铜冠广场超高层桩基选型技术经济分析

吴水根 上官冀鸿

(同济大学建筑工程系，上海 200092)

铜冠广场超高层桩基选型技术经济分析

吴水根 上官冀鸿*

(同济大学建筑工程系，上海 200092)

超高层桩基方案是整个结构设计中极为重要的环节。通过对合肥经济技术开发区中铜冠广场超高层项目主楼桩基选型技术经济分析，得出一套桩基设计方法：根据地质报告以及周围环境条件对地勘单位推荐桩型进行分析研究，结合本工程结构特点进行设计；通过对不同可选桩型就不同桩径、长度、持力层多维度的综合分析，得出符合承载力和沉降量要求的技术上可行、经济上合理的桩基方案。本工程选取了3种长螺旋钻孔灌注桩和3种人工挖孔桩共6种桩进行技术经济分析。

超高层， 桩基选型， 设计， 经济分析

1 工程概况

本项目位于合肥经济技术开发区，该经济技术开发区位于合肥市西南，濒临中国五大淡水湖之一的巢湖。铜冠广场工程位于该区的翡翠路东、石门路南(东至宝纶路、南至大唐电力、西至翡翠路、北至石门路)，建设用地总面积约为3.49 hm2。基地范围内呈北高南低，地势基本平坦，市政设施配套良好且无保留建筑，见图1。

项目主楼部分由一栋180 m高的塔楼和100 m高的“L”形办公楼组成，塔楼为框架-核心筒结构，地下3层，有局部夹层，主楼35层，裙房5层。裙房屋面标高24 m，大屋面标高146 m，楼冠部分33 m；底部2层层高6 m，标准层层高4 m，两个设备层层高5 m；主楼建筑外围长44.4 m，宽44.4 m；第28层标高114 m处，角柱内收。

2 工程地质与上部结构模型

2.1 工程地质

拟建场地属于第四纪地貌，地势较为平坦，该地貌形态属于江淮波状平原，地面绝对高程在39.51～41.42 m之间。场地范围内没有影响场地稳定性的构造破碎带、滑坡、崩塌、泥石流、采空区、地面沉降、岩溶等不良地质作用，拟建场地可视为较稳定的建筑场地，可进行本工程的建设。

图1 基地概况

根据钻探、静探资料、室内土工试验结果，本工程场地划分出6个主要岩层土，主要土层的压缩模量、地基土承载力标准值见表1。

2.2 上部结构

塔楼为框架-剪力墙结构体系，地下1层，主楼27层，裙房4层，主屋面标高98.5 m，裙房19.5 m。设计参数见表2，整楼模型、第一层平面布置图见图2、图3。

表1 主要土层的压缩模量、地基土承载力标准值

Table 1 modulus, normal value of bearing capacity of major foundation soil

表2 设计参数

Table 2 Design parameters

图2 整楼模型

图3 第一层平面布置图

3 桩基方案的设计与选型

勘探单位建议的桩型及桩基础设计参数建议值见表3。

3.1 拟采用的桩基方案

设计过程中考虑到塔楼部分荷载太大， 若采用管桩，要使管桩达到承载力，管桩桩头需要压入十几米的岩层，这对于管桩施工难度太大，所以设计方决定对塔楼选用长螺旋钻孔灌注桩和人工挖孔桩进行分析计算[1]。

表3 桩型及桩基础设计参数

Table 3 Design parameters of pile foundations

注：①根据本场地岩芯力学性能检测报告，场地内中风化红砂岩岩块单轴天然抗压强度平均值为4.60MPa，标准值为4.21MPa； ②抗拔锚杆参数建议参照长螺旋钻孔灌注桩参数； ③单桩承载力应通过载荷试验确定。

