PLAXIS超高层桩筏基础设计与分析——以北京丽泽商务区某建筑为例

■ 北京市建筑设计研究院有限公司 王媛

■ 北京市建筑设计研究院有限公司 王媛

该项目紧邻地铁14号线及16号线的丽泽商务区站，基础持力层为第四纪厚层卵石层，考虑到地铁联络线对工后沉降的要求，采用桩筏基础形式；基桩综合分析不同桩长、不同持力层的单桩承载变形性状，最终确定采用“短桩”“不入岩”方案；选择第四纪卵石层作为桩端持力层，避开第三系不利影响，充分发挥砂卵石层桩侧摩阻力。该项目作为丽泽商务区内“短桩”桩基方案的典型超高层案例，现场试验桩及工程检验桩数据分析以及基础沉降观测数据为此区域工程研究积累了重要资料。

1. 建筑与结构概况

该项目工程主体为办公楼，其结构高度191.5m，地上45层，地下4层，±0.00=44.60m，板底标高-22.7m（相对标高），基底持力层为⑤层卵石土，主楼由两个反对称复杂双塔用跨度9m～38m弧形钢连廊连接组成，纯地下室部分采用钢筋混凝土框架——剪力墙体系。该工程通高的中庭被称为目前世界最高中庭，双塔荷载集中且超大，双塔与中庭荷载差异显著。该工程有地铁联络线隧道自西北向东南贯穿整个地下室的3、4层（图1），地铁联络线对该工程工后沉降有严格要求。综合考虑场地地质条件、复杂的结构荷载受力情况、施工的可行性以及基桩承载形状及试验桩数据，进行桩基设计。

图1 该工程与周边地铁工程相对位置关系平面示意图

2. 岩土工程条件

2.1 工程地质条件

拟建场地地面标高为43m～45m左右，位于古漯水河故道范围内，场区的第四系覆盖层厚度为40m左右。根据现场勘探、原位测试及室内岩、土实验成果，按地层沉积年代、成因类型，将最大深度70m范围内的地层划分为人工堆积层、新进沉积层、第四纪沉积层及第三纪岩层四大类，地面以下至第三系基岩顶板之间的土层岩性以厚层的卵砾石为主，局部夹有薄层的粘性土、粉土和砂土层。按地层岩性及其物理力学数据指标，进一步划分为8个大层及亚层。其中，第三系沉积岩层中⑦全风化～强风化粘土岩层，勘察报告中定义为极软岩，胶结差～中等，成岩性差。

2.2 水文地质条件

根据区域水文地质资料，工程场区自然地面下40m深度范围内的揭露1层地下水，地下水类型为潜水。潜水主要赋存于标高25.55m～26.33m以下的砂、卵石层（相应于工程地质剖面图中的⑤层）。工程场地地下水赋存于较厚层的卵砾石地层中，为单一含水层中赋存的潜水。用于该工程的建筑抗浮设防水位按标高39m考虑。

3. 地基基础工程问题分析

3.1 天然地基VS桩筏基础

该项目施工之前，周边项目已采用天然地基，且沉降稳定。在确定该项目地基基础时，除参考周边其他项目外，还需要仔细比对该项目的特有结构特点以及周边设施，包括以下内容：一是该项目与周边多条地铁线相邻，且有地铁联络线隧道贯穿建筑物地下室3、4层（联络线限定要求工后沉降不超过±5mm）；二是在不考虑核心筒基础底板范围外扩影响情况下，南塔核心筒基底压力高达1952.5kPa，北塔核心筒基底压力高达1978.5kPa（已考虑底板自重，未考虑水浮力），远大于修正后的地基承载力特征值。综合考虑，该项目采用桩筏基础控制沉降变形更为合理。

