B级高度高层住宅基础选型要点及经济性分析

2021-03-24莫慧珊

广东土木与建筑 2021年3期

关键词：风化承载力条件

莫慧珊

（华南理工大学土木与交通学院广州510641）

0 引言

在实际工程中，由于地质条件的复杂性，其基础设计可采用不同的布置形式。进行合理的基础方案选型，能为项目带来较好的经济效益。

本文结合实际工程案例，对地基基础成本的影响因素展开分析，以为同类工程提供参考。

1 项目案例概况及经济性分析

1.1 项目概况

某项目位于广东省广州市番禺区，开发地块拟建5 栋住宅、1 栋人才公寓、1 栋幼儿园及配套用房若干，其中，3-1#住宅高96.6 m（27 层），3-2#住宅高99.6 m（28 层），3-3#住宅高130.0 m（38 层），3-4#住宅高128.0 m（39层），3-5#住宅高130.0 m（40层），3-6#人才公寓高130.0 m（38 层），幼儿园高15.75 m（3 层），地下室3 层（北侧局部2 层），深度约13.65 m。项目总平面规划布置如图1所示。

1.2 工程地质概况

图1 项目总平面规划布置Fig.1 General Plan and Layout of the Project

根据详细勘察揭露，各岩土层的岩土工程条件如下，①杂填土：松散～稍密，稍湿，地基承载力差，不可直接作为地基基础持力层；②1淤泥质粉质粘土：流塑，地基承载力差，不可直接作为地基基础持力层；②2粉质粘土：可塑，具有一定的地基承载力，可为地基基础提供一定的侧摩阻力；②3砾砂：稍密，局部分布，均匀性差，可为地基基础提供一定的侧摩阻力；③砂质粘性土：硬塑～坚硬，地基承载力较好，可为地基基础提供一定的侧摩阻力；④1、④2全、强风化花岗岩：呈坚硬状，力学性质好，可作为预应力管桩的基础持力层；④3、④4中、微风化花岗岩：呈坚硬状，力学性质好，可作为各类端承桩的基础持力层。

本地块共设详勘钻孔61个，勘察揭露各岩土层层位不稳定，层厚变化较大，部分层位只在个别钻孔中有揭露，综合评定场地的岩土层均匀性差，场地地基为不均匀地基。对浅基础可能产生沉降或差异沉降，对桩基础持力层的选择以及桩长控制不利。

勘察建议拟建的高层建筑物的基础型式可采用预制桩，基础持力层可选用连续完整的全、强风化花岗岩（层号④1、④2）。亦可采用灌注桩，基础持力层可选用连续完整的中、微风化花岗岩（层号④3、④4）。其他辅助设施的基础型式建议采用天然浅基础。

各楼栋勘察钻孔布置及建议基岩承载力特征值取值分布如图2所示。

图2 钻孔布置及勘察建议基岩承载力特征值示意图Fig.2 Suggestion on Drilling Hole Layout and Survey Schematic Diagram of Characteristic Value of Bedrock Bearing Capacity

1.3 B级高度住宅建筑基础方案比选

对本地块130.0 m高度区段的住宅楼、公寓楼（3-3#、3-4#、3-5#、3-6#楼）基础方案进行比选研究，根据详勘结果，拟采用满足承载力计算要求的3 种基础型式进行对比选型，各方案基础平面布置如图3所示。

⑴方案1：灌注桩桩筏基础。桩径φ 1 000 mm，单桩承载力取8 000 kN，持力层为中、微风化花岗岩；桩径φ 1 200 mm，单桩承载力取11 000 kN，持力层为中、微风化花岗岩；筏板厚度为1.8 m。

⑵方案2：灌注桩承台。桩径φ 1 000 mm，混凝土等级C40，单桩承载力取8 000 kN，持力层为中、微风化花岗岩；桩径1 200 mm，混凝土等级C40，单桩承载力取11000kN，持力层为中、微风化花岗岩；桩径φ1400mm，混凝土等级C40，单桩承载力取16 000 kN，持力层为中、微风化花岗岩；防水板厚度为0.6 m。

⑶ 方案3：高强预应力管桩桩筏基础。桩径φ 600 mm，单桩承载力取2 700 kN（最终单桩承载力需按试桩结果确定），持力层为强风化花岗岩，桩长暂定10 m；筏板厚度为1.8 m。

图3 B级高度住宅比选方案基础平面布置简图Fig.3 Schematic Diagram of the Basic Layout of the Selection Scheme of B-level High Structure Residence

