天然地基在高层框筒结构中的应用

丁小伟

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

随着经济和社会的快速发展，高层建筑数量日益增多，其中地基基础方案的选择是关键环节，其设计合理与否，关系到建筑物的安全使用、施工工期和工程造价。高层建筑上部荷载大，一般天然地基的承载力不能满足要求，或沉降变形过大，所以高层建筑的地基基础方案采用桩基和复合地基较多[1]，西安地区黄土层厚度较大，地基承载力相对较低，直接利用天然土层作为高层建筑地基的案例较少[2，3]，而在北郊渭河阶地某些区域，地表以下20m左右存在较厚的密实砂层，工程地质条件良好，该类场地多采用桩基础或CFG桩复合地基，以砂层为主要持力层。但在砂层中灌注桩施工时易发生塌孔，采用泥浆护壁会降低桩身侧摩阻力，增加成本和工期并造成现场污染；当采用CFG桩复合地基时，易发生窜孔、缩颈、断桩等问题，桩身质量不易保证有风险；预应力管桩也很难压入砂层[4]。根据有关资料，天然地基基础的造价仅为桩基的17%～67%，目前工业发达国家天然地基的应用较为广泛，日本的超高层建筑采用天然地基基础方案的占总基础形式的57%[1]。因此，若能结合场地地层分布特征，发挥砂层的承载潜力将其用做天然地基，将大幅降低造价、缩短工期、节约能源、减少污染[5]。本文结合具体工程，经过地基计算分析、现场静载试验，针对框筒结构地基反力不均匀的特点，采取适当加厚基础筏板，合理划分沉降后浇带，调整配筋方式等工程措施，并对实际沉降观测数据与计算沉降值的分析对比，为高层框筒结构以细砂层作为天然地基提供了成功的经验。

1 工程概况及工程地质概况

1.1 工程概况

该工程建筑面积5.4万m2，地上24层，地下3层，建筑檐口高度99.9m，主楼地下室的西侧外墙相邻道路，其余三侧与地下车库相通，主楼采用框架核心筒结构，基础为平板式筏板，埋深为-14.60m，裙房车库采用独立基础加防水板方案，抗浮设计水位-11.45m。标准组合作用下筏板底面平均压力值为510kPa。抗震设防烈度为8度；基本地震加速度值为0.2g；地震分组为第一组。场地特征周期值为0.35s；场地类别为Ⅱ类。

原设计为两层地下室，基础底面埋于承载力较低的③黄土中，在结构方案讨论时，如改为三层地下室，将主楼以外的人防地下室移至增加的地下三层，基础底面埋于承载力较高的④细砂层中，这样既存在采用天然地基的可能性，又利用了增加的建筑空间，从经济性和施工便捷性考虑都是最优方案。经过设计比较，确定将主楼改为三层地下室，其中地下二、三层为人防设施，平时为汽车库，地下一层为车库及设备用房，如图1所示。

图1 建筑剖面图 (mm)

1.2 场地工程地质概况

场地地貌单元属渭河一级阶地，地下水稳定水位埋深为14.50～15.70m，属潜水类型。场地内未发现其他不良地质作用及地质灾害，场地稳定，适宜建筑。场地土层自上而下为：①填土，主要由素填土和杂填土组成；②黄土，黄褐色，局部具湿陷性，属中等压缩性土；③黄土，黄褐色，不具湿陷性，属中等压缩性土，地基承载力特征值为180kPa；④细砂，褐黄色～灰黄色，密实，湿～饱和，颗粒矿物成分以石英、长石为主，可见云母，实测标贯锤击数平均值N=28击，层厚1.80～4.20m，地基承载力特征值为220kPa；⑤中粗砂，褐黄色～灰黄色，中密～密实，湿～饱和，实测标贯锤击数平均值N=50击，层厚6.60～11.10m，地基承载力特征值为280kPa；⑥粉质粘土，黄褐～浅灰色，可塑，饱和，属中压缩性土，层厚1.790～5.0m，地基承载力特征值为150kPa；⑦中砂，浅灰～灰色，密实，饱和，实测标准贯入试验锤击数平均值N=69击，层厚5.90～8.40m，地基承载力特征值为250kPa；再往下为⑧中砂、⑨粉质粘土、⑩中砂、中砂。典型地质剖面图如图2所示，各土层压缩模量见表1。

图2 典型地质剖面图(m)