3.2 桩端是否入岩

该项目基础底板以下有将近20m厚度的密实卵石层，卵石岩层下为易受扰动的第三纪岩层，桩端持力层的选取对单桩承载力、工期进度及成本控制有较大影响，需慎重选择。

丽泽商务区超高层G、M项目于该项目之前完成涉及施工，其中，G项目主塔楼高度360m，地上81层，地下5层，基础埋深30.2m，采用桩筏基础，桩径1m，桩长34m，桩端持力层第三纪岩层，单桩承载力特征值取16000kN；M项目建筑物高度为99.95m，地上24层，地下4层地下室，埋深约19.6m，采用桩筏基础，桩径1m，桩长20m，桩端持力层第三纪岩层，单桩承载力特征值取7200kN。两个项目均选择第三纪岩层作为桩端持力层，桩身穿过卵石、泥岩、砂岩、砾岩。

图2为G工程桩桩侧阻力实测值，G工程基桩深度10m～34m范围内，桩身正好进入第三纪黏土岩层，桩侧阻力骤减且桩侧阻力值都小于第四纪卵石层的桩侧阻力值。通过分析，G工程试验桩施工时对第三纪岩层的扰动较大，虽然桩长加长，但是单桩承载力特征值并没有很有效的提高。

图2 桩侧摩阻力实测值（G）

图3为M项目的Q-s曲线，M工程的试验桩桩端进入第三纪岩层，桩基施工，第三纪岩层遇水被扰动，孔底支承刚度较低，单桩承载力特征值只能取到7200kN。

图3 抗压试验桩竖向静载试验Q-s曲线图(M)

北京平原区第三纪末期的古地形，为第四纪沉积创造了基底条件。泽商务区第四纪以下分布着“似岩非岩，似土非土”的性状，环境影响的全风化～ 强风化黏土岩层，此岩层属极软岩，胶结差～ 中等，成岩性差，且第三纪岩层的独特特性和成桩工艺无法保证承载力和变形要求：旋挖钻孔及泥浆护壁工艺中的水进入黏土岩层微裂隙，黏土矿物集合体在与水作用时膨胀应力不均匀分布造成崩裂现象，引起基岩软化，应力释放，从而大大降低桩端极限阻力，且黏土岩层遇水软化后造成桩端较厚的沉渣无法清除干净。同时，卵石粒径偏大，桩长过长，不利于成孔，而第四纪卵石层，密实，饱和，属低压缩性土，且平均层厚大于10m，更适合作为桩端持力层。

综合分析G和M项目以及该项目所在区域的地质条件，暂定该项目第四纪卵石层为桩端持力层，不入岩，还需试验桩检测数据佐证。

4. 单桩承载性状分析

4.1 试验桩设计

该工程试验桩方案为一组抗压试验桩和一组抗拔试验桩，具体如下：（1）抗压试验桩桩径850mm，有效桩长17.0m，桩端持力层为⑥层卵石土，桩身混凝土强度等级C50，单桩试验荷载25000kN，采用桩底及桩侧联合注浆工艺；（2）抗拔试验桩桩径600mm，有效桩长12.0m，桩身混凝土强度等级C35，单桩试验荷载3000kN，采用桩侧注浆工艺；（3）两组试验桩，采用锚桩法加载，共6根试验桩，8根锚桩。

4.2 试验桩检测数据分析

竖向试验荷载加载到25000kN且稳定后，试验桩最大竖向沉降为14.90mm；设计工作荷载下，即单桩承载力特征值取10000kN，对应的沉降最大5.34mm；表明在设计工作荷载下试验桩是安全可靠的。

大直径超长灌注桩所承受的竖向荷载克服桩侧摩阻力向下传递，桩身轴力随埋深增加而减少，且减少幅度受桩周土层性状影响。采用振弦式传感器测试桩身轴力，设计工作荷载10000kN下桩端阻力占总荷载比例18%，竖向试验荷载25000kN下桩端阻力占总荷载比例20%。

图4为试验桩TP1桩侧摩阻力实测值与勘察报告取值对比图，根据受力情况，该项目工程桩为摩擦端承桩，呈现桩中间摩阻力相对较大趋势，最大单位摩阻力介于1280kPa～1440kPa，位置距桩端4m～6m，处于⑥卵石层。试验桩TP1在桩顶以下10m～17m范围内，桩侧阻力比勘察报告值大很多，经分析，与桩侧桩端联合注浆、桩端持力层为卵石层、桩长较短都有一定的关系。

