某车辆段上盖结构基础选型分析

程曦

中铁上海设计院集团有限公司 上海 200070

1 工程概况

本项目为广州某地铁车辆段上盖综合体，除满足地铁停车场功能需求外，将进行上盖物业开发，规划的上盖开发类型包含住宅、幼儿园、中小学等。本文涉及区域上盖开发建筑单体为幼儿园与中学，盖板面积22340m2，建筑高度40m。

工程根据上盖物业开发类型进行基础设计，预留上盖物业开发条件，为全转换框架结构，上盖开发建筑单体并非满布于盖板之上，盖板上布置了绿地区域，以上情况造成柱底荷载分布不均匀。转换区域安全等级一级，其余二级。转换区域重要性系数1.1，其余1.0。建筑结构设计工作年限50年。地基基础设计等级甲级。抗震设防烈度7度（0.10g），设计地震分组第一组，场地类别Ⅲ类，特征周期0.45s。转换区域抗震设防类别为重点设防类，其余为标准设防类。转换区域框支框架、竖向构件抗震等级为特一级，其余为一级。基本风压0.55kN/m2（50年）、0.65kN/m2（100年），地面粗糙度C类。

通过以上工程概况可知，承载力控制和沉降控制为本工程基础设计的关键因素。

2 地质条件

本工程场地范围较平坦，总体地势起伏不大。地面高程为5.74～9.03m ，平均高程为6.90m，为海陆交互相冲积平原地貌。轨顶设计高程8.62m，承台顶标高为6.62m。根据详勘报告，场地内各主要岩土层分为8个大层，各层内有必要的再细分亚层，本次揭露地层从上至下共包括：①填土层（<1-1>杂填土、<1-2>素填土）；②海陆交互相沉积层（<2-1A>、<2-3>）；③冲积-洪积层（<<3-2>、4N-2>）、河湖相沉积层（淤泥<4-2A>、淤泥质土<4-2B>）；④残积土层（<5H-1>、<5H-2>、<5Z-1>、<5Z-2>）；⑤岩石全风化带（<6H>、<6Z>）；⑥岩石强风化带（<7H-A>、<7H-B>、<7Z-A>、<7ZB>）；⑦岩石中等风化带（<8H>、<8Z>）；⑧岩石微风化带（<9Z>）。

其中，由于填土<1>和淤泥<2-1A>、<4-2A>、淤泥质土<4-2B>层为欠固结土，计算桩基承载力时，<2-1A>、<4-2A>、<4-2B>及其以上的土层应按负摩阻力考虑。

3 上部结构布置

盖体上部结构为钢筋混凝土框架结构，该处盖板上盖开发建筑单体为中学与幼儿园，均按盖上6层计算荷载，分散分布于盖板之上。

4 基础方案比选

本项目主体荷载较大且分布不均匀，场地地表浅部主要为填土，填土呈松散状，均匀性差，压缩性大；局部发育淤泥层，承载力不足。浅部地层地基承载力不足，稳定性差，变形大，不宜作为上盖综合体上盖建筑物天然地基。根据设计资料现地面高程低于设计地坪高程，需要进行回填处理，无法采用天然地基方案。本项目选用桩基础可以满足承载力要求，由于桩基础持力层稳定，沉降量不大，可以有效解决不均匀沉降问题。同时本场地为抗震不利地段，存在液化砂土、大厚度欠固结土。因此，对于柱位可以考虑选用桩基础。

本文将采用三种不同类型、不同直径的桩基础方案进行比较，将各方案的经济性作为重要指标得出最终结论。

4.1 钻孔灌注桩成桩可行性分析

钻孔灌注桩的优点是[1]：适用范围广，能穿越地下水位上下的各类复杂地层，能形成较大的单桩承载力，成桩质量较好，适应各种地质条件和不同规模的建筑物的优点。缺点是：造价高，施工速度稍慢，周期长，产生泥浆较多对施工场地环境要求稍高，有噪声等。

本场地内<1>填土层、<2-1A>/<4-2A>淤泥和<4-2B>淤泥质土属于软弱土，工程特性差，为欠固结土，钻（冲）孔桩施工时容易造成缩颈、塌孔等事故；由于场地中地下水位高，并分布有砂层，灌注桩施工成孔过程中也在上述层位易产生塌孔等现象，对钻（冲）孔灌注桩施工造成不利影响，从而影响桩身质量，故应考虑对桩周土体进行适当的处理或加强桩体材料，且宜通长配筋及采用等级较高的泥浆护壁。

4.2 预应力管桩沉桩可行性分析

预应力管桩成本较低，工期短，桩身质量容易得到保证，对地基承载力的利用较高。其施工方式包括打入式预制桩和静压预制桩两种，打入式预制桩施工噪音大，但穿透硬夹层的能力较强，能够有效进入桩尖持力层并保证入土（岩）深度，取得较大的单桩承载力。静压预制桩施工噪音小，单桩承载力较直观，但中小型桩机穿透硬夹层的能力较弱，大型桩机穿透硬夹层的能力较强。

