绍兴县城区高层建筑基础形式的合理选用研究

2013-09-11龚晓南王建良王勤生李长宏俞跃平

四川建筑 2013年2期

郭彪，龚晓南，王建良，王勤生，李长宏，俞跃平

(1.重庆市市政设计研究院，重庆410020;2.浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江杭州310027;3.绍兴县地基基础测试技术研究所，浙江绍兴312000;4.浙江有色金属地质勘查局，浙江绍兴312000)

地基土体是自然历史的产物，其物理力学性质十分复杂。场地工程地质和水文地质情况区域性强。基础工程又是隐蔽工程。在土木工程建设领域中，与上部结构比较，基础工程的不确定因素多、问题复杂、难度大。基础工程问题处理不好，后果严重。据调查统计，在世界各国发生的土木工程的工程事故，源自基础工程问题的工程事故占多数。因此，处理好基础工程问题，不仅关系所建工程是否安全可靠，而且关系所建工程投资大小。

绍兴县是全国首批24个历史文化名城之一，是全国商贸市场大县之一，是全国经济强县和第一纺织大县。绍兴地区的建筑基础形式选用已有学者做过一些研究［1，2，3］，但专门针对绍兴县的建筑基础形式合理选用整体研究还是空白，本文通过广泛收集、整理、总结已有的勘察、设计、施工等建筑工程资料，在了解绍兴县城区地基土层形成年代和形成条件，分析土层分布以及各土层物理力学性质的基础上，对绍兴县城区高层建筑基础形式的合理选用进行了初步研究及建议，可供设计人员参考。

1 城区工程地质特性

绍兴城区为泻湖湖沼平原区，地貌为湖沼平原，海拔平均高度为4.0～5.5 m，属杭州湾南岸萧(山)绍(兴)平原地貌，地基土基本以滨海区相沉积为主，呈硬－软－硬－软－硬的特点分布，有可达30 m以上的软土层，基岩埋深达40～70 m。城区典型工程地质柱状图如图1所示，主要地基土物理力学参数如表1所示。

区内一般无暗塘、暗河、土洞等不良地质现象，场地整体稳定性较好;区内地下水埋藏较浅，水质一般对混凝土无腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋、钢结构、钢管道等金属材料有弱腐蚀性;绍兴县地震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05 g，本区②－3号层为黏质粉土，但黏粒含量一般大于10%，大于地震烈度7度时的黏粒含量临界值，据此初步判断区内在地震烈度7度条件下无液化土层。目前常用基础形式有浅基础、复合地基及桩基础，桩基础主要为沉管灌注桩、预应力管桩和钻孔灌注桩。

图1 城区典型地质柱状图

城区可作为桩基持力层的土层有④－2层(第一硬土层)，⑥－2层(第二硬土层)，⑧号土层和⑩层(基岩)。

第④－2层，粉质黏土或黏土，局部夹黏质粉土薄层，硬塑－可塑状，中等压缩性，顶板埋深6.2～21.4 m，平均12 m，厚度1.6～10.5 m，平均在5.8 m左右。该层主要分布在南部山前及残丘周围，以越城区其周围最为发育，厚度亦最大，北部大面积缺失。该层地基土承载力特征值为150～220 kPa，下卧⑤－1层(第二软土层)，淤泥质粉质黏土为主，局部为淤泥质黏土，流塑状，高压缩性，厚度3.5～16.2 m，平均7.5 m，分布广泛。可见④－2层土承载力较高，但一般厚度较薄，埋深较浅，下卧有较厚的软土层，能提供的桩基承载力有限，且顶板起伏较大，桩基条件较差，只能作为在浅基础不能满足要求时的低层一般工业民用建筑的短桩持力层，并进行下卧层强度验算;在少数厚度较大，埋深较深，下卧软土层厚度较小且分布稳定的地区，可作为多层建筑的桩基持力层。

表1 城区典型地基土物理力学指标

第⑥－2层，粉质黏土为主，硬塑－可塑状，中等压缩性，顶板埋深12.9～43.1 m，厚度1.7～18 m，平均在6.5 m左右，分布面积广，地基土承载力特征值为170～250 kPa;下卧第⑦－1层，淤泥质粉质黏土，流塑状，高压缩性，厚度1.4～14 m，变化较大，主要分布在北部东西两侧古河床部位海侵时海水较深的地段，分布范围不大;下卧第⑦－2层，粉质黏土，软塑状，中等压缩性，厚度1.8～11.5 m，平均在5.6 m左右，分布普遍。可见，⑥－2层土力学性质较好，厚度尚可，埋深合适，下卧层一般不厚，物理力学性质也尚可，是多层建筑较理想的桩基持力层;在厚度小，分布不稳定，下卧有较厚⑦－1层土的地区，该层土不宜作桩基持力层，应选用埋深更深，性质更好的⑧号土层或基岩作桩基持力层。

