某复杂地质区域高层住宅楼基础设计分析

王 康

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361009 )

1 案例工程概况

该工程地处福建省龙岩市，地上部分由6栋33层高层住宅及一栋5层商业建筑组成，地上总建筑面积约为17.1万m2；地下部分为满布整个小区的两层地下室，地下总建筑面积约6.7万m2，其中高层住宅楼为剪力墙结构体系。典型建筑单体剖面图、标准层平面图分如图1～图2所示。本文主要围绕高层住宅楼部分的基础设计进行阐述。

图1 典型建筑单体剖面图

2 基础方案选型

(1)现场工程地质条件：受甲方委托，地质勘查单位对建筑场地进行详细勘察，高层建筑范围主要地质情况如下：

场地内不存在滑坡、泥石流、危岩和崩塌等地质灾害，场地内未发现埋藏的河道、沟滨、防空洞等对地基安全影响较大的不利埋藏物。部分地段发育有土洞、溶洞，地基的稳定性较差。对场地内人工填土、溶洞和土洞进行处理或采用桩基进入稳定地层后，不会发生地基失稳的现象，地基的稳定性可得到保证。采取措施对有关不良地质作用和地质灾害进行处理后，拟建场地地基的稳定性可得到保证。

图2 典型建筑单体标准层平面图

场地较适宜拟建建筑物建设。不良地质分布如图3所示。基础主要受力范围内相关土层参数如表1所示。

基此建议：拟建高层住宅楼采用桩基础或桩筏组合基础型式，桩基型式可考虑采用冲钻孔灌注桩或沉管灌注桩，以含碎石粉质粘土⑥或含角砾粉质粘土⑦底部地层作为桩端持力层。

图3 不良地质平面示意图

表1 主要岩土层地基设计参数建议值表

(2)基础设计方案确定过程

①根据地质勘查报告，针对该工程主楼采用了“静压振动沉管灌注桩”基础型式，单桩承载力特征值取2300kN，并通过审查机构审查。

②关于桩基础方案各方提出的几点疑问：

a)该工程所在场地若采用既定基础方案，施工难度较大，施工工期较长，影响建设方的整体建设规划。

b)主楼筏板、承台下的土层为“卵石层”，是否可以采用浅基方案。

c)若采用浅基方案，相关土层的承载力、变形等指标是否能满足要求。

d)若采用浅基方案，该工程个别主楼单体局部位置存在诸如土洞、溶洞及软弱下卧层等不良地质因素，该如何防范、解决。

③针对以上几点疑问，提出了相关解决方案如下：

a)根据地质勘查单位提供的原始地勘报告及主楼基底的内力情况，基础下方的土层承载力特征值为200～300kPa,且压缩模量较小，无法满足主楼的承载力及变形指标需求。各方讨论后决定：现场选取一定量的点位并委托具有相关资质的单位进行“现场平板载荷试验”，以得到符合实际情况的参数指标。

b)对于局部存在的土洞、溶洞，当其在主楼基础主要受力宽度、深度范围内时，采用压力灌浆进行处理。

c)对于局部存在的软弱下卧层，采用复合地基处理方案解决。

3 基础设计

(1)前期工作

根据现场地质情况，针对性地选取一定数量的点位委托相关单位进行“现场平板载荷试验”，并借鉴相邻建筑工程实际经验，重新对原地质勘查报告进行补充完善，修正相关技术参数。现场平板试验点位如图4所示。

图4 浅层平板试验点位分布示意图

(2)针对地质勘察报告的补充说明

相关单位对现场进行了“平板载荷试验”，得到主楼基础下主要受力范围土层的地基土竖向承载力特征值在500kPa～562.5kPa之间，地基土变形模量在27.3MPa～32.5MPa之间。

相关的试验曲线如图5所示。地质勘察单位根据现场试验的真实情况对该工程基础方案选型进行了补充说明： 将基础底部残留的粉质粘土⑤层清除或处理后，拟建场地天然地基条件较好，适宜采用天然地基基础型式。

图5 平板载荷试验曲线(典型曲线)

