某超高层住宅复合地基的设计与实践

王舜奇

(武汉正华公司建筑设计有限公司，湖北武汉 430000)

在进行超高层结构基础设计的时候，由于结构质心较高、荷载较重，对基础沉降差较为敏感，一般会选择桩基础方案。其实超高层住宅通常采用全现浇剪力墙结构，这种形式具有较大的结构刚度，对减少地基的不均匀变形有较好的效果。当具体工程场地条件合适的情况下，只要在设计中选择合理的桩型及布置方式，复合地基可以在安全性上满足要求。同时在经济性及工期上均有一定优势。

1 工程概况

某工程位于武汉市汉阳区，该项目由栋40层超高层和多栋高层住宅组成。超高层住宅采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，属 A级高度、非超限高层建筑。

根据该项目地勘报告，场地地貌单元属第四系冲湖积平原与长江三级阶地过渡地带。场区范围出露地层有杂填土、第四系全新统一般黏性土、第四系中更新统老黏性土及下部的基岩等，下伏基岩为稳定的白垩系-下第三系泥质粉砂岩。场区内未发现断裂破碎带，亦未见土洞、暗沟、暗滨等不良地质现象。该场地的典型地勘剖面如图1所示，基础设计的主要参数指标见表1。

图1 典型地勘剖面

本工程自2014年开始设计，最初确定的基础方案为钻孔灌注桩嵌岩桩方案。但经过对地质条件的仔细分析后，与建设方及地勘单位多次协商，最后选用复合地基方案。经试桩及复合地基试验后工程，于2015年完成基础施工，项目于2018年竣工。

表1 地层承载力特征值及桩基参数

2 基础方案的比选

2.1 灌注桩基础的选择

在地勘的中间报告中，建议超高层采用钻孔灌注桩基础，持力层选用(5-2)层中风化泥质粉砂岩或(5-3)层微风化泥质粉砂岩。如桩端持力层采用(5-2层)，由于其节理裂隙较发育，岩芯较破碎，地勘单位建议在不同地段分别试桩。按此建议各栋超高层均需增加试桩及检测费用，而且持力层强度不均对验收检测和结构安全均有一定影响。

如持力层采用较为稳定的(5-3)层，虽然其强度高、厚度较大，但埋深大(一般大于39.50 m)。按照地勘剖面估算的桩长达到45 m，其中穿越中风化层约15 m，施工周期较长造价较高。

按地勘报告参数估算，钻孔灌注桩采用φ800 mm或φ900 mm均可满足承载力要求，但均有不利因素影响，且未有效利用基底土层承载力。

2.2 天然基础的可行性

对本项目中超高层建筑，地勘单位未提出天然基础建议，如采用天然基础则基础底持力层为(3-2)层粉质黏土。该层土为硬塑状，压缩性中偏低，强度较高，厚度较大，但局部埋深较大(大于13.50 m)且局部夹较软的(3-2a)层粉质黏土。(3-2)层土fak为365 kPa，如果不考虑夹层影响的话，经修正后可以满足100 m以内高层地基承载力，但作为120 m高层建筑的天然地基承载力显然不够。

有较大的不利影响的是(3-2a)层粉质黏土透镜体，该层土承载力较低(fak=200 kPa)且全场地均有分布，距基础底面最薄处约2 m，如采用天然基础需按软弱下卧层进行验算。由于软弱夹层的存在，天然基础方案无法成立。

2.3 复合地基方案

本工程如果采用复合地基，既可有效利用基础底位于强度较高土层的有利条件，又可减少刚性桩进入中风化岩层的深度，在更好地保证结构安全的前提下，降低了桩基造价、节省了工期。本工程详勘报告经协商后，地勘单位补充了复合地基相关参数及建议。

3 复合地基设计

3.1 刚性桩持力层的选择

复合地基中刚性桩应将基础荷载传递到下部承载力和压缩模量相对较高的土层。结合本工程地层分布，仅在(3-2)层中布置刚性桩效果并不明显，因此将基础持力层定为第5层。桩型拟采用长螺旋压灌桩，由于这种施工工艺难以进入(5-2)层中风化泥质粉砂岩，考虑到(5-1)强风化泥质粉砂岩层虽然较薄但是下部中风化强度更高，与地勘单位协商后将持力层定为(5-1)层(qpa为 550 kPa)，。复合基桩采用φ600 mm长螺旋钻孔素混凝土压灌桩，桩长约20 m，单桩竖向承载力特征值Ra=1400 kN。