第⑧层，粉细砂、中细砂、砾砂、或圆砾，饱和，稍密－中密状，局部夹有硬塑到可塑状粉质黏土。古河床部位颗粒较粗，漫滩部位则较细，各向异性明显，分选性差，含一定量的黏粒成分。顶板埋深32.4～55.4 m，层厚1.3～32.3 m，平均14.4 m。该层埋藏较深，厚度和性质变化大，地基土承载力特征值225～450 kPa，在分布稳定的地区该层可作为多层和高层的桩基持力层。

第⑩层，基岩，埋深40～70 m，可作高层及超高层建筑的桩基持力层。

2 15层高层建筑基础选型分析

在城区典型地质地基土上建造15层民用建筑，上部结构竖向总和荷载184 056 kN，结构宽度17.9 m，长度45.7 m，高49.2 m。

2.1 基础选型计算

(1)选用预应力管桩

以⑥－2层作桩基持力层，土层顶板埋深29.2 m。

若采用预应力混凝土薄壁管桩PTC400(60)，进入持力层0.8 m，则基桩竖向承载力设计值为:

R=u∑ηsiqsikli/γsi+ ληpqpkAP/γp=526.4 kN

式中:R为基桩竖向承载力设计值，kN;λ为敞口式预应力管桩闭塞系数，取0.8;u为桩截面周长，m;Ap为桩端截面面积，m2;qsik，qpk为各土层桩的极限侧阻标准值和桩端土极限端阻标准值，kPa;γsi，γp为各土层桩侧阻抗力分项系数和桩端阻抗力分项系数，均取值1.65;ηsi，ηp为各土层侧阻群桩效应系数和端阻群桩效应系数均取值1.0。

所需桩数为:n=(F+G)/R=350根

式中:F为相应于荷载效应标准组合时，上部结构竖向荷载总和，kN;G为承台及其上土的自重设计值，kN。

平面布桩系数为:m=nπd2×100%=5.37%4S

式中:S为布桩范围，为45.7 m×17.9 m。

共需400 mm预应力管桩的米工作量为:

L=1.1×30×350=11 550 m

目前绍兴预应力管桩出厂价格如表2。

表2 (元/m)

打桩费用一般在10～15元/m左右，本文中统一按15元/m计算。

则桩基费用为:M=87×11550=1 004 850元

若选用PC500(100)预应力管桩，进入持力层6.6 m，则基桩竖向承载力设计值为:

R=u∑ηsiqsikli/γsi+ ληpqpkAP/γp=1064.1 kN

所需桩数为:n=(F+G)/R=174根

平面布桩系数为:m=nπd2

×100%=4.17%4S

共需500预应力管桩的米工作量为:L=1.1×35.8×174=6 852 m

则桩基费用为:M=141×6 852=979 836元

以⑧－3层作桩基持力层，土层顶板埋深44.5 m。

若选用PC600(100)预应力管桩，进入持力层1.2 m，则基桩竖向承载力设计值为:

R=u∑ηsiqsikli/γsi+ ληpqpkAP/γp=2 552.3 kN

所需桩数:n=(F+G)/R=73根

平面布桩系数为:m=nπd2

×100%=2.52%4S

共需600预应力管桩的米工作量为:L=1.1×45.7×73=3 670 m

则桩基费用为:M=185×3 670=678 950元

(2)如选用钻孔灌注桩

以⑧－3层作持力层，土层顶板埋深44.5 m。

若选用800 mm钻孔灌注桩，进入持力层1.6 m则基桩竖向承载力设计值为:

R=u∑ηsiqsikli/γsi+ ηpqpkAP/γp=2 648 kN;

所需桩数为:n=(F+G)/R=70根

共需800钻孔灌注桩工作量为:V=1.1×3.14×0.42×46.1×70=1 783 m3

若钻孔灌注桩费用为750元/m3，则桩基费用为:M=750×1783=1 337 250元。

以⑩－2号中风化基岩作为桩基持力层，顶板埋深55.9 m。

若选用1000钻孔灌注桩，进入基岩1.0 m，则基桩竖向承载力设计值为:

R=u∑ηsiqsikli/γsi+ ηpqpkAP/γp=8 253.1 kN

所需桩数为:n=(F+G)/R=23根

共需1000钻孔灌注桩工作量为:V=1.1×3.14×0.52×56.9×23=1 130 m3

若钻孔灌注桩费施工和材料费用平均为800元/m3，则桩基费用为:M=800×1130=904 000元

2.2 分析与评价

综合以上计算，得知由于⑥－2层以上土体侧摩阻力较小，且⑥－2层端阻较小，而⑧－3层以上有⑥－2和⑦－2两层侧阻较大的较厚土层，提供的侧阻较大，且⑧－3层预应力管桩端阻很大，但⑧－3层比⑥－2层埋深增加不多，因此选用⑧－3层土作预应力管桩持力层比选用⑥－2层要经济很多，且挤土效应较小。

