某超高层采用素混凝土灌注桩应用实例分析

2019-11-06王康

福建建筑 2019年10期

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 工程概况

该工程地处河南省洛阳市新区，本文介绍的单体(下文简称为“西楼”)地上为35层商业及酒店，主体结构高度(计算至主屋面)为165.95m(屋架高度180m)，地下室3层。地上面积约7.7万m2，地下室面积约3.5万m2。

建筑典型平面(图1)，结构布置典型平面(图2)建筑效果图(图3)，剖面图(图4)。该栋建筑基础底面以下地基土层依次为卵石层④、粉质粘土层⑤、卵石层⑥、卵石层⑦，根据地质勘查报告反映，地基土天然地基承载力特征值无法满足上部主楼采用天然地基基础设计方案。

本文主要介绍并分析西楼地基基础设计。

图1 建筑典型平面

图2 结构布置典型平面

2 基础设计方案确认过程

根据建筑条件，可初步判定基础开挖深度约为从现有地面往下17.0m(考虑3层地下室深度及基础承台、筏板厚度)，综合考虑地下室荷载后，塔楼范围每单位平方米的荷载标准值约800kN。

(1)现场工程地质条件：受甲方委托，经地质勘查单位对建筑场地详细勘察，塔楼主体范围主要地质情况如下：

①场地及其附近地段不存在全新活动断裂、湿陷凹地、黄土溶洞、滑坡、崩塌、泥石流、采空区、地面沉降等影响工程稳定的不良地质作用和地质灾害。20m深度范围内不存在地震液化条件，地基土不液化。依据洛阳市该地区相关经验和室内土工试验结果，基底以下土不具湿陷性，场地稳定，适宜建筑。

图3 效果图图4 剖面图

②场地各土层纵横分布均较为均匀，如图5所示；第一次提供的相关土质参数如表1～表3所示。

图5 典型地质剖面

表1 天然地基土承载力特征值表

表2 天然地基土压缩模量表

表3 桩基设计参数

(2)建议：拟建建筑主楼，可采用经素混凝土桩处理后的复合地基筏板基础，也可采用钢桩或钻孔灌注桩的桩筏基础；裙楼和地下室，可采用天然地基独立基础，基础间设置沉降缝，尽可能保证主楼和裙楼间变形协调一致，避免主、裙楼间差异沉降过大。建议设计单位根据准确的上部荷载进行变形计算，确保建筑物强度和变形均满足要求。

(3)塔楼主体各种建议方案及相应的问题

①天然地基基础方案，按照第一次提供的土层参数，卵石层④地基承载力修正后约为：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)

=500+3×10(6-3)+4.4×10(3.5-0.5)

=722kPa

与实际计算的基底反力极为接近。同时，考虑基底以下4m～6m深度分布有软弱下卧层，该下卧层承载力及变形均无法满足设计要求，故未经处理时，不考虑该方案。

②桩基础方案，采用地勘报告建议的桩基方案(钢桩、钻孔灌注桩)。鉴于该工程基础承台之下所揭示深度范围内，基本上全部为卵石层，根据当地施工经验，成桩效率很低，桩基础施工工期预估太长，无法满足项目进度计划，尽量避免采用该方案。

③复合地基基础方案，第一次提供的地勘报告反应的地基以下各土层的承载力及压缩模量指标均较小，使得地基处理所需的刚性桩间距较密、数量较多。地勘资料依据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2002 CFG)[1]复合地基算法预估：采用直径800mm的素混凝土桩，间距2.4m正方形布置，总桩数约630根，一定程度上依然存在上述第②点桩基方案所带来的困难，但可以作为主要思路进行深入探讨。

(4)方案确定前准备

综合考虑安全性、经济性、合理性及项目开发周期等各方面因素，经建设单位协调，地勘单位对现场基础受力宽度、深度范围内的地基土层进行精确的土工试验分析，对地勘资料相关土质的技术参数数据进行如下调整(表4～表6)。

表4 天然地基土承载力特征值表

表5 天然地基土压缩模量表

表6 第⑤层粉质粘土的高压固结试验成果统计表

(5)方案的基本确定

充分利用基底之下各土层的天然承载力，重点考虑对软弱下卧层粉质粘土层⑤进行相应处理，使其达到传力至下部卵石层的目标。

3 主楼基础设计

从变形协调所需刚度出发，兼顾基坑大面积开挖的便利性，塔楼主体范围筏板厚度设置为3.5m，其下地基土层为卵石④(分布于基底以下4～6m范围)，通过地基承载力修正后，该层承载力特征值为：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)

=650+3×10(6-3)+4.4×10(3.5-0.5)

