成本管控下高层建筑地基基础优化设计

摘 要：以成本管控为主要目标，对某商业地产项目高层建筑地基方案进行优化设计。根据高层建筑基底反力要求，考虑桩长和桩间距两个因素，本文设计了3种预制管桩复合地基及4种CFG桩复合地基比选方案，在满足设计要求的条件下进行经济性对比。研究结果表明，7种复合地基方案均可以满足设计要求，在管桩复合地基方案中，桩长8.0m、桩间距1.20m的短桩方案较为经济，在CFG桩复合地基方案中，桩长8.0m、桩间距0.74m的短桩方案较为经济。综合来说，预制桩在施工周期、质量控制方面优于CFG桩，因此确定预制桩复合地基为最优方案。

关键词：成本管控；高层建筑；地基基础设计；优化设计

中图分类号：TU 47" 文献标志码：A

目前，由于建设用地资源减少，因此城市中出现以高层建筑为代表的住宅、商业、办公以及工业厂房，这部分建筑具有荷载大、抗震要求高、后期沉降大等特点[1]，然而东部沿海地区上部土层主要以中等压缩性的粉土、粉砂为主，不进行地基处理，将无法满足高层建筑地基设计要求，因此正确选择和执行地基处理技术是保证高层建筑长期稳定和保障安全的关键[2]。

高层建筑的地基处理是整个建筑结构工程中非常重要的一部分，是保证高层建筑的稳定性的关键因素，当前高层建筑的基础方案以桩基础为主，例如预制管桩、灌注桩、载体桩等。随着复合地基技术实践逐渐增加，积累了大量的施工经验，因此将复合地基应用于高层建筑地基处理中，可有效提高地基承载力，降低工程造价，减少不均匀沉降。

鉴于复合地基在高层建筑中的广泛应用，针对某商业地产高层办公建筑的地基处理方案，考虑不同桩长和桩间距，采用预制管桩及CFG桩复合地基对不同设计方案进行对比分析，在保障设计安全储备的前提下，以成本管控为主要目标，对高层建筑地基处理方案进行优化设计。

1 工程概况

1.1 项目简介

某商业地产项目规划总建筑面积为32351.36㎡，其中地上建筑面积为22124.21㎡，地下建筑面积为10227.15㎡，主体建筑物为2栋28层商业办公双子楼，底部为2层裙楼，结构高度为99.6m，建筑高度为100.8m，地下一层联通地下室。工程建设等级为一级，设计使用年限为50年。项目总平面示意图如图1所示。

将本工程地基基础设计等级为甲级，根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223—2008），本工程属于标准设防类抗震建筑，按7度抗震设防，7度采取抗震设防措施。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）本工程场地震峰值加速度取0.10g，场地特征周期为0.55s。根据《建筑抗震设计规范》（2016年版）（GB 50011-2010），本工程场地类型为Ⅲ类，将建筑抗震地段划分为一般地段，场地内无软弱土层及液化土层。

1.2 地质概况

根据工程地质勘察报告，场地内的主要土层以夹层土为主，沉积年代均为第四纪晚更新世以后的河流相和滨海相沉积物，各层土承载力特征值及主要力学指标见表1。

在勘察期间，地下水位位于地面下约2.0m，地下水类型为孔隙潜水，受到降雨及季节性影响。历史最高水位与现状地面持平，现状地面85高程为5.00m，历史最低地下水位为现状地面下4.80m，年水位变化幅度2.5～3.3m。本工程抗浮设计水位取现状地面以上0.80m，地下室开挖深度为5.55m，局部集水井位置开挖深度为6.50m，根据周边建筑物情况，基坑施工时采用深井降水与局部井点降水相结合的方式进行。

1.3 地基方案选择

工程中的2栋主楼地下室筏板基础底标高为-0.55m，筏板厚度为1000.0mm，根据计算模型，筏板底部的反力值为465kPa～500kPa。筏板底部位于第③层粉土上，该层土的承载力特征值为120kPa，根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011），采用公式（1）对层③承载力进行深度修正。

fa=fak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）" " " " " " " " （1）

式中：fa为经深宽修正后的地基承载力特征值，kPa；fak为地基承载力特征值，kPa；ηb为基础宽度修正系数，由土性确定，粉土取0.50；γ为基础底面下土的重度，kN/m³；b为基础宽度，m；ηd为基础宽度修正系数，由土性确定，粉土取2.00；γm为基础底面以下土的加权平均重度，水位以下取有效重度，kN/m³；d为基础埋置深度，自室外地面起算，m。利用公式得到如下数据。

fa2=120+2.0×8.51×（5.55-0.50）=205.95kPa

经计算，第③层粉土经修正后的地基承载力特征值为205.95kPa，远小于主楼筏板底部的反力值465kPa～500kPa，天然地基方案显然无法满足设计要求，须进行地基处理。考虑经济性，可采用预制管桩复合地基或CFG桩复合地基方案，对场地地质条件进行分析。