图4 桩侧摩阻力实测值与勘察报告取值对比

从图5桩侧摩阻力分布曲线可以看出，随着竖向荷载增大，⑥卵石层侧摩阻力逐步被激发，侧摩阻力分布曲线峰值呈逐渐增大趋势并且展开，而桩体上部分桩侧摩阻力逐渐发挥到极致，并出现不同程度软化。

图5 试验桩TP1桩侧摩阻力分布曲线

图6为抗拔试验桩竖向静载试验U—δ曲线，极限荷载3000kN对应的最大位移值为18.23mm，设计工作荷载1200kN对应最大位移值约为4.16mm，表明在设计工作荷载下试验桩是安全可靠的。

图6 抗拔试验桩竖向静载试验U-δ曲线

分析比较G项目、M项目以及该项目试验桩数据说明：桩侧阻力与桩端阻力并非各自独立，而存在着相互影响机制。当桩端持力层选择第三纪岩层，桩端土刚度较差，进而桩侧阻力也无法全部发挥，对桩侧阻力是一种削弱效应；当桩端持力层选择第四纪卵砾岩层，桩端土刚度很高，进而对桩侧阻力也是一种增强效应。因此，选择第四纪卵砾岩层作为桩端持力层的基桩，尽管桩长较短，但单桩承载力特征值比较大，且桩身沉降量较小。这也进一步说明，单桩承载力特征值与桩长在上卵石层与下软岩层的二元结构地层中没有必然联系，需考虑选择良好的桩端持力层，严控桩端虚土、沉渣，或采用桩端后注浆等措施。

最终，确定桩端不入岩，第四纪卵石层作为桩端持力层。

4.3 桩基基础设计方案

该项目主塔楼核心筒和框架柱区域设计荷载都较大，核心筒和框架柱基础刚度都需要强化，因此，采用相同桩型、裙房及纯地下室区域采用柱下及地梁下抗拔桩布置，主群楼之间过渡区，此区域板厚1.9m。该工程桩筏基础基于变调平设计，采用如下形式，桩位平面布置如图7所示。

图7 桩位平面布置示意图

主塔楼采用桩筏基础，筏板板厚3.0m，抗压桩桩型采用后注浆钻孔灌注桩，旋挖成孔灌注桩施工工艺，桩侧、桩端均后注浆，桩径0.85m，有效桩长为16.5m，桩端持力层为⑥层卵石土，单桩竖向承载力特征值暂定为10000kN。核心筒下根据轴网布置，采用3倍桩径的桩间距均匀布桩；框架柱区域，按照框架柱的弧形分布进行弧形布桩，桩间距不小于3倍桩径。

裙房及纯地下车库区域，抗浮设防水位绝对标高为39m，采用压重（素混凝土回填）及抗拔桩方案：素混凝土回填高度为2.05m，素混凝土容重要求：不小于24.0kN/m3；抗拔桩桩径600mm，有效桩长不小于12m，采用桩侧后注浆钻孔灌注桩，旋挖成孔灌注施工工艺，单桩竖向抗拔承载力特征值1200kN。

该工程基础底板不设永久性沉降缝，为保证工程安全，故在主楼周边—主裙楼过渡区域设置了沉降后浇带。沉降后浇带封闭时间有以下要求：沉降后，浇带应在主体结构封顶之后，根据沉降观测成果，并经设计、勘察等相关单位协商同意后再进行封闭。施工期间，应采取有效措施保护留缝不受污染，浇捣前应清洗干净，用强度等级高一等级的微膨混凝土将后浇带封闭。

4.4 工程检验桩数据分析

工程抗压检验桩竖向承载力静载试验结果显示：设计荷载10000kN对应的最大桩顶沉降6.15mm，极限荷载20000kN对应的最大桩顶沉降20.53mm，均满足设计要求。

5. 地基基础沉降变形计算与分析

该工程地基基础设计过程中，为了更为准确地进行沉降分析，运用国际地基基础与岩土工程专业数值分析有限元计算软件Bentley Plaxis 3D积极开展了地基沉降数值计算分析，考虑地基与结构相互作用（Subgrade-Structure Interaction），对该工程天然地基方案总沉降量和差异沉降进行了深入分析。