表1 各土层压缩模量表

2 天然地基方案的分析验算

2.1 地基基础方案的比选

该项目参照周边类似建筑物的地基处理方式，可有两种常用方案：方案一采用钢筋混凝土灌注桩，以⑦层中砂为桩端持力层，经初步计算需要∅0.8m，长度25m，共310根桩，造价650万元，工期60d；方案二采用复合地基，以CFG桩或PHC预应力管桩作为刚性桩，由于管桩施工过程中要压入密实砂层很困难，边桩施工需要空间较大，所以选用CFG桩复合地基，初步计算需要∅0.4m，长度22m，共1200根桩，造价360万元，工期40d。

根据工程实践经验，初步计算分析后提出天然地基方案，充分利用④细砂层的良好工程特性，但该地区百米高层建筑、尤其是框筒结构地基反力不均匀，采用天然地基实例很少，而且细砂层位于地下水位变动范围内，施工过程中需要降水措施，基坑加深后相应的支护难度也会加大。在地基方案选择中发现，按照地勘报告建议的④细砂层承载力特征值220kPa，尚不满足地基压力的要求，设计人员仔细分析持力砂层的特征与密实度，认为该层承载力有潜力可挖，但需要现场原位载荷试验验证，即使不满足也可以采用疏桩补强地基，这样就可以安全可靠地利用天然地基。另外从补偿地基[6]方面考虑，当基础埋深14.6m时，开挖地下室能补偿压力约为238kPa，那么基底有效应力只要大于272kPa即能满足要求[7]，经过综合分析计算，如果④细砂层承载力特征值能够达到280kPa，则满足采用天然地基的要求，所以提出补充现场原位静载荷试验的要求。

天然地基造价15万元，工期3d，显著节约了造价和工期，该方案通过了专家论证会的评审，并形成以下结论：拟建建筑可采用天然地基，基底下铺设300mm厚级配砂石垫层，合理划分沉降后浇带，调整基础筏板形心与上部结构重心的偏心距满足规范要求，基坑开挖时应避免对基底下原状土的扰动。这些措施在后续设计和施工中都得到了落实。

2.2 原位静载试验结论

为了合理确定④细砂层的承载力特征值，更好地模拟实际受力状态，静载试验在开挖至基坑底面后进行，采用堆载法提供反力，反力总重33t，采用直径0.8m，面积0.5m2的圆形承压板，均匀布置了8个试验点，采用慢速维持荷载法，加荷分8级等量进行，每级加载增量为70kPa，在加载至终止压力560kPa时，8个试验点的总沉降量介于11.01～11.73mm，在加载过程中，p-s曲线呈平缓变形，未见明显比例界限，也未出现极限荷载，各试验点均未达到破坏状态，代表性试验点的p-s曲线如图3所示。根据试验结果该层地基承载力特征值不小于280kPa。

图3 荷载-沉降(p-s)曲线

2.3 地基承载力确定

根据使用功能要求基础采用平板式筏基，标准组合下基底平均压力值为pk=500kPa，最大压力pkmax=580kPa，地震作用效应标准组合下，基底平均压力值为p=530kPa，最大压力pmax=680kPa，基础底面未出现零应力区。地基承载力特征值按照下式修正：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)=280+2×

10×(6-3)+3×17×(4.5-0.5)=544kPa

式中，fak=280kPa，ηb=2，ηd=3，γ=10kN/m3，γm=17kN/m3，主楼周围地下三层车库的顶板覆土厚度0.9m，三层楼面做法3×0.1m=0.3m，三层梁、板、柱折算混凝土厚度为3×0.3m=0.9m，基础底板混凝土厚度0.6m，车库基础底与主楼基础底高差为1.4m，以上折算成土层厚度为d=4.5m[8]。

标准组合下：pk

地震作用时：p<ζafa=707kPa，pmax<1.2ζafa=848kPa。

式中，地基抗震承载力调整系数ζa=1.3。

所以④细砂层地基承载力满足设计要求。

2.4 软弱下卧层验算

基底以下约11m深处为⑥粉质粘土层，约2.5m厚，承载力特征值fak=150kPa，根据工程特点，基础筏板尺寸简化为45m×53m(宽×长)，θ=8°，z=11m，pc=231.5kPa，求得pz=246kPa。地下水位以下土层取浮重度时，软弱下卧层顶面以上土的加权平均重度为γ=14.7kN/m3，软弱下卧层顶面处土的自重压力值pcz=382.4kPa。⑥粉质粘土地基承载力特征值按规范修正后faz=740.3kPa。所以pz+pcz=246+382.4=628.4kPa

