南通玖珑城项目地基基础优化设计

2019-01-05曾朝杰上海同建强华建筑设计有限公司上海200072

建筑科技 2018年3期

曾朝杰（上海同建强华建筑设计有限公司，上海 200072 )

1 工程概况

南通玖珑城项目（原名金童苑）工程位于江苏省南通市市区。工程由 3 幢高层建筑及 5 层裙房和一个 2 层地下车库组成。其中： 1号楼为 31 层（裙房 5 层），建筑面积37 848 m2；2号楼为 33 层，建筑面积 14 571 m2；3号楼为18 层，建筑面积 10 683 m2。地下车库共 2 层，建筑面积22 514 m2。

表1 各土层的物理力学指标

本工程的原设计考虑到大底盘多塔建筑，塔楼层数及荷载差异大，计算沉降及差异沉降过大，采用 700～850 mm钻孔灌注桩，有效桩长约 40 m，持力层位于第 11 层土中，用以控制沉降。但是灌注桩单桩承载力不高，以致主楼底板下要满堂布桩，底板内力过大，底板的厚度达 1.6～2.0 m。受业主委托，由上海同建强华建筑设计有限公司与上海岩土工程勘察设计研究院对地基基础底板联合进行优化设计。

2 工程地质

本工程各土层的物理-力学性质指标见表 1。桩基技术规范》中的第 5.2.6 条相关规定综合取值；

②压缩模量根据勘察报告及《高层建筑岩土工程勘察规程》（JGJ72―2017）中的F.0.2条相关规定综合取值。

3 基础设计与计算方法

3.1 沉降计算方法的选择

本工程经优化后，把灌注桩改为高强预应力管桩，桩承载力有所提高且桩长大为缩短，并根据本工程的特点，最后决定采用简易理论法的计算结果，然后由该沉降计算结果结合文克勒公式确定不同区域桩顶群桩刚度，进行变刚度群桩的共同作用分析。

3.2 变刚度桩的确定

对本工程进行优化分析对比，改用Φ600mm预应力管桩。有 3 种桩长：31 层的 1号楼和 33 层的 2号楼均选择第⑨层土(ps=7.61 MPa)作为桩基持力层，因该层土为中密粉砂，土层较为平坦稳定，可以获得较高单桩承载力，桩长22 m，单桩承载力特征值为 2 700 kN，且其下卧层以中等压缩性土为主，能有效控制塔楼的沉降量；18 层的 3号楼选择选择第⑦层土(ps=10.99 MPa)粉砂夹粉土作为桩基持力层，桩长 10 m，单桩承载力特征值为 1 700 kN；裙房及地下室则选择第⑧层土(ps=2.87MPa)为桩基持力层，桩长 12 m，因该层粉质黏土为流塑状态，属高中压缩性土层，有意识地设计把桩穿透第⑦层土(10.99 MPa)粉砂夹粉土到达第⑧层土(ps=2.87 MPa)，增加地下室及裙房的沉降量，从而降低桩刚度，调节裙房与主楼的差异沉降，使底板受力较为均匀。单桩的抗压承载力特征值为 1 500 kN，抗拔承载力特征值为 800 kN。

4 基础设计和计算过程

4.1 桩基设计和计算

以 1号楼为例说明。1号楼±0.000 相当于 1985 年国家黄海高程 4.800 m。桩型为先张法预应力混凝土管桩 PHCAB 600(130)-22 b，总桩数为 219 根。本工程有 2 层地下室，地下室底板顶面绝对标高为–4.300 m，底板厚为 1.2 m。桩基承载力验算时，地下水位按绝对标高 2.500 m（低水位）考虑，桩基沉降验算时，地下水位按绝对标高 3.500 m（高水位）考虑；由于本工程为大底板，1号楼底板面积可按 1 100 m2考虑，地下室净内空面积按 1 000 m2考虑(计算浮力)。