本场地人工填土层呈松散软弱状态，局部夹块石、碎石，土质不均，不利于沉桩；残积土、全风化岩、强风化岩中局部发育有软硬夹层，易造成断桩事故或有效桩长不足，对预应力管桩沉桩有一定的影响，必要时采取引孔措施保证桩长及桩端承载力；其余土层对预制桩（如管桩）基础影响较小[2]。锤击法预制桩一般可穿透全风化（混合）花岗岩；锤击法预制桩一般可打入甚至穿透土状强风化花岗岩<7H-A>/混合花岗岩<7ZA>；静压法预制桩一般可打入甚至穿透全风化花岗岩<6H>/混合花岗岩<6Z>；静压法预制桩一般难以进入土状强风化花岗岩<7H-A>/混合花岗岩<7Z-A>。

4.3 方案描述

4.3.1 方案一。桩基础采用钻孔灌注桩+柱下承台基础，桩径为1200mm，桩型根据桩端持力层的不同分为三种。持力层为<7H-B>强风化花岗岩层或<7Z-B>强风化混合花岗岩层的桩长约70m、<7H-A>强风化花岗岩层或<7Z-A>强风化混合花岗岩层的桩长约70m、<8H>中等风化花岗岩层或<8Z>中等风化混合花岗岩层的桩长约55m。

4.3.2 方案二。桩基础采用预应力管桩+筏板基础，桩径分为600mm、800mm共2种，桩端持力层为<6Z>混合花岗岩全风化层，全区域满布布置，桩长约为20m。

4.3.3 方案三。桩基础采用钻孔灌注桩+柱下承台基础，桩径为1000mm，桩端持力层统一为<7H-A>强风化花岗岩层或<7Z-A>强风化混合花岗岩层，桩长约为55m。

4.4 方案比选

方案一优点：根据不同的地勘孔点与不同的持力层，划分三种桩型进行精细化设计，利于节省桩基造价、更合理地满足承载力与沉降要求。缺点：钻孔经过欠固结土层时易产生塌孔等现象；划分为三种桩型极其考验地勘孔点的准确性，而地勘孔点分布并非一柱一钻，该方案的三种桩型布置并不能完全与实际地质情况准确对应；三种桩型的划分同时也增加了施工难度，拉长了施工周期，提高了施工成本；单桩承载力特征值普遍较大，导致部分柱下桩基满足承载力要求，却因沉降要求加桩，间接导致造价提高与材料浪费。

方案二优点：预应力混凝土管桩强度高、耐打性好，工期短、造价低。因承载力与沉降要求，考虑到柱间距限制不适宜布置大型柱下承台，全区域管桩与筏板满布布置，节省了桩长、利于管桩沉桩、控制了沉降差。因全区域开挖，放坡开挖即可，无须考虑做局部钢板桩支护，节省了土方造价[3]。缺点：因管桩仍需穿过欠固结土层，以混合花岗岩全风化层为桩端持力层，上软下硬，岩层面起伏不平，单桩竖向承载力特征值和终压值容易偏大；因全区域做900厚筏板基础控制沉降满足要求，导致基础部分混凝土量与钢筋量较高，最终总用量高于方案一。

方案三优点：在方案一的基础上进行优化，采用统一桩径1000mm，统一持力层<7H-A>强风化花岗岩层或<7Z-A>强风化混合花岗岩层，桩长较为平均，约为55m，适当降低了单桩承载力特征值并统一，使满足承载力要求的同时也能满足沉降要求，直接减少了桩基础造价；统一桩径降低了施工难度，缩短了施工周期，降低了施工成本。缺点：钻孔经过欠固结土层时易产生塌孔等现象，需采用通长配筋提高桩身质量。

表1 基础方案经济性比选表

5 结束语

综上所述，本文对欠固结土地基某地铁车辆段上盖综合体的实际工程案例进行分析，综合考虑建筑物所处的地质特点、成本造价及施工的难易程度进行基础选型分析。通过承载力及沉降复核，本工程选用钻孔灌注桩及预应力管桩均能满足规范对承载力及沉降的要求，且施工方案均为可行。但由于1200直径钻孔灌注桩地质要求高、成本造价高及施工难度高等缺点，预应力管桩施工难度及造价成本等方面限制，故本项目最终选择1000直径钻孔灌注桩的基础形式。

在欠固结土地基区域，由于基础下某层土承载力低，压缩模量小，厚度较厚且分布不均匀，如采用天然基础，经常面临承载力不足及沉降不满足要求等问题，需采取其他的基础形式。但是，灌注桩施工成孔过程中在欠固结土层易产生塌孔等现象，从而影响桩身质量，故本工程最终考虑加强桩体材料，采用C40P8桩身混凝土，且通长配筋以保证桩身质量满足要求。