对上述3 个方案进行经济性分析对比，成本预算分析结果如表1所示。

2 地基基础成本影响因素分析

2.1 B级高度高层建筑基础设计特点

地基基础设计应满足上部结构承载力以及变形控制要求。

高层建筑基础的埋置深度应满足地基承载力、变形和稳定性要求。在抗震设防区，除岩石地基外，天然地基上的箱型和筏形基础其埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15；桩箱或桩筏基础的埋置深度不宜小于建筑物高度的1/18［1］。位于岩石地基上的高层建筑，可不受以上埋置深度要求限制，但应满足抗滑移稳定性要求。

对B 级高度高层建筑，在地下室埋深满足基础埋置深度要求且地基承载力满足要求时，可采用天然地基上的箱型和筏形基础，其余大部分情况采用桩基础。按照不同的分类方式［2］，桩基分类如表2所示。

表1 成本预算分析Tab.1 Cost Budget Analysis

表2 桩基分类Tab.2 Pile Foundation Classification

2.2 影响基础成本的主要因素

根据基础分类，结合案例分析结果，可将影响基础成本的主要因素归纳为地质条件、主体结构条件、环境条件、施工条件4个方面，其中地质条件为最主要的影响因素。在进行基础方案选型时，应结合影响基础成本的主要因素进行综合抉择评价。

2.3 地质条件因素

2.3.1 岩层埋置深度

岩层埋置深度决定基础深度。当岩层埋深较浅时，基础选型选择天然地基上的浅基础，能获得较好的经济效益。

岩层埋深较深时，采用桩基础，或对承载力不足的上部土层进行地基处理后设计为浅基础。工程桩单桩竖向承载力特征值由桩侧阻力和桩端阻力组合而成，岩层埋置深度决定了桩身长度，从而决定了基础的材料用量。

2.3.2 土层分布条件

岩土层的分布、厚度及物理、土力学指标、地基承载力、压缩（变形）模量、水文地质条件、抗浮设防水位、腐蚀性等，对成桩工艺要求起到决定性作用，根据土层分布条件选择不同的桩基方案，决定了桩基础的综合单价。

2.4 主体结构条件因素

主体结构条件对基础成本的影响，包括上部结构的竖向构件布置方案、上部结构形式、建筑使用功能以及由使用功能决定的柱底轴力大小。

2.5 环境条件因素

包括周边已有及后建建筑或地下室的基础、基坑情况、场地施工道路情况、场地环境情况及环保要求等。

2.6 施工条件因素

包括施工场地限制条件、施工工艺的选择、当地经验及施工能力等因素。

靠近基坑的建筑物，须考虑基础与基坑施工的先后顺序以及基坑支护情况，合理确定基础方案及基础标高，选择经济有效的施工方案。

施工条件具有地域局限性，当地施工经验、施工机械配置、施工能力情况都在一定程度上影响到基础成本。

3 项目案例中影响地基基础成本的因素分析

根据1.3 节对项目案例3 个基础方案的成本预算分析，在理想状况下方案3（预应力管桩筏板基础）在经济上占优势，方案2（灌注桩承台基础）次之。

然而，根据详勘揭露场地岩土层均匀性差，各岩土层层位不稳定，层厚变化较大，结合上述4个因素进行分析，具体体现为：

⑴3-3#、3-6#楼基础下已到全风化或强风化花岗岩，如采用预应力管桩，无法正常沉桩，桩长过短，承载力低；如采用引孔，引孔小于桩径，不一定能正常沉桩，引孔孔径与桩径相等，不能计入侧阻力，需增加桩长。场地地质条件、施工条件决定采用方案2（灌注桩承台基础）经济性占优势；

⑵3-4#、3-5#楼基础下主要为砂质粘性土或全风化花岗岩，强风化花岗岩平均埋深约6 m，最浅埋深仅2 m，存在桩无法下压形成短桩的风险，且根据本项目已施工地块的压桩经验，静压预应力管桩不一定能完全穿过全风化层，预计桩长会更短。所以方案3（预应力管桩筏板基础）虽然经济上占优势，但存在增加引孔而引起的成本增加的风险，如采用方案3，建议提前进行试桩，以进一步判断预应力管桩基础是否合适。如考虑引孔费用后，方案3 不一定比方案2（灌注桩承台基础）占优势，场地地质条件为成本风险性的主要导向。

由案例分析可见，B 级高度超高层项目地基基础成本主要取决于基础选型，而基础选型又有相当的复杂性。由于场地条件的复杂性，同一项目不同楼栋的基础选型亦可能不同，其成本组成成分较为离散，因风险导致的浮动成本较高。