4.1.1 单桩承载力特征值确定

根据国家标准 10 G 409《预应力混凝土管桩》，管桩 PHC-AB 600(130)-22 b 确定单桩竖向承载力特征值Ra=3 550 kN。

根据 GB 50007—2002《建筑地基基础设计规范》，容易按地基土对桩的支承力确定单桩竖向承载力特征值（计算过程略）。最后，单桩竖向承载力特征值Ra= 2 700 kN。

4.1.2 桩基竖向承载力验算

桩顶荷载标准组合值：

Fk＝1.0 恒载+1.0 活载＝605 095 kN（含底层活荷载及隔墙）；

式中：A底板――底板面积/m2；

A地下室――地下室面积/m2；

H底板――底板高/m；

H水――水浮力水头高度/m。

则荷载标准组合下的单桩顶反力为：

故桩基竖向承载力满足设计要求。

4.1.3 桩基偏心校核

对桩基偏心进行校核，x方向桩的偏心率∣△x∣/80=0.20%，y方向桩的偏心率∣△y∣/14=0.65%，均远小于规范规定 1% 。

4.1.4 桩基偏心竖向力验算

根据荷载资料及计算信息，对 4 组荷载组合进行偏心荷载验算。在验算时，对 4 组荷载组合情况均按 GB 50007—2002 中的公式进行验算：

（1）组合 1。x方向地震起主导作用时：

（2）组合 2。y方向地震起主导作用时

（3）组合 3。x方向风荷载时：

（4）组合 4。y方向风荷载时：

故桩基偏心竖向力验算满足要求。

4.1.5 桩基沉降计算

本工程沉降根据简易理论法进行计算。该法的基本原理就是计算桩尖附加应力(P/A)时，上部荷载F及基础自重G需要扣除实体深基础周边土体的抗剪能力T，再按分层总和法进行计算。

该方法对桩筏基础的受力机理及其变化规律分析较为合理，通过大量工程反演分析，其结果与实测沉降量较为接近，且一般略大于实测沉降量。地下水位按绝对标高 3.500 m（高水位）考虑。由于 1号楼基础与整个建筑基础为联体大底盘基础，因此，无法分开，按照底层形状假定基础的长宽分别为 80m与 14 m。具体计算如下。

（1）计算土重应力见表 2。

表2 各层层底的自重应力

(2)计算总抵抗剪力T：

(3)计算外力P：

考虑到周边裙房底板浮力的作用，宜按第 1 种模式P≤T计算，即复合地基模式计算桩筏基础的最终沉降，群桩桩长范围外的周围土体同时抵抗外荷载的能力，桩的插入是对桩长范围内土体的加固，与筏基下的土体一起形成复合地基。

(4)计算作用在筏基底面的附加应力：

(5)最终沉降量计算：

式中Sp―桩的压缩量/mm；

Ss―桩尖平面下土的压缩量/mm。

采用矩形压应力分布来计算桩的压缩量 (偏于安全)：

P――桩顶荷载/kN；

Lα――桩长/m；

n――桩数；

Ap――桩截面面积/m2；

Ep――桩弹性模量/MPa。

桩尖平面下土的压缩量计算时，压缩层下限取桩尖平面下一倍箱宽，计算深度为 22 m+14 m=36 m。计算结果见表 3。

表3 1号楼 Ss 计算表

故 1号楼最终沉降量：S=Sp+Ss= 7.2 + 82.9 = 90.1 mm，同理，可以计算得出 2号楼最终沉降量：S=Sp+Ss=6.9 + 60.4 = 67.3 mm，同理，可以计算得出 3号楼最终沉降量：S=Sp+Ss= 2.0 + 44.5 = 46.5 mm。

4.2 基础底板的共同作用分析

4.2.1 共同作用的柱子、剪力墙刚度系数对角阵的计算

由上述计算可知，本项目 1号楼、2号楼计算沉降值均＞50 mm，按照通常的结构概念，需要进行差异沉降分析，以及考虑差异沉降对基础结构产生的局部附加弯矩。因此，考虑结构物的刚度的共同作用在本项目中显得尤为重要。

