某高层住宅楼的地基基础设计

谢忠华

福建华景建筑设计院有限公司（361000）

某高层住宅楼的地基基础设计

谢忠华

福建华景建筑设计院有限公司（361000）

文章结合某高层住宅楼建筑的基础设计，对几种基础方案进行对比，提出了变刚度端承桩复合桩基的基础设计思路、基础方案经济技术比较优选过程以及设计方案的实际实施效果。

基础方案；冲孔灌注桩；复合桩基；变形调节器；经济性对比

1 工程概况

某住宅小区工程地上总建筑面积约16万m2，其中一栋高层住宅地上面积约2.5万m2,规划为37层超高层住宅楼,地下2层,安全等级为二级，基础设计等级为甲级,建筑抗震设防分类为标准设防类,地下室人防设防等级为核6级，抗震设防烈度为7度(0.15 g)，设计地震分组为第二组，基本风压按50年一遇考虑，为0.8 kN/m2。该工程建筑场地类别为II类,设计特征周期0.40 s，属对建筑抗震不利地段。

2 地质概况

勘察单位提供的勘察报告，见表1。

表1 勘察报告

主楼下基本地质剖面如图1所示。

3 方案分析

工程层数较大，对地基要求较高，且场地内花岗岩残积土层中分布有较多的大小不一的“孤石”,受此影响,预制桩基础以及CFG桩复合地基、高压旋喷桩复合地基等基础方案无法实施。考虑到人工挖孔桩局部桩长超过15 m，根据地方规定，不得使用。其他可供选择的基础方案有厚板筏型基础、冲孔灌注桩基础和端承桩复合桩基础。

图1 工程地质剖面图

3.1 筏形基础

根据地勘单位提供的残积砂质黏性土③承载力特征值fak=210 kPa，经深度修正后可以达到fa= 350 kPa(根据载荷板试验，取fa=400 kP)。计划按照大厚度筏板基础设计，根据PKPM计算结果，,要求筏板面积不小于1 350 m2，即相当于筏板需要从主楼边缘扩出至少6.0 m,底板厚度经冲切、剪切验算应不小于3.0 m(见图2)。

图2 4#楼阀板基础平面图

3.2 冲孔灌注桩

根据地勘报告，冲钻孔桩以中风化花岗岩为桩端持力层,桩身直径1.0及1.2 m、设计桩长15～26 m、嵌岩深度0.5～1.0 m,单桩承载力特征值可达7 750 kN、10 450 kN,可沿竖向构件(剪力墙)位置布桩,共49根。承台面积约380 m2,承台厚度2.0 m，见图3。

图3 4#楼冲孔灌注桩基础平面图

3.3 变刚度端承桩复合桩基

根据组织的专家论证结论，通过在端承桩桩顶与基础承台(底板)之间安装刚度调节器,“弱化”了端承桩的刚度,使得桩和土可以协调变形共同承担荷载,形成复合桩基。本工程基础承台(底板)下地基土为承载力较高的残积砂质黏性土③，并且根据该地区实际情况，进行地基土的现场平板载荷试验，确定承载力特征值可达400 kPa;桩体采用直径1.0 m的冲钻孔灌注桩,桩长小于25 m,以中风化花岗岩为桩端持力层,单桩承载力可以达到7 750 kN。变形调节装置支承刚度ka暂取178 500 kN/m，变形调节装置自由变形的最大值约60 mm，地基基床系数ks根据平板载荷试验取14 000 kN/m3。孔桩布置于剪力墙重心部位，共23根。承台面积约为760 m2,承台厚度2.0 m(见图4)。

图4 4#楼基桩平面图（复合桩基）

4 经济合理性分析

根据对不同基础型式的结合该工程设计实例的造价和工期的分析（见表2），端承桩复合桩基的优越性得到充分体现。

5 技术合理性分析

5.1 厚板筏形基础

厚板筏形基础具有整体性好、刚度大、施工方便且工期短的特点,对于承载力较高、土质相对均匀的地基土,可以充分发挥地基土的承载力，在一定条件下是经济的基础型式，可以优先考虑。对该工程的适应性分析,优点:①场地范围小,已完成的基坑维护结构的水平支撑梁梁底距离地下室底板面仅1.5～1.7 m，不利于大型机械设备作业，采用该基础型式施工方便；②刚度大,整体性好,有利于调整不均匀沉降；③施工速度快,验收程序简单,大大缩短工期。缺点:①上部结构荷载非常大，需要筏板沿主楼范围有较大的外挑,筏板厚度大,基坑开挖深度大,造价高；②筏板基础的变形较大,差异沉降(倾斜)不易控制；③地基承载力必须有可靠的保证。花岗岩残积土受到扰动或积水浸泡后承载力会迅速降低,施工时应有严格的保护措施,施工现场的管理难度较大。