对于钻孔灌注桩，由于⑩－2层的端阻比⑧－3层大很多，但埋深增加不多，因此选用⑩－2层作钻孔灌注桩持力层比选用⑧－3层经济，且由于桩端嵌入基岩，沉降更小。

对于小高层，最经济的基础是选用预应力管桩，以⑧－3层为持力层，但有一定的挤土效应。在不允许有挤土或对沉降要求特别严格的情况下，选用钻孔灌注桩，以中风化基岩为持力层，也可取得较好的经济效益。

3 30层高层建筑基础选型分析

在城区典型地质地基土上建设30层民用建筑，上部结构竖向总荷载394 110 kN，结构宽度15.1 m，长度58.0 m，高99.7 m。

3.1 基础选型计算

(1)选用预应力管桩

选用⑧－3层作桩基持力层，土层顶板埋深44.5 m。

若选用PC600(100)预应力管桩，进入持力层1.2 m，则基桩竖向承载力设计值为:

R=u∑ηsiqsikli/γsi+ ληpqpkAP/γp=2 552.3 kN

式中 λ 取0.8，γsi，γp均取值 1.65，ηsi，ηp均取值1.0。

所需桩数为:n=(F+G)/R=155根

平面布桩系数为:m=nπd2

×100%=5%4S

共需预应力管桩的米工作量为:L=1.1×45.7×155=7 792 m。

则桩基费用为:M=185×7792=1 441 520元

(2)选用钻孔灌注桩，以⑩－2号层作为桩基持力层。

选用1200 mm钻孔灌注桩，进入持力层1.2 m。则基桩竖向承载力设计值为:

R=u∑ηsiqsikli/γsi+ ηpqpkAP/γp=10 885.2 kN

式中 γsi，γp均取值 1.67，ηsi，ηp均取值 1.0。

所需桩数为:n=(F+G)/R=37根

共需1200钻孔灌注桩工作量为:V=1.1×3.14×0.62×57.1×37=2 627 m3

若钻孔灌注桩费施工和材料费用平均为800元/m3，则桩基费用为:

M=800×2 627=2 101 600元

选用1500钻孔灌注桩，进入持力层1.5 m。则基桩竖向承载力设计值为:所需桩数为:n=(F+G)/R=26根

共需1500钻孔灌注桩工作量为:V=1.1×3.14×0.752×57.4×26=2 900 m3

则桩基费用为:M=800×2 900=2 320 000元

3.2 分析与评价

由以上计算可知，单从经济上考虑，采用预应力管桩，以③－3层作持力层比采用钻孔灌注桩，以⑩－2层作持力层要经济很多，但是预应力管桩平面布桩系数达到了5%，挤土效应强烈，施工难以实现。另外，高层建筑受水平荷载较大，一般需要采用框架剪力墙结构，也需要采用钻孔灌注桩作桩基础。因此对于30层左右的高层建筑，建议采用钻孔灌注桩，以基岩作持力层，具体采用的桩径需要根据建筑的荷载分布情况决定。

在实际工程中，基础形式的选用还需要考虑以下因素。

(1)在绍兴县某些地区，预应力管桩合适的持力层埋藏较深，而管桩接桩过多，将会对管桩的承载力造成较大的影响，当设计桩长超过4节桩时，考虑使用钻孔灌注桩;根据桩身不产生压曲失稳和考虑施工现场条件，浙江省标准(DB33/1001—2003)建筑地基基础设计规范第9.5.1.2条对钢筋混凝土预制桩的长径比作出规定，规定指出，以摩擦为主的桩长径比不宜大于 100，故桩径分别为 400、500、550、600预应力混凝土管桩，桩长分别不宜大于40 m、50 m、55 m、60 m。在基础需要超深桩时，钻孔灌注桩是预应力管桩无法替代的。

(2)第一硬土层和第二硬土层厚度对基础型式和持力层的选用有很大的影响，如在钱清部分地区，④－2号层较厚，可达10 m，⑥－2号土层也较厚，可大于12 m，可以选作④－2号土作预应力管桩持力层。

(3)若周围有重要的地下建筑物、地下管线时需要保护时，考虑使用钻孔灌注桩;若桩端持力层较陡，起伏过大，采用预应力管桩，桩长不宜确定，配桩困难，截桩较多，给施工造成很大困难，且浪费较多，建议选择钻孔灌注桩。