本项目按照简易共同作用理论考虑上部结构刚度，如柱子刚度参见图 1(a)，如剪力墙刚度(深梁)，参见图 1(b)，直接将柱、梁的单元刚度矩阵数值与底板的刚度矩阵相应的对角元进行叠加。

图1 柱子和剪力墙刚度计算图

4.2.2 地基基础共同作用整体计算

变刚度桩及刚度凝聚共同作用的整体计算是采用总方程式（12）：

Ra――桩承载力特征值/kN；

S――沉降/m。

根据前面计算 1号楼、2号楼和 3号楼的沉降及桩顶承载力特征值，应用式（7）可容易求得桩顶刚度分布为：

1号楼桩刚度：k= 2 700/0.090 1=30 000 kN/m；

2号楼桩刚度：k= 2 700/0.067 3=40 000 kN/m；

3号楼桩刚度：k= 1 700/0.046 5=37 000 kN/m。

裙房及地下室的桩刚度，由于桩存在抗压及抗拔工况，靠近主楼的抗拔桩实际工作状态为抗压，而抗拔桩本身的抗拔变形刚度较难计算，但从概念判断，在裙房及纯地下室计算变形比主楼要小，为–2～35 mm，35mm发生在靠近主楼处，故桩刚度反而要大些，经试算取k=45 000 kN/m。

在本工程的具体计算中，采用以下计算调整方式。

(1)首先按照桩、柱冲切试确定底板的厚度。灌注桩改为高强预应力管桩后，承载力提高及采用较小桩距，使桩均布于柱子及剪力墙之下，底板厚度按冲切计算后，底板厚度分别为：裙房地下室 0.6 m，3号楼 0.90 m，1号楼和 2号楼 1.20 m。

(2)主楼按照上部结构荷载布置桩位。此时，需要考虑浮力，然后，采用多种刚度桩上的弹性地基板计算底板内力。对于桩顶变形大且板底负弯矩大的地方，增加桩数，即增大此处的刚度，反之, 减少桩数，即把荷载结合变形进行基础调平试布桩。

(3)根据新的布置桩位重新计算，反复调平数次，以降低底板的弯曲内力。

(4)根据新的桩顶反力重新验算底板的抗冲切，以确定最终设计厚度。

同时，采用以下方式进行变刚度调平概念设计：

(1)按照强化主体(核心筒及剪力墙)弱化裙房的原则设计。对主体采用长桩，对裙房及地下室则采用短桩、疏桩。在本工程中，采用 3 种桩型：裙房和纯地下室的桩长为 12 m，主楼桩长为 22m和 10 m。应予指出，裙房桩特别加长2 m，使桩穿透硬层而达到软弱层，作为桩的持力层，以减小桩的刚度；而主楼桩的刚度是通过在变形大的地方增大桩长及增加桩数量，以增强桩的刚度。

(2)主楼与裙房交接处的主楼、裙房桩均有意少布桩，尤其是裙房靠主楼第 1 排柱处，少布桩(一般比按荷载布桩少 1 根桩)，能产生“拖带”下沉，使主楼、裙房的差异变形能“传递”得更远，减少变形曲率以减少弯矩；同时，主楼与裙房交接处，相邻一跨的底板采用渐变断面的方式。

(3)为增加安全度，在主楼与裙房交接的第 2 跨，设置沉降后浇带，但在计算中对差异变形的减少未予以考虑，作为安全储备。

[Kr]――基础底板的刚度矩阵，用明德林中厚板理论进行―计算；

[Kb]――上部结构的刚度矩阵，按上述方法求得；

｛δ｝，｛P｝―位移和荷载列向量，由上部结构设计单位提供。

本工程采用等参板元计算底板内力。桩基上的筏板计算基于弹性地基上的中厚板理论，桩的竖向刚度可取为桩荷载特征值除以桩基沉降。本工程沉降变形比较小，压缩层有限，因此，采用的是变刚度桩下面的一次刚度计算，按式（13）计算桩的刚度：