某高层建筑地基基础优化设计

张力滨 杨 光

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

建筑的造价对于社会、经济的发展都有着较大的关联，而我国建筑行业蓬勃发展的繁荣表象下，日益增长的房价越来越成为购房人无法承受之重。

高额建筑成本是造成房价居高不下的最重要因素，而高层建筑中，地基基础部分的造价通常占到土建总造价的10%～20%左右，因此选择符合规范要求的造价最低的地基基础方案，将节省大量成本，是如今缓解我国建筑行业尖锐矛盾的重要举措。本课题以实际工程为例，通过对比不同方案的造价预算，选择出最优方案。

1 工程概况

本工程是哈尔滨万达文化旅游城配建住宅群中的一幢，地上建筑层数33层，层高均为3.0 m，室内外高差0.5 m，楼层地下有高为2.0 m的管道夹层及层高4.0 m的地下车库，建筑总面积31 440.51 m2。高层采用剪力墙结构形式，对沉降敏感程度为敏感。

2 地质勘查数据

勘查区位于松花江冲积平原，地势平坦开阔，区内未见滑坡、崩塌、地裂缝等不良地质现象，下覆岩层除了风化裂隙和软弱夹层外，无采空区等地下空洞存在。拟建地抗震设防烈度为7度，建筑场地类别为Ⅱ类，根据GB 50021—2010建筑抗震设计规范按标贯进行液化判定，显示拟建场地不液化，可不考虑液化影响。该场地上部为杂填土、粘性土及砂，中部地基土主要为砂类土，下部分布杂乱无序的地基土层，粘性土和砂类土分布极其混乱。沿桩身地基土土层厚度及其极限侧阻值和极限端阻值见表1。

3 地基基础设计方案比选

3.1 方案选择

若采用浅基础，基地持力层位于③层细砂，其承载力特征值为140 kPa，与设计上部结构作用效应相差甚远，无法满足设计要求。因此必须采用深基础避过软弱土层，或进行地基处理，改变地基承载力。

在综合考虑地层分布情况、各土层性状及本地施工技术条件后，设计人员提出了两种地基基础设计方案。

表1 桩的极限侧阻、端阻标准值

1)CFG桩复合地基方案。CFG桩复合地基应用渐广，施工工艺也愈加成熟，已经是一种较普遍的地基处理技术。其具有桩身粘结强度高、施工工艺简单、工期短、造价低等优点，而且CFG桩不需配筋，桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰，十分符合绿色建筑要求[1]。

2)超流态混凝土灌注桩方案。超流态桩基础承载力高，地基变形小，且不受地下水位限制，所用混凝土流动性强，灌注速度快，成桩质量好，造价相对较低。施工时噪声低，无泥浆排放，对建筑地环境和周围居民影响小[2]。此桩基工艺在建筑地被广泛采用，设计施工经验十分丰富。

3.2 桩筏参数选择

1)CFG桩桩径采用400 mm，桩距设为1 450 mm，布桩方式为正三角形布桩，有效桩长28 m，桩身采用C30素混凝土。工程桩以第⑦层粗砂层为桩端持力层，桩端进入持力层的深度不得小于0.8 m，桩顶上设200 mm厚褥垫层及100 mm厚C15素混凝土垫层，再上则为1 400 mm厚平板式筏板基础。工程共布置CFG桩756根，单桩竖向承载力特征值达1 100 kN，估算复合地基承载力为580 kPa[3]。

2)为提高施工效率，减少施工失误，本工程采用相同灌注桩桩长与桩径，根据地勘结果与上部荷载情况，确定灌注桩以第⑦层粗砂作为桩端持力层，设计桩径为600 mm，有效桩长28 m，桩身采用C30混凝土，工程共布置396根桩。根据地勘资料按经验公式计算[4,5]，灌注桩单桩竖向承载力特征值1 700 kN(“超流态”桩基参数与泥浆护壁桩桩基参数通用)，灌注桩顶为刚接厚度不一的承台。本工程中灌注桩单桩竖向承载力较小，桩数多，承台需要联合归并为大承台，并在承台顶部和底部同时配筋，不像小承台可以直接由防水板配筋深入承台中，大大增加了钢筋用量。

3.3 方案造价分析

两种方案人工费机械费等支出相差不多，因此以用钢量及混凝土量进行造价比较，结果见表2。

从表2可以看出CFG复合地基方案的造价比超流态桩方案节省近47万元，这差距主要是用钢量不同造成的。由于CFG桩不配筋，单筏板基础的用钢量远小于承台加超流态桩。

表2 两种地基基础方案造价比较

4 地基基础方案异地分析比较

通过表2造价比较，我们可以看出大规模归并的灌注桩基承台造价接近了筏板基础，也使这一方案的造价超过了CFG桩方案。如果改变土质特性，使得灌注桩单桩承载力提高，最终达到减少桩量和减小桩基承台的目标，就可以大幅降低灌注桩方案的造价；而CFG桩复合地基加筏板的方案中，筏板不变动，只有CFG桩减少带来的造价降低将远小于灌注桩方案。因此，作者通过设计调整桩所在土层，以砾砂层为持力层，做出表3的土层分布情况，并再次算得适用的地基基础方案。

表3 桩身土层分布设计值

1)CFG桩复合地基方案。CFG桩桩径桩长皆不变，桩距改为1 650 mm，采用正三角形满堂布桩，共布置工程桩577根，其他方案参数不变。由经验公式计算，此时单桩承载力达1 400 kN，估算复合地基承载力为578 kPa。

2)超流态混凝土灌注桩方案。桩径桩长皆不改变，根据地勘资料按经验公式计算，超流态桩单桩竖向承载力特征值达到2 300 kN，工程共布置298根桩。在本方案中桩数大大减少，因此承台没有太多归并情况。

两种方案的用钢量、混凝土量及它们的造价比较见表4。

表4 异地地基基础方案造价比较

由表4可知，灌注桩单桩承载力提高至2 300 kN后，超流态桩方案造价略低于CFG桩复合地基方案。可以看出随着单桩承载力提高，超流态灌注桩的承载力发挥愈加充分，需要桩数减少，承台减小，造价越来越低；反观CFG桩方案，受到CFG桩身承载力限制，单桩承载力1 400 kN就是极限，因此方案造价不会再因地质增强而降低，灌注桩方案会比CFG桩方案节省更多。

5 结语

通过上述地基基础方案分析比较，主要结论如下：

1)土质较差的建筑施工地段，单桩承载力低，布置的桩数多，承台会大规模归并，这种大承台造价与筏板相差不多，而灌注桩造价要远超无需配筋的CFG桩，所以本工程中选择CFG桩复合地基方案经济效益明显，是适合本工程的最优方案。

2)对于天然土层土性较差的地区，受压承载力极高的桩基础无法充分发挥其承载力，会造成极大的浪费，采用桩基础需谨慎。

3)地基基础方案的经济性与所处建筑地的土层分布情况息息相关，因地制宜很重要，并非一种方案便放之四海皆准了，需要设计师结合当地情况具体分析。