3.2 复合地基承载力特征值的确定

经模型计算分析，标准组合下筏板底面最大压力值约680 kPa。按照JGJ79-2012《建筑地基处理技术规范》第3.0.4条，复合地基承载力可进行修正，基础宽度修正系数应取0，基础埋深修正系数应取1.0。在考虑筏板厚度及地下室底板的埋深修正后，复合地基承载力特征值fspk取550 kPa。

3.3 软弱夹层对承载力的影响

虽然基底持力层为(3-2)层粉质黏土，但由于局部夹有(3-2a)层粉质黏土透镜体，并不能直接采用(3-2)层承载力进行复合地基计算。考虑到勘察孔位间距较大，对基础下的夹层不可能全部探明，因此按最薄处软弱下卧层附加应力反推基础底面的地基承载力，最终确定用于复合地基设计的桩间土承载力特征值为260 kPa。

3.4 面积置换率及桩布置

按湖北省地方标准DB42/242-2014《建筑地基基础技术规范》，桩间土承载力发挥系数可取0.8，代入相关公式计算得到面积置换率为0.074。

由于高层建筑筏形基础的沉降通常为碟形，考虑到复合地基中部桩应力叠加效应明显，为减小筏板中部与边缘的沉降差异，采用了变刚度调平的布置方式。按照《桩基手册》[3]中相关建议，在布桩时对长、宽方向中部各1/2区域桩间距适当加密，其余部分桩间距按面积置换率确定。具体布置如图2所示。

图2 刚性桩平面布置示意

3.5 褥垫层的设计

本工程复合地基中刚性桩桩径较大承载力较高，预估沉降较小，因此宜适当加大褥垫层厚度到300 mm，允许刚性桩刺入褥垫层变形，提高桩土共同作用能力。

由于高层建筑基础通常有较深的电梯基坑或集水坑降板，基底高差变化造成褥垫层施工复杂困难。复合地基中桩间距较小，难以避开筏板放坡斜面，而斜面处无法设置褥垫层。经多个项目实践，采用在高低褥垫层间设置素混凝土挡墙的方式(图3)，可有效解决这个问题。

图3 高差处褥垫层做法

4 施工阶段问题处理及沉降观测

4.1 试桩及复合地基试验情况

2015年4月本工程进行了试桩及复合地基试验，经检测单桩竖向抗压极限承载力均达到3 300 kN，达到极限值时沉降约28～32 mm；复合地基极限承载力均达到1 100 kPa，沉降量约为36～39 mm。单桩及复合地基试验前均进行了小应变检测，各有一根有轻微缺陷，缺陷桩沉降量稍大，但仍可满足承载力要求。

4.2 缺陷桩的处理

由于高层建筑基础埋深较大，基坑开挖较为复杂，为防止出现工程隐患，设计要求全部桩均进行低应变检测以保证桩身质量。经开挖后检测，少量桩出现桩身缺陷，缺陷深度在1.0～3.5 m左右。

对于缺陷桩采用2种方式处理：一是对缺陷深度在1.5 m以内的桩采用挖除缺陷部位，扩大桩头方式接桩；二是对缺陷部位在1.5 m以下的桩采用单桩静载荷试验方式验证承载力，按检测结果折减后重新复核，由于筏板基础整体性较好，复核后可满足设计要求。

4.3 沉降观测结果

2015年本项目完成基础施工，2016年主体结构封顶，结构验收时沉降量约为18 mm。2018年项目完成竣工验收，根据竣工时提交的沉降观测资料，累计沉降约22 mm，最大沉降差4 mm，整体沉降均匀，满足结构安全及使用要求。

5 总结与思考

5.1 桩径的优化

本工程素混凝土桩采用长螺旋施工工艺，在施工过程中发现到达(5-1)强风化泥质粉砂岩层后钻进困难，虽然强风化层强度不高，但桩径较大时对设备要求较高。因此建议在类似地质情况下当桩长较短时可采用φ400 mm、φ500 mm等小直径桩，有利于进入保证桩进入持力层深度。

5.2 桩顶配筋的做法

由于素混凝土桩桩身抗侧力及抗裂较差，为减少桩身质量问题，近几年设计的高层复合地基中素混凝土桩广泛采用在顶部配置2 m长钢筋笼的配筋方式，如图4所示。钢筋笼不与底板连接，仅为减少桩身开挖过程中的损伤及加强桩顶竖向承载力，这种方式对造价影响较小，但有效减少了缺陷桩数量。

图4 桩顶配筋示意

5.3 结束语

本工程基础设计能够结合场地地质条件，避免了其中岩层强度较低厚度较大的不利条件，又利用了土层强度较高的有利条件，灵活选用了复合地基的基础形式。经时间检验满足了结构安全性要求，也取得了良好的经济效益，希望能对类似条件下的基础设计提供参考。