不均匀地基基础设计选型——以福州大学城某高校教学实验楼为例

吴承志

(福建工程学院 福建福州 350001)

0 引言

建筑基础是承担上部结构荷载，并传递到地基中的重要受力构件，是建筑物安全、稳定的重要保证。建筑基础占整个建筑物工程造价约10%～20%，对软弱地质条件下的多层建筑，建筑基础造价占比可能更高。而从施工工期角度来看，建筑基础工程所占的工期约占整个施工工期的20%～30%，有时，由于基础的复杂性，基础施工工期可达30%以上。可见，建筑基础设计的选型不仅涉及建筑结构的安全，也很大程度影响整个工程的造价和工期。因此，在复杂地质条件下，建筑基础的设计选型尤为重要。

基于此，本文以福州大学城某高校教学实验楼为工程案例，详细分析不均匀地基基础选型，为其它工程地基基础选型优化提供参考。

1 案例工程概况

1.1 建筑构物概述

福州大学城某高校教学实验楼位于福州市闽侯县上街镇。建筑占地面积6097.44 m2，总建筑面积26 794.7 m2，其中，地上建筑面积22 903.33 m2，东侧布置一层地下室，建筑面积3909.61 m2，如图1所示。

图1 平面示意图

建筑场地整平标高8.950 m，设计±0.00相当于绝对高程8.95，地下室埋深约5.1 m(高程3.85 m)。教学实验楼主体为5层钢筋混凝土框架结构，局部为4层和1层，如图2所示。

图2 纵剖面示意图

1.2 工程地质条件

场地位于福州冲海积盆地西部，原始地貌属剥蚀残丘地貌单元。覆盖土层主要由全新统至更新统的冲海积相及残积土层组成，下伏燕山晚期侵入的细粒花岗岩，地层结构较为简单。自上而下依次为：①素填土、②粉质粘土、②-1淤泥、③残积粘性土、④全风化花岗岩、⑤土状强风化花岗岩、⑥碎块状强风化花岗岩、⑦中风化花岗岩，如图3所示。

图3 典型地质剖面图

根据地质勘察报告揭示，在②粉质粘土、③残积粘性土、④全风化花岗岩和⑤土状强风化花岗岩层中，存在大量的球状风化核(孤石)，孤石的大小不一、埋深不一，密度差异较大(图4),给桩基选型带来很大困难。而场地西侧则存在1m～13m厚的①素填土和②-1淤泥，无法满足浅基础的地基承载力和变形控制要求(地基土设计参数详见表1)。

表1 地基土设计计算指标

图4 场地整平发现大量孤石

2 基础设计选型分析

根据地质勘察报告，该场地浅层存在软硬不一的淤泥、粉质粘土和残积粘性土，且在粉质粘土、残积粘性土层、全风化花岗岩层和强风化花岗岩层残存大量孤石，给基础选型增加不少难度。为此，进行了多方案分析。比选详况如下。

2.1 浅基础方案

根据建筑物特征，该建筑东侧为5层建筑，且有一层地下室，因此基础底板大部分落在残积粘性土层，采用浅基础具备条件。西侧为1～5层建筑，下部为压缩模量较小的素填土层和淤泥层，无地下室，通过沉降缝断开，基本上可以满足承载力要求。但因五层部分局部落在淤泥层上，使沉降不均匀性风险加大。因此，不宜采用全浅基方案。

2.2 PHC预制桩方案

该方案施工工艺简单、速度快，单桩承载力较高，为挤土桩，会产生挤土效应。拟建建物筑物周边环境相对简单，但钻孔揭示有埋深不一的孤石，且在场地整平过程中已发现大量孤石。对该地质状况，PHC管桩成桩过程极易出现断桩、截桩等现象，成桩困难，影响桩基质量。虽然可以通过成桩过程的补桩方法解决孤石问题，但会造成补桩费用增加和补桩困难。因此，该方案可行性较差。

2.3 冲孔灌注桩方案

该方案可以顺利穿透上覆地基各土层，达到设计要求的碎块状强风化花岗岩层少量挤土作用，但对施工技术要求较高，对泥浆护壁等工艺及桩端清孔要求严格，工期较长。对多层建筑，单桩最大荷载仅6000 kN，最小荷载仅1500 kN的柱网，而且相对造价较高，性价比不高。因此，大量的孤石会造成造价和工期的增加，在技术上虽然可行，但经济性不佳。

2.4 人工挖孔灌注桩基础方案

因局部地段存在淤泥，持力层碎块状强风化花岗岩岩面埋深超过15m，按福建省关于人工挖孔桩相关规定禁止使用。地下室地段开挖后持力层岩面虽未超过15m，但勘察钻孔揭示场地存在孤石，人工成孔也相对较困难。因此，该方案可行性较差。

2.5 冲孔灌注桩+浅基础(片筏基础)方案

该方案结合建筑物结构特点及不均匀地基条件，为充分发挥浅层较硬地层承载力，同时避免桩基穿透孤石的技术难度，将东侧地下室部分采用片筏基础。而西侧因软土和填土较厚，不适合采用浅基础，则选择冲孔灌注桩基础。同时，结合建筑物结构特点，在浅基础、桩基础交界区域，将上部结构断开，设置沉降缝，较好解决两种基础型式的差异沉降问题，减少桩基施工对孤石处理的不确定性问题，并在工期、造价等方面显示其优越性。

