大直径扩底灌注桩设计

余 勇，陈焰周，肖 飞，徐必兵

(中南建筑设计院股份有限公司,湖北 武汉 430071)

1 工程概况

滨湖时代广场C-01地块工程东临合肥市南北主动脉徽州大道,北靠城市南门户方兴大道,西接西藏路;南面为烟墩路。由C1—C7,C9塔楼、商业裙房,休闲会所组成。其中C2栋为一栋集办公超高层多功能建筑,地上建筑面积约8.2万m2。地下3层,地上41层,建筑高度178.8 m,1层高6.0 m,2层—5层高5.4 m,6层—40层高4.2 m,41层高4.25 m。主楼轴线平面尺寸为37.2 m×49.8 m,平面基本柱网尺寸为9.0 m×12.9 m,9.0 m×12.3 m。

建筑实景图见图1。本工程从2013年开始建设,2016年封顶,2019年竣工验收,本文主要讨论C2栋的桩基础设计。建筑结构安全等级为二级,结构设计使用年限为50 a,建筑抗震设防类别为重点设防类(乙类),抗震设防烈度为7度,设计地震分组为第一组,设计基本地震加速度为0.10g,Ⅱ类场地,场地特征周期为0.39 s。建筑地基基础设计等级为甲级,桩基设计等级为甲级。上部结构采用混凝土框架—核心筒结构体系。

2 工程地质概况

依据《安徽省高速公路房地产有限责任公司滨湖时代广场C-01地块岩土工程勘察报告(详勘)》,拟建场地位于合肥市滨湖新区徽州大道与烟墩路交叉口西北角,其第四纪地貌型态属江淮丘陵地貌单元。

2.1 土层情况

勘察报告中给出拟建场地内各层岩土的厚度、地基承载力特征值fak、压缩模量Es及土层极限侧、端阻力标准值详见表1。

表1 土层特性表

由于土层起伏不大,取C2栋主楼范围内的探孔土层厚度的平均值作为标准土层的厚度。其标准土层分布及厚度详见表2。

表2 土层厚度及标高

2.2 水文地质条件

勘察报告中给出拟建场地在①层素填土中赋存有上层滞水,分布不连续,其水量和水位受大气降水控制。在③层粉土夹粉质黏土中埋藏有承压水,承压水头高度约5.0 m(水头标高约-15.0 m),在④1,④2层砂质泥岩中埋藏有少量裂隙水。场地地下水及土壤对混凝土结构具有微腐蚀性,对钢结构具弱腐蚀性。

2.3 场地与地基的地震效应

合肥市抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g(第一组)。勘察报告中给出拟建场地土类型为中硬土,为Ⅱ类建筑场地,属于对建筑抗震有利地段。场地的特征周期为0.39 s。根据③层粉土夹粉质黏土的埋藏条件、岩性特征及现场标贯试验结果,在7度地震作用下不会发生液化现象。

2.4 基础设计建议

勘察报告中给出本项目超高层可采用钻孔灌注桩或挖孔桩基方案,宜以④2层中风化砂质泥岩作为桩端持力层[1]。

经专家评审及合肥市有关部门的批准,本项目基础最终确定采用大直径挖孔扩底灌注桩基方案。

3 大直径挖孔扩底灌注桩设计

3.1 标准组合作用下的内力

为了明确各桩所受的竖向力,将地下3层四周墙体改为梁输入,得到各柱、墙下的内力。

图2给出了C2栋的柱、墙在1.0D+1.0L作用下墙、柱构件的竖向压力。

3.2 单桩承载力特征值

根据《建筑桩基技术规范》[2],本工程挖孔桩可采用桩基规范5.3.6条大直径桩,同时考虑桩侧摩阻力与桩端阻力。

对于桩侧与桩端阻力的尺寸效应,桩侧阻力尺寸效应(仅考虑强风化以上土层),按照《建筑桩基技术规范》的表5.3.6-2,桩端由于进入中风化岩层,不考虑桩端尺寸效应。

那么单桩竖向承载力特征Ra,1为:

上式中各参数的物理含义同《建筑桩基技术规范》5.3.6条。

根据《建筑桩基技术规范》的5.8.3条及条文说明。本工程桩的桩身强度控制的承载力特征值为Ra,2。桩基混凝土采用C35。

根据本工程实际状况及专家建议,在计算中桩侧阻力不宜考虑,仅作为桩基的安全储备,主要有以下几点原因:

1)本工程大多数为大直径挖孔桩,极限承载力大,最大桩基要承担超过60 000 kN,采用锚桩法静载试验或自平衡预埋载荷箱法均不可实现[3]。

当在桩基扩底完成后,进行桩基基底岩基静载荷试验,可以确定桩基基底承载力。而桩侧阻力现阶段没有较好办法进行有效检测。

2)由于本工程挖孔桩采用了扩大头,从侧摩阻力的传力机理来看,侧摩阻力以较小扩散角度向持力层扩散应力,因而应扣除桩身至扩大头间环形面积的阻力,否则将会过高估计桩的承载力,但是该环形面积内的应力为非线性分布,很难准确估算。

3)由于桩身直径较大,基桩间的中心距一般均小于3d,各基桩的摩阻力均不能各自发挥充分。

对于核心筒下的挖孔桩,由于桩间距较小,仅外围桩的摩阻力能得到充分发挥,中间桩的摩阻力难以得到发挥。

4)以本工程使用较多的两种桩身直径(2.7 m,3.8 m)来看,按照公式计算(未考虑上述情况下的摩阻力折减)的摩阻力与端阻力的比值分别为0.198,0.180,表明本工程桩基是以端承为主。

综合以上4点原因,取Ra,1≈Rp=2 355D2。

计算的各直径单桩承载力特征值如表3所示。

表3 单桩承载力特征值计算结果

由于结构重要性系数为γ0=1.1,计算书后述提供的恒载、活载以及地震作用下的柱及墙下内力均为标准值,即要求基桩承载力特征值与恒载和活载标准组合作用下的内力比不小于1.1倍,或者也可以对基桩承载力特征值进行折减,即Ra/γ0后进行布桩。

3.3 桩基布置及沉降观测

根据墙、柱等构件的竖向内力(见图2),按照不同直径桩基的承载力,C2栋楼的桩基布置如图3所示。

外框架柱下采用一柱一桩,核心筒部分采用群桩布置,并根据核心筒分担的竖向力大小,采用两种直径的桩基。

设计时,在核心筒四角设置4个沉降观测点,在外框架四角和中部设置了8个沉降观测点。根据最终沉降观测记录,核心筒的4个观测点的沉降数据基本一致,均值为18.5 mm;外框架的8个观测点的沉降值最小为18.3 mm,最大为22.0 mm,均值为20.0 mm。因此,从观测结果看,建筑物整体沉降值小,且整体沉降基本均匀,满足规范及设计要求。

4 结语

合肥滨湖时代广场C2栋超高层建筑的基础采用大直径挖孔扩底灌注桩,外框架柱下采用一柱一桩,核心筒部分采用群桩布置,桩端持力层为中风化砂质泥岩。计算表明大直径挖孔扩底灌注桩的承载力以桩端的端阻力为主,侧摩阻力占比较小[4]。本工程中桩间距基本均小于3D,侧摩阻力发挥不充分,桩基承载力只取桩端承载力,不考虑桩侧阻力的贡献。