(3)基础修改设计及不良地质处理

①依据地质勘查单位提供的相关地基土参数对主楼部分的基础选型进行了调整设计：采用1800mm厚筏板，混凝土强度等级采用C35，利用筏板自身的刚度条件，将基础相对于主楼外边缘出挑3000mm以进一步降低基底反力。根据计算分析，基底反力值在350kPa～450kPa之间，基础沉降变形值在22mm～35mm之间，承载力和变形均符合国家规范[1-4]要求。调整后基础平面如图6所示。

图6 典型建筑单体筏板基础平面布置图

②鉴于主楼临近的纯地下室采用了筏板基础，反力及基础沉降边线均小于主楼部分，构造上在主楼筏板与纯地下室筏板交接处进行配筋加腋处理，以解决该部位的应力突变及沉降差异变化，并沿着主楼周边设置沉降后浇带。加腋构造做法如图7所示。

图7 底板构造加腋简图

③鉴于个别高层单体局部位置基础受力范围内存在软弱下卧层“粉质粘土⑤层”，该软弱下卧层顶面埋深处于基础底面以下2m～4m范围，下卧层厚度在9m～12m之间，现场清除该层的难度较大，必须进行地基处理后方可采用筏板基础设计方案。

a)原设计拟采用CFG桩进行地基处理，现场反应CFG桩身强度难以保证设计要求，经过可行性研究后，最终确定在此位置采用“锤击式(PHC)预应力混凝土管桩PHC400-95-A”进行地基处理，并在桩顶与筏板之间设置受力、变形协调所需的“褥垫层”。

b)地基处理采用的管桩单桩竖向承载力特征值为690kN，复合地基桩采用正方形布桩，桩距3.5倍桩径，处理后复合地基承载力特征值为500kPa。

c)地基处理后单桩竖向承载力特征值及复合地基承载力特征值均需按相关检测要求进行验收。

地基处理平面布置如图8所示。

④鉴于长期使用下建筑基础的安全性、稳定性考虑，确定：对可能影响到主体基础安全的局部位置存在的土洞、溶洞(图9)，需进行严格处理。遵循国家规范、地方标准及当地类似工程已有的实际经验，最终确定采用“压力注浆”方案进行土洞、溶洞密实性填充。

图8 局部复合地基平面布置图

图9 土、溶洞位置分布图

在地勘报告反映的土洞、溶洞位置，采用间距2.5m梅花形布置方案进行注浆，若在注浆过程中发现有新的土洞、溶洞，则按照设计要求继续处理，注浆深度需达到中(微)风化岩层或50m，注浆的相关设计、施工、验收指标均需满足国家规范、地方规程的要求。典型孔压力注浆处理土洞、溶洞布置方案如图10所示。

图10 土、溶洞灌浆引孔方案布置图

4 工程现状

截稿时，该工程已经竣工验收，业主入住率已超过85%。根据现场各阶段观测记录，目前主楼基础沉降变形总量均在15mm以内，且后期阶段性测量基本无明显可测沉降变形。经过各单位的通力协作，在对场地内的不良地质隐患进行有效处理后，高层建筑范围亦采用了浅基方案，既保证了建筑结构的安全性、降低了建设单位的建设成本，又大大缩短了该工程的建设周期，取得了良好的社会效益。

5 结语

(1)当上部建筑楼层较多且荷载较大时，一般地质勘察单位及结构设计人员出于安全角度出发，基础选型时比较倾向于采用各种类型的深基础方案。通过对该工程设计过程的思考，笔者认为：

建筑物(尤其对于高层建筑)的基础型式应根据其所处场地的特定地质条件并结合上部结构的受力特点进行合理的选择及设计，设计时应统筹考虑基础的安全性、经济性、施工工期等元素。

(2)对于高层建筑，若采用地基处理或天然地基方案时，必须进行设计前的天然地基平板载荷试验，以取得符合实际现状的土层数据，可供设计进行精确计算分析；施工过程应严格按照设计意图进行操作，并控制各环节的施工质量，保证设计假定的有效性；在施工完成后应进行所需的各项验收试验，以保证地基处理的可靠性、安全性。

(3)本文出于篇幅限制，未详细叙述各种不同基础方案及地基处理方案的适用范围及经济比较，未详细叙述土洞、溶洞处理的各种方案的使用范围。鉴于不同项目具有不同的自身特征，设计者在实际操作时需依据国家及地方的相关规范、规程，遵循安全、适用、经济、可靠等原则进行设计。