2.5 地基基础变形验算

本文采用JCCAD软件计算，为了能较为真实的模拟实际受力状态，电算时考虑上部结构对筏板的贡献[9]，单元沉降选用完全柔性算法[10]，按照分层总和法计算，沉降计算经验系数ψs=0.2。框筒结构基础筏板的厚度决定其抗剪承载力和筏板刚性两个主要因素，刚度对调节沉降差至关重要[11]，同时有关研究结果表明，增大板厚会使筏板弯矩增加，因而，并非筏板厚度越大越安全[12]。因此，在满足冲切、构造和刚度条件下，选用合适的筏板厚度是设计重点，该工程设计中分别对板厚1.5m、2.0m、2.5m进行试算，分析筏板内力和沉降变化，结果显示三者筏板变形曲线均呈锅底形弯曲，随着筏板厚度的增加，内筒和外框之间的沉降差减小。1.5m厚筏板在外框柱处冲切验算不满足，需要局部加柱墩，施工麻烦；2.5m厚筏板虽然沉降更均匀，但混凝土量和配筋都明显增加，造成不必要的浪费；最终选择而2.0m厚筏板，冲切验算满足，筏板配筋率约0.25%，电算结果核心筒的沉降量为21.6～30.5mm，周边框架的沉降量为6.8～18.81mm，内筒和外框之间的差异沉降量为(0.0008～0.0012)L(L为内筒与外框之间的距离)，满足《建筑地基基础设计规范》[13]允许值0.0025的要求。基础沉降电算值如图4所示。

图4 基础沉降电算值(mm)

3 调整基础筏板形心与建筑物重心基本重合

该工程为高层框筒结构，内筒和外框柱之间存在较大的荷载和刚度差异，地基反力不均匀[14]。为了避免建筑倾斜变形，在设计时适当加大筏板厚度，以增加基础刚度减小沉降差异；调整筏板基础边缘外挑宽度尺寸[15]，但是要注意基础底板悬挑长度的长短会对地基反力分布规律产生较大影响。采用JCCAD程序“重心校核”项进行验算，使建筑物重心和筏板基础平面的形心基本重合，满足《建筑地基基础设计规范》的规定；根据计算结果划分主楼筏板和裙房基础之间的沉降后浇带，并在主楼结构封顶且沉降基本稳定后再封闭[16]。

4 沉降观测与基础筏板的变形特征

为了验证地基变形布置了15个沉降观测点，在主体施工至地面以上时开始进行沉降观测，至2016年10月封顶时共计观测了24次，封顶后两年至2018年10月观测了7次，最后一期(208d)观测的平均沉降速率为0.013mm/d，满足《建筑变形测量规范》[17]规定的0.01～0.04mm/d，已达到稳定状态。结构封顶后两年的沉降如图5所示(图5中括号内数字为点号)，各阶段最大、最小、平均沉降量及沉降速率见表2。通过实际沉降观测数据与计算沉降值的对比分析，发现在基础筏板的厚跨比不大于1/6[18]时，两者变形曲线基本一致，均呈锅底形弯曲，下部受拉，上部受压[19]。但由于软件计算采用完全柔性算法，不考虑基础刚度的影响，导致电算结果呈深锅底形，而实际观测结果内筒和外框差异沉降不大，筏板变形平缓、呈浅锅底形，说明最大变形差与筏板刚度有关[5]。两者的筏板变形曲线如图6所示。

图5 结构封顶后2年的沉降测量值(mm)

表2 沉降观测变化汇总

图6 筏板变形曲线示意图

5 结 语

该工程地基设计方案比选时，确定了以细砂层作为天然地基的可能性，并采用现场原位载荷试验验证结果。最后通过实际沉降观测数据与计算沉降值的对比分析，发现两者的结果基本吻合，基础筏板变形均呈锅底形弯曲，但由于电算未考虑基础刚度，结果呈深锅底形，而实际观测结果呈浅锅底形，说明筏板刚度对内筒和外框之间的差异沉降量影响较大。该工程是百米框筒结构采用天然地基的成功案例，对类似场地上的建筑物地基设计有参考借鉴价值，也为该地区地基基础设计优化积累了经验，说明在满足结构安全的前提下，挖掘地基承载潜力，合理使用天然地基，能减少工程造价，缩短建设工期，具有显著的经济效益和社会效益。