5.1 计算参数取值及建模

底板设计与结构设计图相同，泊松比取0.2。根据计算模型确定各墙柱下荷载。

5.2 计算结果分析

主塔楼沉降量最大值为40.32mm，主裙楼差异沉降局部为0.12%，略大于规范限值要求（0.1%），通过在主裙楼之间设置沉降后浇带解决；主塔楼核心筒与中庭差异沉降0.06%，主楼筏板挠度值为0.025%，满足规范限值要求。

5.3 沉降观测数据分析

图8为该项目施工过程沉降观测曲线图。2018年4月8日～9月28日，174天内平均沉降速率为0.0073mm/d，远小于测量规范100天内0.01mm/d～0.04mm/d的稳定标准，表明地基变形已进入稳定阶段。

图8 本项目施工过程沉降观测曲线

图9为主体结构封顶274天后沉降观测等值线图，主楼沉降最大观测值38.62mm，沉降数值计算结果与沉降观测两者变形趋势完全吻合，且实测最大沉降值与数值沉降变形计算最大值也几乎吻合，证明本沉降计算分析是合理的。同时，建筑物封顶时，实测最大沉降量为32mm，是沉降稳定是最大值的83%，符合超高层建筑物桩筏地基基础的沉降变形规律，表明桩基设计基于变调平设计里面是合理的。该项目桩筏基础设计及沉降变形结果对于今后北京丽泽商务采用桩筏基础的超高层建筑积累了重要的资料。

图9 沉降观测等势线图（沉降稳定）

6. 结语

该项目由于复杂结构体系、地质条件及周边公共设施，基础选型及基桩承载性状成为该工程设计中的重点之一。经过各方精诚合作，最终采取科学合理的结构措施与桩型设计，确保了工程的安全质量，节约了工期，推动了北京丽泽商务区桩筏基础工程的应用研究。主要结论包括以下几个方面：

一是北京丽泽商务区超高层的基础持力层第四纪卵石层，岩性密实且稳定，当承载力及沉降变形满足规范设计要求，天然地基无论从质量安全还是经济成本方便都是最优选择。但是，如该项目结构形式复杂，双塔核心筒地基基底压力远大于持力层的地基承载力特征值，且地铁联络线贯穿对沉降变形的严格要求，选择桩筏基础就成为从安全质量考虑的较优方案。

二是桩端是否入岩？长桩还是短桩？如该项目需要分析周边已有项目的试验桩数据经验，且必须遵从地勘报告对地层的描述，以及区域地质条件已有研究成果。北京西南区域上覆第四纪卵石层与下覆极易被扰动的第三纪岩层组成了二次元地层，由于第三纪岩层具有膨胀性、崩解且耐久性差、易溶解、易风化、浸水饱和单轴抗压强度低等特点，高层及超高层建筑采用桩筏基础时，其并非理想的桩端持力层，提供的桩端土刚度远小于第四纪卵砾岩层提供的桩端土刚度。因此，选择“短桩”“不入岩”桩基方案，且对于周边类似项目，建议尽量避免桩端持力层进入第三纪岩层。

三是通过进行单桩承载力特征值比对及试验桩设计及数据分析，桩基方案采取后注浆旋挖钻孔施工工艺、桩径850mm、桩长16.5m的基桩参数。而后，工程检验桩检测数据分析佐证了此桩基方案的合理可行性。试验桩检测极其重要，数据分析可以为工程桩设计提供可靠的保证。同时，工程桩的检测反过来也在验证最初基桩承载形状分析的有效性。

四是建筑规模的不断增大，建筑形体与结构体系越来越复杂，对基础变形控制提出了更高的要求——进行更加精细、可信的共同作用分析。岩土数值软件基于变调平分析概念，分析地基—基础—上部结构的共同作用，进而预测建筑物沉降变形。根据分析，该项目沉降变形实测值与计算值完全吻合，且沉降变形计算对基础设计、沉降后浇带设计及封闭也具有科学的指导意义。