(4)由于预应力管桩的经济性好，一般施工工期短，质量能够得到保证，在合适持力层不是太深，上部荷载不是很大的情况下，且周围环境许可的情况下，优选选用预应力管桩。

(5)距离建筑物红线较近，为避免预应力管桩对临近建筑、管线的影响，在靠近建筑红线的部位可以用钻孔灌注桩代替预应力管桩，即采用混合桩基，施工顺序先其它部位的预应力管桩而后是代替管桩的钻孔灌注桩。

4 城区高层建筑基础选型常见问题和应对措施

(1)钻孔灌注桩以⑧号、⑩号土层为持力层，若上部荷载较大，选用⑧号土层作为持力层时，可进行桩底注浆，以提高桩端承载力;若钻孔灌注桩持力层坡度较陡，为防止斜孔，可采用冲击成孔;钻进困难时，选择合适的施工工艺和钻头，如采用正反循环钻;当采用钻孔灌注桩时，施工要穿越老粘土层和③、⑤号较厚的淤泥质软土时，应控制钻进的速度和调配泥浆的比重、粘度，防止裹桩，由于淤泥质土极易流变造成穿孔，因此施工时相邻桩机不宜靠的很近，同时应做好清孔工作，确保沉渣厚度不大于5 cm;当以⑩－2号中风化基层做钻孔灌注桩的持力层时，若层顶面起伏变化较大，钻孔灌注桩施工时，应加强岩性鉴定工作，必要时进行施工勘察，保证桩端截面进入持力层不少于1 d(d为桩径)。

(2)预应力管桩的挤土效应。桩径选择与平面布桩系数的关系:设两种不同桩径选择在不同持力层，若上部荷载相同，则可以得出桩径不同的两种桩的布桩系数。

式中m1，m2为布桩系数;d1，d2为预应力管桩的直径，m;l1，l2为预应力管桩的有效桩长，m;qpk1，qpk2为有效桩长范围内平均侧阻值，kPa;qsk1，qsk2为有效桩长范围内平均侧阻值，kPa。

若桩径不同的桩选择在相同的持力层，若d1＜d2，则

可以看出，在同样持力层条件下，选择桩径较小的桩能减小平面布桩系数，可以减弱挤土效应。

为减小挤土效应的危害，应制定合理的打桩顺序:先打主楼桩，后打群楼桩;先打跨中桩，后打边区桩;先打近桩，后打远桩;先打毗邻建筑物桩，后打远离建筑物桩。

地表中有影响沉桩的块石，预应力管桩施工前应对桩位处进行钎深并挖除大块石，使沉桩顺利进行，防止顶破桩尖和桩管移位。

应避免桩尖接近④号土层、⑥号土层、⑧号土层或桩尖处于④号土层、⑥号土层、⑧号土层时接桩。

(3)基坑围护与预应力管桩的相互影响。当有基坑围护结构和预应力管桩同时选用时，宜先打桩再做基坑的围护结构。这样的施工顺序可以避免由于基坑四周的围护结构使打桩的土体无法扩散造成先打入的管桩被后施工的管桩挤上来，使桩承载力达不到设计要求，又避免了打桩使土体扩散而挤坏四周的围护结构并降低基坑围护结构的止水效果。高层建筑在水平与竖向荷载共同作用下，单桩的柱轴力及混凝土剪力墙轴力都比较大，合理布桩，尽量降低布桩密度是高层建筑管桩的设计关键。鉴于高层建筑物单柱下的桩数较多，设计时应优先选择承载力较大的桩以减少布桩密度，把打桩时的挤土影响降到最小。

根据圆孔扩张理论，在饱和软粘土中压桩:(1)塑性区开展范围与桩径呈线性增加关系，采用长细桩有利于减小塑性区的叠加;(2)E/Cu≤160时，桩距S=6～8R;E/Cu＞160时，桩距S=8～12R较合适。

建议在Ep/Es＜500的地区打桩时，应考虑沉桩的难易性。要适当考虑桩土共同作用，减少桩数，以利增大桩距。在该类地区进行桩基设计时，宜选用钻孔灌注桩或预钻孔送桩。

上述，E为土的变形模量;Cu为土的不排水抗剪强度;R为桩的半径;Ep为桩的弹性模量;Es为土的压缩模量。

(4)压桩机的影响。大吨位压桩机穿透能力强，适用的土层范围广，但存在自重大，接地压力大，会在某些软弱土的场地发生陷机;配重不好安置，进出场安装困难等问题。在绍兴县城区暗浜或老的鱼塘河沟附近等表层或浅层土质相对软弱，自重太大与地接触面积较小接地压力大的静压机易发生陷机，甚至造成管桩断裂等事故。