(1) 长螺旋钻孔灌注桩选择3种型号进行试算，地质剖面及沉桩图如图4所示。

(2)人工挖孔桩选择3种型号进行试算，地质剖面及沉桩图如图5所示。

长螺旋钻孔灌注桩及人工挖孔桩单桩承载力特征值见表4。

3.2 桩基方案确定

根据SATWE模型计算结果，内筒最大荷载Nmax=107 541 0.2 kN。

钻孔灌注桩1号：承载力不能满足内筒重量，计算需要桩数190，实际最大布桩数121、137如图6、图7所示，不满足。

同理得出钻孔灌注桩2号、人工挖孔桩1号均不满足。

长螺旋钻孔灌注桩3号以及人工挖孔桩2号和3号满足上述条件，需要进行更详细的分析。

3.2.1 钻孔灌注桩方案

钻孔灌注桩3号：内筒桩数81，外框架柱下桩数40，实际布桩如图8所示，内筒承载力满足要求，但由于外排桩离内筒较远，导致筏板不满足内筒冲切验算[2]。

图5 地质剖面及沉桩图

表4 单桩承载力

Table 4 Bearing capacity of single pile

图6 布桩图(最大布桩数121)

图7 布桩图(最大布桩数137)

为满足内筒冲切验算，将钻孔灌注桩3号嵌岩深度增加4 m，单桩承载力特征值达到 115 00 kN，筏板厚度3 000 mm，梅花形布桩，内筒桩数67，外框架柱下桩数40，实际布桩如图9所示，满足要求。

图8 布桩图(孔灌注桩3号)

图9 布桩图

1)筏板参数

筏板厚度h=3 000 mm；保护层厚度a0=75 mm；截面有效高度h0=2 925 mm；混凝土强度等级C40；最大荷载组合1187 kN；内筒下桩数67；桩反力之和(按桩承载力×1.25计算)=848 125.0 kN。[3]

2)平板基础的内筒抗冲切验算

内筒最大荷载Nmax=1075410.2 kN；破坏面平均周长Um=96.900 m；冲切锥体底面积=737.122 m2；冲切力Fl=227285.2 kN,Fl/Um×h0=801.9024 kN<0.7×Bhp×ft/η=862.0648kN。

3)平板基础的内筒抗剪验算

内筒外H0处边长=108.60 m；单位长度剪力Vs=1 753.32 kN/m<0.7×Bhs×ft×H0=2785.1484 kN。

3.2.2 人工挖孔桩方案

同理得出：人工挖孔桩2号内筒桩数49，外框架柱下桩数24，内筒承载力满足要求，筏板厚度3 m，不满足内筒冲切验算;人工挖孔桩3号内筒桩数39，外框架柱下桩数24，实际布桩如图10所示，筏板厚度3 m，满足要求。

图10 人工挖孔桩桩反力图 (单位：kN)

1)筏板参数

筏板厚度h=3 000 mm；保护层厚度a0=75 mm； 截面有效高度h0=2 925 mm；混凝土强度等级C40；最大荷载组合1 187 kN；内筒下桩数39；桩反力和=121 875 0.0 kN(按桩承载力×1.25计算)；

2)平板基础的内筒抗冲切验算

内筒最大荷载Nmax=1 075 410.2 kN；破坏面平均周长Um=96.900 m,冲切锥体底面积=737.122 m2；冲切力Fl=1 433 39.8 kN,Fl/Um×h0=-505.728 0 kN<0.7×Bhp×ft/η=862.064 8kN。

3)平板基础的内筒抗剪验算:

内筒外H0处边长=108.60 m；单位长度剪力Vs=-1319.89 kN/m。

Vs=-1319.8871 kN/m<0.7×Bhs×ft×H0=2 785.148 4 kN。

3.2.3 两种方案的经济性对比

钻孔灌注桩3号桩长增加4m后桩反力图及沉降图如图11、图12 所示。

图11 钻孔灌注桩3号桩沉降图 (单位：kN)

图12 钻孔灌注桩3号桩桩反力图 (单位：kN)

钻孔灌注桩桩顶反力在偏心荷载下均小于1.2Ra=13 800 kN;最大沉降值为55.3 mm;最小沉降值为38.6 mm。钻孔灌注桩最大桩反力和沉降均符合要求。