2 预制管桩复合地基方案

2.1 预制管桩复合地基

预制管桩在本地区地基处理中具备较大优势，可预先在工厂预制后运至现场施工，质量更稳定，尺寸精确，现场施工速度快，可缩短施工工期，同时与其他类型的桩相比，管桩因其形状和材质的特性，通常具有更高的承载能力。根据该地区地基施工经验，若采用预制管桩复合地基，则地基承载力可提高2～4倍。预制管桩设计参数见表2。

根据表1，第⑤层粉细砂、第⑥层粉土、第⑨层粉细砂均可以作为预制管桩复合地基桩端持力层，因此需要对不同桩长及桩间距的地基处理方案进行对比，获取经济合理的预制管桩复合地基布置方案。

2.2 预制管桩复合地基设计

预制管桩复合地基方案考虑桩端位于第⑤层、第⑥层及第⑨层3种方案，预制管桩桩径取400mm，壁厚90mm，内径220mm，采用正方形布桩，根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012），采用公式（2）计算复合的地基承载力特征值。

（2）

式中：fspk为复合地基承载力特征值，kPa；λ为根据地区经验取值的单桩承载力发挥系数，取1.0；m为面积置换率；Ra为单桩承载力特征值，kN；Ap为桩身截面积，㎡；β为桩间土承载力发挥系数，取0.90；fsk为桩间土承载力特征值，取第③层粉土fak=120kPa。

3种方案的桩基设计参数及复合地基承载力计算结果见表3和表4。

2.3 预制管桩造价估算

根据表4计算结果可知，3种方案均可满足设计要求，因此须从经济方面对3种预制管桩复合地基方案进行对比研究，确定最优方案。根据当地建筑市场提供的直径400mm预制管桩造价约为225元/m，本工程3种预制管桩复合地基的造价估算见表5。

对比表5的计算结果可知，方案一（短桩方案）较为经济，比方案三（长桩方案）节省桩长3752m，节约地基处理造价84.42万元。

3 CFG桩复合地基方案

3.1 CFG桩复合地基

CFG桩是水泥-粉煤灰-砾石（Cement-Fly Ash-Gravel）的混合材料桩基，适用于处理黏性土、粉土、砂土以及固结完成的素填土地基，具备较好的环境适应性，且采用工业副产品粉煤灰，较为经济。根据本地区地基处理经验，若采用CFG桩复合地基，则地基承载力特征值可提高2～3倍。根据地质勘察报告，CFG桩设计参数见表6。

根据表6，第⑤层、第⑥层、第⑦层级第⑧层均可作为CFG桩桩端持力层，须对不同的设计方案进行经济性对比分析。

3.2 CFG桩复合地基设计

CFG桩复合地基考虑采用第⑤、第⑥、第⑦以及第⑧层4种方案，桩径400mm，采用正方形布桩，采用公式（3）计算CFG桩单桩承载力特征值。

（3）

式中：up为桩身周长，取1.256m；qsi为桩侧各层土的侧阻力特征值，kPa；lpi为桩侧各土层厚度，m；αp为桩端端阻力发挥系数，取0.90；qp为桩端端阻力特征值，kPa；Ap为桩身截面积，m2。

4种方案的桩基设计参数及复合地基承载力计算结果见表7和表8。

3.3 CFG桩造价估算

根据表8的计算结果，采用不同桩长及桩间距的CFG桩复合地基均可满足设计要求，因此须从经济性方面对4种CFG桩复合地基方案进行对比研究，确定最优方案。根据当地建筑材料市场报价，直径400mm的CFG桩造价约85元/m，本工程4种CFG桩复合地基的造价见表9。

根据表9计算结果，采用CGF桩复合地基的地基基础处理造价相近，方案四价格（短桩方案）较为经济。

对比本工程7种地基基础方案可知，若采用预制管桩，则方案一较为经济；若采用CFG桩，则方案四较为经济。综合而言，预制桩施工周期较短，质量易于控制，在经济性相近的情况下，本工程建议采用方案一作为地基基础处理的最佳方案。

4 结论

针对某商业地产项目高层建筑的地基基础处理工程，考虑不同桩长及桩间距，本文设计了3种预制管桩复合地基和4种CFG桩复合地基，并以成本管控为主要目标，对7种方案进行经济性对比，得到以下结论。1）在3种预制管桩复合地基方案中，桩长8.0m桩间距1.20m的短桩方案最为经济，比桩长20.0m、桩间距1.60m的长桩方案造价节省桩长3752m，节约造价84.42万元。2）在4种CFG桩复合地基方案中，地基处理造价相近，桩长8.0m、桩间距0.74m的短桩方案较为经济。3）根据预制管桩与CFG桩两种桩型复合地基造价对比可知，CFG桩复合地基的短桩方案较预制管桩复合地基的短桩方案更为经济，可节省基础造价9.79万元，相差较小。通过综合对比，预制管桩在质量控制及施工周期方面具备较大优势，因此在经济性相差较小的情况下，本项目推荐采用桩径0.40m，桩长8.0m，桩间距1.20m的预制管桩复合地基方案。

参考文献

[1]李玲.基于复杂地质条件的高层建筑地基处理探究[J].工程抗震与加固改造，2024，46（1）：188.

[2]陈启贵.高层建筑岩土勘察分析及地基处理技术应用研究[J].工程与建设，2023，37（6）：1688-1690.