通过上述分析，对各方案技术、经济、安全、工期等进行定性、定量计算，汇总于表2，可以明显显示，选择部分冲孔灌注桩+浅基础组合方案，在各方面均表现较优。故，该工程将其作为最后选择方案。

表2 基础选型技术与经济对比

3 基础设计

3.1 地下室区域

该工程G轴至X轴、16轴至48轴范围内下设一层地下室，地下室埋深约5 m(室内正负零标高起算)。地下室底板主要落于层②粉质粘土、③残积粘性土上(参照图3 典型地质剖面图)，局部落于②-1淤泥(仅JK4钻孔揭示，淤泥厚2 m)、⑤土状强风化花岗岩上(仅ZK16钻孔揭示，土状强风化厚1.65 m)。因此，在地下室范围可采用粉质粘土或残积粘性土作为天然地基持力层，筏板底部进入持力层不小于300 mm，荷载较集中的柱子部位采用墩基础加强。在局部淤泥部位，采取挖除2 m左右淤泥，挖入③残积粘性土下300 mm，然后采用级配砂石换填至底板标高。这样，在地下室区域内(建筑平面示意图1中A块阴影区域)，就可以采用天然基础进行设计。

3.2 地下室南侧建筑

该工程A轴至G轴、16轴至48轴范围内(建筑平面示意图1中B块阴影区域)，地质勘察报告未揭示软弱土层，土质状况良好，则采用深埋片筏基础(埋深与地下室底板标高一致)，采用残积粘性土作为天然地基持力层，筏板底部进入持力层不小于300 mm。这样，整个东侧区域土方可以大开挖，施工便捷。

3.3 拟建物西侧采用桩基。

该工程即1轴至16轴范围内(建筑平面示意图1中C块区域)，根据该工程地质勘察报告揭示，存在厚层软弱土②-1淤泥(层厚0 m～4.6 m)，最大厚度达8.5 m，粉质粘土或残积粘性土埋深太深，不适合采用天然浅基。因此，选用⑥碎块状强风化花岗岩或⑦中风化花岗岩作为持力层的冲孔灌注桩基础，桩径800/1000 mm，桩端进入持力层深度为1.0 m，预计桩长10 m～25 m。

3.4 拟建筑物东侧采用冲灌注桩+天然浅基

考虑到拟建筑物东西侧层数一致，荷载大致相当，但西侧采用冲孔灌注桩基础，沉降少；东侧采用天然浅基，沉降大，可能产生不均匀沉降；而且天然浅基中有地下室部位比无地下室部位的整体刚度较大，会产生沉降差。因此，采用不同基础型式的建筑结构之间设置沉降缝、地下室底板设置后浇带等处理措施，则可以有效预防并减少不同基础型式间的沉降差问题。

由于桩基和天然浅基可以分成两个施工段同时施工，大大节约工期。结构安全，经济适中，工期可控。综合考虑了技术、质量、安全、工期、造价等因素后，最终采用冲孔灌注桩+天然浅基方案。

经采用PKPM软件对浅基部分进行沉降计算分析(图5)，该拟建物最大沉降量98 mm，最小沉降量3 mm(中间天井部分)，沉降差95 mm，但从建筑单体分析，沉降差约为40 mm～50 mm，基本满足浅基础沉降差控制标准。

图5 浅基础沉降计算分析结果(单位:mm)

4 实施效果

基础设计确定后，冲孔灌注桩和浅基础同步开始施工。冲孔灌注桩施工实际历时65 d；地下室土方开挖、地下室底板、片筏基础施工实际历时45 d；施工至±0.00(含整个基础分部及地下室)总工期90 d。

桩基施工结束后，经静载检测，均符合规范规定，在极限承载力作用下，沉降量分别为6.66 mm、7.54 mm、8.60 mm和7.43 mm。对浅基础部分进行载荷板试验，在设计荷载作用下，沉降量分别为5.70 mm、8.76 mm和8.50 mm，均满足规范及设计要求。

施工期间至工程结束一年时间，浅基础部分日均沉降最大值0.04 mm，累计最大沉降量4.8 mm，比计算沉降量小得多。桩基部分日均沉降量最大值0.03 mm，累计最大沉降量3.8 mm。浅基础和桩基础沉降量比较接近。实测沉降观测平面图如图6所示，沉降观测曲线如图7所示。

图6 沉降监测点平面示意图

图7 沉降观测曲线

从造价角度分析，冲孔灌注桩因遇孤石处理，约增加 50万元费用，其他造价基本在原来控制范围。

5 结论

福州大学城某实际工程案例表明：对地勘报告的技术参数和建议进行有效分析，综合考虑建筑物的结构特征，结合不均匀地基条件，进行多个基础方案选型比较，提出的经济、合理的筏板+冲孔灌注桩的基础型式，既保证了工程质量，又有效降低了工程成本，缩短工期，取得较好的综合效益。

案例工程因地制宜，选用桩基+天然浅基的组合基础形式，通过沉降缝断开等技术措施，有效地控制了不均匀沉降，说明了采用组合基础形式，只要设计技术措施得当，也是可行。从沉降观测结果来看，浅基和桩基两部分的沉降差并不大，因此对多层建筑不设沉降缝处理，值得探讨。

案例工程浅基础设计，对局部柱下荷载较大区域采用墩基处理，有效地降低了筏板基础的造价，是值得借鉴的方案。

从文中几个方案比较中可以发现，对于富含孤石的地基采用各种桩型技术难度和造价都偏高，尤其对于多层建筑，应优先选择浅基础方案。