人工挖孔桩3号桩反力图及沉降图如图13、图14所示。

人工挖孔桩桩顶反力在偏心荷载下小于1.2Ra=348 00 kN; 最大沉降值为7.21 mm; 最小沉降值为4.35 mm。人工挖孔桩最大桩反力和沉降均符合要求。

图13 人工挖孔桩3号桩沉降图 (单位：mm)

图14 人工挖孔桩3号桩桩反力图 (单位：kN)

桩基方案总结如表5所示[5]。

表5 桩基方案总结

Table 5 Summary of pile foundation project

根据建设单位所作市场调查，确定人工挖孔桩实际招标价更经济，且因桩径大桩长小而易于施工，而长螺旋钻孔灌注桩需要嵌岩达16 m，施工难度大；决定选用第三种人工挖孔桩并进行底板优化设计。最终采用人工挖孔桩，人工挖孔桩3号方案筏板厚度2 600 mm，挑出宽度2 600 mm，满足冲切验算，桩反力图及沉降图如图14、图15所示。最大沉降值为7.40 mm，最小沉降值为5.40 mm。人工挖孔桩最大桩反力和沉降均符合要求。

4 结 论

本工程桩基设计过程中根据地质报告对持力层进行选择，加上对上部结构和地下结构的分析，初步确定了长螺旋钻孔灌注桩和人工挖孔桩两种桩型，再根据承载能力和沉降量等设计参数的计算确定了两种桩的尺度即：直径1.3 m,长度32 m的长螺旋钻孔灌注桩和直径1.9 m，扩大头直径3.2 m，长度18 m的人工挖孔桩；最后设计单位根据本工程质量、进度、成本目标选定人工挖孔桩为最终桩基方案。

图15 人工挖孔桩3号桩沉降图 (单位：mm)

[ 1 ] 贾水钟,李伟,李亚明.上海地铁沿线高层建筑的桩基设计探讨[J]. 结构工程师,2006,22(5):58-62.

Jia Shuizhong, Li Wei, Li Yaming. Bored pile design for settlement control of high-rise building along subway in Shanghai [J]. Structural Engineers, 2006, 22(5): 58-62.(in Chinese)

[ 2 ] 肖霞林.人工挖孔桩的承载力及施工优势分析[J].四川建筑,2010,30(6):189.

[ 3 ] 周政.超长钻孔灌注桩施工及承载试验研究[D].西安：长安大学,2012.

Zhou Zheng. The super-long bored piles construction and load-kearing fest researoh[D].Xi’an Chang’an University, 2012.(in Chinese)

[ 4 ] 罗健华.高层建筑桩基础选型分析[J]. 城市建设理论研究,2012(22):1-7.

[ 5 ] 吴水根,连宗扬.某连跨厂房大屋面结构设计的技术经济分析 [J]. 结构工程师,2012,28(2):13-18.

Wu Shuigen, Lian Zongyang. Technique and economic analysis of structural design for a roof in a continuous span plant[J]. Structural Engineers,2012,28(2):13-18.(in Chinese)

Technical and Economic Analyses in Pile Foundation Selection for the Ultra High-rise Building in the Tongguan Plaza

WU Shuigen SHANGGUAN Jihong*

(Department of Building Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Pile foundation selection is an important task in the ultra high-rise building design. In this paper, technical and economic analyses in pile selection were discussed based on the a project in the Tongguan Plaza, which is located in Hefei Economic and Technological Development Zone. A pile foundation design procedure was proposed: (1) studying the geological report for the pile type recommended by geological exploration units and conducting preliminary design; (2) performing a detailed design to determine optional pile diameter, length, and holding force layer for a technically feasible and economically reasonable pile foundation design. During the Tongguan Plaza project, three kinds of long spiral bored piles and three types of artificial hole digging piles were compared by using the aforementioned method.

high-rise building, pile foundation selection, foundation design, economic analysis

2014-04-22

*联系作者，Email: 1043604668@qq.com