表2 造价与工期分析表

5.2 冲孔灌注桩

承载力较高,对场地的适应性好,在厦门地区的高层和超高层建筑中应用较为普遍。然而近几年的工程实践也暴露出一些问题，主要表现为静载试验值小于理论估算值，桩底残渣较厚，桩身完整性不良。究其原因,就是施工过程中孔壁容易坍塌、桩周泥皮超厚以及孔底残渣不易清除干净。对该工程的适应性分析,优点:①冲孔灌注桩基础可以穿越残积土层中发育的孤石，对场地内土层的复杂情况有很好的适应性；②以中风化岩作持力层的嵌岩桩,承载力高,沉降量小。缺点:①在软弱土层、砂层中成桩时，泥浆护壁容易坍塌,会造成桩身夹泥夹渣,桩身承载力不容易保证；②桩身泥皮太厚,桩底残渣清除不干净，竖向承载力不容易保证。为了保证桩基施工质量，施工前基桩的竖向极限承载力应通过现场单桩静载试验确定。

5.3 变刚度端承桩复合桩基

在承载力较高的地基土上建造高层建筑，为满足承载力和变形的双重需要，采用桩土共同作用的复合桩基具有很好的经济性。变刚度端承桩复合桩基是近年来出现的一种新技术，在厦门“嘉益大厦”和“蓝湾国际”项目中得到成功的应用。它通过在端承桩顶部设置刚度调节器，实现桩土共同承担上部荷载，达到了充分利用地基土的承载力和控制沉降的目的。

对该工程的适应性分析,优点:①残积土参与承担上部荷载后,以减少冲钻孔桩的桩数,桩长也可以缩短,控制25 m以内,大大减小了施工难度,节约了桩基成本；②施工工期缩短，加快施工进度，保证工程质量。缺点:①施工时桩底残渣较厚,桩身完整性不易得到保证，基槽开挖时对地基土必须有可靠的保证措施,施工现场的施工和管理难度较大；②对施工队伍的技术和管理水平要求较高，变刚度端承桩复合桩基采用了一系列的新工艺新技术，需要信息化施工，加大了施工难度。

6 基础型式的选定及设计方法

与其他基础相比，变刚度端承桩复合桩基较有优势:

1）残积土内埋藏较多大小不一、分布不均的孤石,压缩土层呈现刚度不均匀特征，结合地基土的不均匀程度布置变刚度端承桩，由刚度调节器的刚度调整地基土的刚度,实现主动控制差异沉降的目的。

2）当地基土的沉降达到预估允许沉降量后，将刚度调节器的空腔填充密实,地基土基本不再承载，后续荷载由端承桩承担，由此可以大大减小基础的总沉降,实现主动控制最终沉降量的目的。

3）充分利用了地基土的承载力,降低了端承桩的承载力要求,可以减小桩长,节约了工程造价。

4）有条件的基础若采用人工挖孔桩，则会取得比冲孔桩复合桩基更好的经济效益和更短的工期。

总之,该基础技术合理、施工工期短、造价低,是较为理想的设计方案。通过优化分析，该项目的基础型式最终选择变刚度端承桩复合桩基。

6.1 变刚度端承桩复合桩基的设计概念

要实现端承桩和地基土的共同作用，必须考虑解决桩土的变形协调问题。为此,在端承桩的桩顶安装刚度调节器(见图5),使得端承桩的前期竖向刚度变小,端承桩在荷载作用下可以产生广义的“压缩”变形,基础承台随之向下挤压地基土,达到桩土共同承载的目的。

可以将变刚度端承桩复合桩基的工作状态分为两个阶段。第一阶段为桩土共同作用阶段,上部荷载主要由地基土承担,充分发挥地基土的承载力。第二阶段为端承桩主要承载阶段，该阶段地基土压力已经接近或达到设计允许值，这时将刚度调节器的空腔采用高强材料填充密实，后续加载主要由端承桩承担。[1]

