔楼的模型建模，布桩，进行基础计算。本工程塔楼部分虽然是框架- 剪力墙结构，但剪力墙较集中布置于中间位置，框架柱布置在剪力墙周边1～2 跨范围内，整个布局与框架- 核心筒类似。因此在基础设计时将重心位置集中布置的剪力墙作为核心筒来处理。布桩时遵循局部平衡原则，以荷载标准组合分别估算每根柱下和核心筒区域的桩数，根据估算桩数进行布桩，然后输入模型进行初步计算，见图1。从图中可以看出底板沉降图程明显的马鞍状，中间大，四周小，核心筒区域与周边柱下的沉降差为16mm，差异沉降比较明显。

图1 东塔楼初步计算沉降图

为了减小差异沉降对核心筒区域的桩基进行了加密，增加核心筒区域的桩基密度，经过反复几次验算后，最终沉降见图2。从图中可以看出底板的沉降趋于平衡，核心筒区域与周边柱下的沉降差为7mm，差异沉降减小了9mm,最大沉降略有减小。分块模型达到预期目的后再进行整体模型的验算。整体验算时，参照分塔验算的结果进行布桩，调整桩基刚度，使桩基反力与分塔模型接近，再根据最终的沉降情况适当调整桩基布置，使差异沉降达到预期目的。这个过程需要反复调整，再带入分塔模型进行复核，如此反复几次迭代计算，方可达到最终设计要求。

图2 东塔楼最终计算沉降图

4 总结

（1）根据基础沉降的情况和上部结构的荷载情况，动态调整桩基长度和变换不同的持力层可以方便实现变刚度调平设计。

（2）在变刚度调平设计理论的运用可以减小基础底板内力，起到节约工程造价的作用。

（3）在进行变刚度调平设计时可以先分块设计，再进行整体建模分析，两者可以相互补充，相互验证，经过反复迭代验算提高结构分析的可靠性。