銅冠廣場超高層樁基選型技術經濟分析

吳水根 上官冀鴻

(同濟大學建筑工程系，上海 200092)

銅冠廣場超高層樁基選型技術經濟分析

吳水根 上官冀鴻*

(同濟大學建筑工程系，上海 200092)

超高層樁基方案是整個結構設計中極為重要的環節。通過對合肥經濟技術開發區中銅冠廣場超高層項目主樓樁基選型技術經濟分析，得出一套樁基設計方法：根據地質報告以及周圍環境條件對地勘單位推薦樁型進行分析研究，結合本工程結構特點進行設計；通過對不同可選樁型就不同樁徑、長度、持力層多維度的綜合分析，得出符合承載力和沉降量要求的技術上可行、經濟上合理的樁基方案。本工程選取了3種長螺旋鉆孔灌注樁和3種人工挖孔樁共6種樁進行技術經濟分析。

超高層， 樁基選型， 設計， 經濟分析

1 工程概況

本項目位于合肥經濟技術開發區，該經濟技術開發區位于合肥市西南，瀕臨中國五大淡水湖之一的巢湖。銅冠廣場工程位于該區的翡翠路東、石門路南(東至寶綸路、南至大唐電力、西至翡翠路、北至石門路)，建設用地總面積約為3.49 hm2。基地范圍內呈北高南低，地勢基本平坦，市政設施配套良好且無保留建筑，見圖1。

項目主樓部分由一棟180 m高的塔樓和100 m高的“L”形辦公樓組成，塔樓為框架-核心筒結構，地下3層，有局部夾層，主樓35層，裙房5層。裙房屋面標高24 m，大屋面標高146 m，樓冠部分33 m；底部2層層高6 m，標準層層高4 m，兩個設備層層高5 m；主樓建筑外圍長44.4 m，寬44.4 m；第28層標高114 m處，角柱內收。

2 工程地質與上部結構模型

2.1 工程地質

擬建場地屬于第四紀地貌，地勢較為平坦，該地貌形態屬于江淮波狀平原，地面絕對高程在39.51～41.42 m之間。場地范圍內沒有影響場地穩定性的構造破碎帶、滑坡、崩塌、泥石流、采空區、地面沉降、巖溶等不良地質作用，擬建場地可視為較穩定的建筑場地，可進行本工程的建設。

圖1 基地概況

根據鉆探、靜探資料、室內土工試驗結果，本工程場地劃分出6個主要巖層土，主要土層的壓縮模量、地基土承載力標準值見表1。

2.2 上部結構

塔樓為框架-剪力墻結構體系，地下1層，主樓27層，裙房4層，主屋面標高98.5 m，裙房19.5 m。設計參數見表2，整樓模型、第一層平面布置圖見圖2、圖3。

表1 主要土層的壓縮模量、地基土承載力標準值

Table 1 modulus, normal value of bearing capacity of major foundation soil

表2 設計參數

Table 2 Design parameters

圖2 整樓模型

圖3 第一層平面布置圖

3 樁基方案的設計與選型

勘探單位建議的樁型及樁基礎設計參數建議值見表3。

3.1 擬采用的樁基方案

設計過程中考慮到塔樓部分荷載太大， 若采用管樁，要使管樁達到承載力，管樁樁頭需要壓入十幾米的巖層，這對于管樁施工難度太大，所以設計方決定對塔樓選用長螺旋鉆孔灌注樁和人工挖孔樁進行分析計算[1]。

表3 樁型及樁基礎設計參數

Table 3 Design parameters of pile foundations

注：①根據本場地巖芯力學性能檢測報告，場地內中風化紅砂巖巖塊單軸天然抗壓強度平均值為4.60MPa，標準值為4.21MPa； ②抗拔錨桿參數建議參照長螺旋鉆孔灌注樁參數； ③單樁承載力應通過載荷試驗確定。