图5 普通自适应桩顶剖面图

图6 刚度调节器现场施工图

图7 桩变刚度示意图

6.2 端承桩变刚度的实现

如图7所示,刚度调节器可看作一个刚度较小的弹簧,安装在端承桩顶部与基础承台之间,通过调节器协调桩土之间的变形使得桩土共同承载。由于端承桩的刚度Kp比调节器的刚度Kt大很多(一般为十倍以上)，刚度调节器与下部端承桩的组合刚度与调节器自身的刚度大致相等，从而将端承桩的竖向刚度调节到一个较小的刚度水平(与刚度调节器自身刚度接近)，达到定量控制调节器的刚度,实现变刚度的目的。

6.3 端承桩复合桩基的承载力计算

当上部结构刚度和荷载布置相对均匀对称时，结合承台下地基土的承载力和刚度，尽可能在竖向荷载较大的位置上布桩，使得地基土和各端承桩的受力均匀，将基底土压力和桩顶荷载控制在规范允许的范围内，进而满足承载力要求。对群桩筏形基础，其竖向承载力可按下式计算:

其中:Q为上部结构竖向荷载设计值、基础自重设计值及基础上土重标准值；fa为修正后的地基土承载力特征值；A为承台净面积(承台面积减去群桩的截面积)；Pa为端承桩单桩承载力特征值。

由于桩上部一定桩长范围会受到桩侧地基土负摩阻力的影响,计算端承桩的承载力特征值Pa时,应考虑将桩侧土对端承桩承载力的贡献予以折减。偏心荷载以及风荷载和地震荷载作用下端承桩复合桩基承载力的验算，可按照高层建筑混凝土结构技术规程[JGJ 3-2010]有关基础部分的章节进行。

6.4 变刚度端承桩复合桩基的沉降计算

端承桩桩顶设置了刚度调节器，复合桩基的沉降主要是第一阶段的沉降量，即桩长范围内地基土的沉降量Ss，也就是刚度调节器的变形量;到第二阶段，复合桩基的沉降就是端承桩的沉降量SP，即桩身的压缩量和桩端的“刺入”量，该复合桩基的沉降量S:

其中:S为复合桩基的沉降量；SS为第一阶段地基土的沉降量；SP为第二阶段端承桩的沉降量；SP与SS相比很小，可以忽略不计，工程上可以认为S= SS,所以复合桩基的沉降计算就是第一阶段地基土的沉降计算。地基土的沉降计算可以按照现行建筑地基基础设计规范[GB 50007-2011]5.3.5进行。

7 检验与监测

1）桩基检测按普通桩基检测验收规范要求进行检测。

2）加强对建筑物的沉降观测。并进行记录作为建筑使用后期观察的参考资料。

3）施工期间及施工后期应进行变形调节装置的变形监测。可通过位移传感器进行监测，推荐使用套管法。套管法指将变形标识杆连接于桩端空腔体的下盖板,套管则连接于桩端空腔体的上盖板，变形标识杆穿过套管引出筏板，通过测量变形标识杆与套管的相对位移即可得知变形调节装置的压缩变形量。套管法中套管可与注浆管共用。

4）沉降观测次数和时间应符合下列规定：施工期间至建筑物竣工期间的沉降观测应随施工进度及时进行,一般可在基础底板完成后开始观测，每施工完成一层观测一次；建筑物主体封顶至装修结束前，沉降观测宜1～2月进行一次，装修结束至沉降稳定宜2～3月观测一次。

8 结语

在特定地质条件下，高层建筑的基础选型应综合考虑技术的可行性和造价、工期的合理性。通过该工程的基础选型分析,提出合理的基础方案，供大家探讨及参考，同事期待同行们的指正。

[1]林树枝,汪亚建.复合桩基新技术在厦门建筑工程中的应用研究[J].福建建筑,2010(06).

[2]周峰,宰金珉,梅国雄,广义复合基础的设计方法及应用[J].南京工业大学学报(自然科学版)，2009(03).

[3]宰金珉,周峰,梅国雄,王旭东,裴捷,廖河山.端承桩复合桩基及其设计方法[J].工业建筑，2008(01).

[4]GB 50007-2011,建筑地基基础设计规范[S].