=872kPa

即该层及软弱下卧层之下的深度影响范围之内的地基土层，均能够满足主楼地基基础设计要求。

距离基底4m～6m深度以下存在0.4m～1.6m厚的软弱下卧层粉质粘土层⑤，现主要针对该下卧层进行处理。

(1)设计思路

①鉴于该工程场地软弱层“粉质粘土⑤”厚度较小(0.4m～1.6m)，且分布均匀，从现有地面往下埋深约为22m～24m，该土层形成年代为第四系更新世，距今约300万年～1万年，长期受到上部土体自重(约400ka～500kPa)作用，在附加荷载下的变形量较小、稳定性较好，拟采用素混凝土桩将超出该土层承载力的上部荷载传递到下部坚硬土层，在计算承载力时可不考虑该土层的不利影响，同时复核基础沉降时考虑该土层影响。

地基处理采用“旋挖钻孔灌注桩”，桩身直径为800mm，桩身混凝土强度等级C30，桩长约12m(进入软弱层之下土层深度不少于6m)，单桩承载力特征值2600kN；桩采用四角形布局方式，桩顶与筏板基础底面之间设置300mm厚的褥垫层进行传力及变形协调。地基处理方案布桩平面如图6所示；剖面与土层关系示意如图7所示。

图6 素混凝土桩地基处理布置平面

图7 素混凝土桩地基处理剖面示意

②设计时，将基础承台边线外扩，以达到降低基底承载力的目的；同时，一定程度上减少边缘部位的沉降变形，降低与裙房及地下室基础的沉降差。根据计算分析结果，SATWE标准组合(1.00×恒+1.00×活工况下)，基底荷载总值为2 370 735.33kN，筏板面积约为3372.04m2，单位面积平均附加反力为：

2370375.33/3372.04=702.95kPa

鉴于卵石层④未处理时承载力已能满足要求，此处仅对下卧层⑤承载力进行复核处理。下卧层承载力特征值为300 kPa，筏板底面以上原长期存在的土层厚度约16.9m，其覆土压力约304.2 kPa，故超出下卧层部分的单位面积反力为：

702.95-300-304=98.95 kPa

超出部分总荷载为：

98.95×3372.04=333697.08kN

所需桩数为333 697.08/2600=128根，综合考虑地基土的压缩回弹、考虑桩体布置间距与承台刚度的匹配、以及其它不可控因素，预留1倍左右的安全系数，实际布桩采用矩形布置方案，控制素混凝土桩轴心间距不超过4m，素混凝土桩总根数为237根，计算结果能满足传力需求。根据当地的工程量计算规则，该素混凝土桩部分的综合造价约为：

P=237×12×(3.14×0.4×0.4×350+250)/10 000=85.8万元

即使考虑褥垫层等其它措施，其造价也可控制在100万元左右，经济效果极为显著。经测算，桩基部分施工周期可压缩约60%以上，施工难度大大降低。

③经计算分析，该栋建筑基础沉降计算预估值约25mm～45mm(尚未考虑下卧层地基处理后变形模量的提高)，能满足主体基础对于变形控制要求。

(2)保障措施及验证手段

鉴于该工程所用的地基处理方式不同于现行规范《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2002)的相关内容，需在地基处理后，即刻进行相关检测试验，以取得相应的数据支撑。

①单桩竖向抗压承载力检测：选取3根桩进行试验，典型试验曲线(图8)，均满足要求。

②复合地基承载力特征值检测(浅层平板法)：选取6组试验点，典型试验曲线如图9所示，均满足要求。

③桩身完整性检测(低应变法)：Ⅰ类桩占比98.36%，Ⅱ类桩占比1.64%，满足要求。

图8 单桩竖向抗压静载试验曲线图

图9 复合地基载荷试验曲线图

④合理确定地基处理的基桩桩长，使其穿越软弱土层，有效锚入坚硬土层。

⑤在主楼与裙房、主楼与纯地下室间设置沉降后浇带，以调节二者的沉降差异；同时，在主楼筏板与地下室防水板交接部位进行构造加腋加强。

4 工程现状

截稿时，该工程已经装修完毕，并通过竣工验收，根据沉降观测报告，为期1689d共28次对该栋建筑31个沉降观测点进行连续观测：该楼沉降量最小值为11.90mm，最大值为14.40mm，该楼目前沉降速率为0.01mm/d。依据《建筑变形测量规范》(JGJ 8-2016)[2]及《洛阳市建设委员会关于加强建(构)筑物工程沉降管理工作的通知》洛建〔2006〕327号文件的规定，最后100d沉降速率小于0.01-0.04mm/d作为稳定指标，可认为该楼已经进入稳定阶段(运营阶段待测)。