4 影响地基基础成本的特殊地质条件因素

场地地质条件为影响基础成本的最主要因素，当项目选址位于特殊地质条件场地时，地质条件复杂，B级高度高层住宅地基基础建设成本受特殊地质条件影响存在较大的风险性。根据文献［1］要求，复杂地质条件下的建筑物，地基基础设计等级按甲级进行设计，其在勘察、桩基设计、基坑设计要求上更为严格，在设计阶段提高了建设成本。特殊地质条件主要包括岩溶场地、深厚软土场地、深厚湿陷土场地、高边坡场地等。

4.1 岩溶场地

岩溶场地容易发生涌水、地面变形、地基塌陷等事故。岩溶场地基岩面起伏大，在溶洞顶板上部往往分布厚薄不一的软土层。该软土层含水量大，呈软塑～流塑状态，承载力极低。并且岩溶地区多分布大小不一的溶洞，根据溶洞分布深度的不同，可以分为浅层溶洞和深层溶洞，其中浅层溶洞发育较强，多数呈全充填或半充填状态，溶洞有时甚至呈串珠状分布；深层溶洞多为古老溶洞，呈半充填或无充填状态，深层溶洞连通时可形成地下暗河。

针对岩溶地区的基础型式多采用钻（冲）孔灌注桩、人工挖孔桩、预应力管桩等桩基形式，以及CFG桩、夯扩桩复合地基等地基处理形式。钻（冲）孔灌注桩施工速度快，施工过程不受地下水的影响，施工安全，是目前我国岩溶地区应用较多的桩基型式，但由于场地条件的复杂性，在施工过程中常出现卡钻、掉钻、埋钻以及漏浆、塌孔、偏孔等风险，孔底沉渣也难以控制。岩溶场地基础工程建造成本远高于普通场地，且基础成本较难控制［3］。

4.2 深厚软土场地

深厚软土场地主要指基坑开挖深度及基底存在较厚淤泥、淤泥质土的场地。深厚软土场地工程地质条件较差，其特点是孔隙比大、天然含水率高、压缩系数高、强度低，并具有触变性和蠕变性。而且由于深厚软土地基对地震波等震动荷载具有放大效应［4］，因此对地震作用敏感的超高层建筑抗震措施应特别注意。对软土的加固处理是深厚软土场地基础工程建设的重点和难点。该类场地应结合桩基及基坑施工顺序、地质条件、基坑支护条件、工期要求等合理确定基础方案，对成本控制的影响主要在于地基处理工程。

4.3 深厚湿陷土场地

深厚湿陷土场地常见于我国西北部地区。由于黄土具有非饱和土的性质，其对含水率具有较强的敏感性，含水率变化使黄土地基具有湿陷性。湿陷性黄土地基使结构物大幅度沉降、倾斜、开裂，严重影响其使用及安全［5-6］。湿陷性黄土不宜直接作为建筑物基础持力层。

对位于湿陷性黄土场地的建筑物基础，可采取适当的地基处理措施防止或消除地基的湿陷性。对于深厚湿陷土场地的基础设计，一般先确定基础形式，再根据建筑物的重要性及基础对湿陷性土层的处理要求选用合理的地基处理方案。

深厚湿陷土场地应按相关规范及标准采取结构措施及防水措施。基础选型可采用地基处理后的浅基础、复合地基基础或桩基础。地基处理可采用垫层法、强夯法、挤密法、预浸水法等方法［7］。

4.4 高边坡场地

高边坡场地常见于我国香港、重庆、贵州等地区，由于地形起伏较大，建筑物建造于坡地上。其独特的地形特点，使建筑物接地形式有异于常规建筑物，高边坡场地基础嵌固不等高，引起结构刚度分布在水平面及竖向不均匀，并且水平力通过不等高的接地端传至地基，造成结构受力及变形特点与常规结构不同［8-9］，临坡建筑需要采取不同程度的加强措施进行性能化加强，增加其建设成本。

位于边坡坡顶的建筑物，其总体规划方案应因地制宜进行设计，尽量减少对既有边坡的改造。应根据建筑物与边坡的距离、基础方案及构造做法等因素，考虑基础与支护结构相互间的影响。位于高边坡坡底的建筑基础，基础位于滑动面以内的，还应考虑水平推力的影响加强处理［10-11］。

高边坡场地项目受规划地形设计方案影响的建设成本变化较大，应尽量采取符合场地条件，经济合理的总体规划方案。边坡、台地边界需根据边坡条件选择合理的支护方案。