(1) 長螺旋鉆孔灌注樁選擇3種型號進行試算，地質剖面及沉樁圖如圖4所示。

(2)人工挖孔樁選擇3種型號進行試算，地質剖面及沉樁圖如圖5所示。

長螺旋鉆孔灌注樁及人工挖孔樁單樁承載力特征值見表4。

3.2 樁基方案確定

根據SATWE模型計算結果，內筒最大荷載Nmax=107 541 0.2 kN。

鉆孔灌注樁1號：承載力不能滿足內筒重量，計算需要樁數190，實際最大布樁數121、137如圖6、圖7所示，不滿足。

同理得出鉆孔灌注樁2號、人工挖孔樁1號均不滿足。

長螺旋鉆孔灌注樁3號以及人工挖孔樁2號和3號滿足上述條件，需要進行更詳細的分析。

3.2.1 鉆孔灌注樁方案

鉆孔灌注樁3號：內筒樁數81，外框架柱下樁數40，實際布樁如圖8所示，內筒承載力滿足要求，但由于外排樁離內筒較遠，導致筏板不滿足內筒沖切驗算[2]。

圖5 地質剖面及沉樁圖

表4 單樁承載力

Table 4 Bearing capacity of single pile

圖6 布樁圖(最大布樁數121)

圖7 布樁圖(最大布樁數137)

為滿足內筒沖切驗算，將鉆孔灌注樁3號嵌巖深度增加4 m，單樁承載力特征值達到 115 00 kN，筏板厚度3 000 mm，梅花形布樁，內筒樁數67，外框架柱下樁數40，實際布樁如圖9所示，滿足要求。

圖8 布樁圖(孔灌注樁3號)

圖9 布樁圖

1)筏板參數

筏板厚度h=3 000 mm；保護層厚度a0=75 mm；截面有效高度h0=2 925 mm；混凝土強度等級C40；最大荷載組合1187 kN；內筒下樁數67；樁反力之和(按樁承載力×1.25計算)=848 125.0 kN。[3]

2)平板基礎的內筒抗沖切驗算

內筒最大荷載Nmax=1075410.2 kN；破壞面平均周長Um=96.900 m；沖切錐體底面積=737.122 m2；沖切力Fl=227285.2 kN,Fl/Um×h0=801.9024 kN<0.7×Bhp×ft/η=862.0648kN。

3)平板基礎的內筒抗剪驗算

內筒外H0處邊長=108.60 m；單位長度剪力Vs=1 753.32 kN/m<0.7×Bhs×ft×H0=2785.1484 kN。

3.2.2 人工挖孔樁方案

同理得出：人工挖孔樁2號內筒樁數49，外框架柱下樁數24，內筒承載力滿足要求，筏板厚度3 m，不滿足內筒沖切驗算;人工挖孔樁3號內筒樁數39，外框架柱下樁數24，實際布樁如圖10所示，筏板厚度3 m，滿足要求。

圖10 人工挖孔樁樁反力圖 (單位：kN)

1)筏板參數

筏板厚度h=3 000 mm；保護層厚度a0=75 mm； 截面有效高度h0=2 925 mm；混凝土強度等級C40；最大荷載組合1 187 kN；內筒下樁數39；樁反力和=121 875 0.0 kN(按樁承載力×1.25計算)；

2)平板基礎的內筒抗沖切驗算

內筒最大荷載Nmax=1 075 410.2 kN；破壞面平均周長Um=96.900 m,沖切錐體底面積=737.122 m2；沖切力Fl=1 433 39.8 kN,Fl/Um×h0=-505.728 0 kN<0.7×Bhp×ft/η=862.064 8kN。

3)平板基礎的內筒抗剪驗算:

內筒外H0處邊長=108.60 m；單位長度剪力Vs=-1319.89 kN/m。

Vs=-1319.8871 kN/m<0.7×Bhs×ft×H0=2 785.148 4 kN。

3.2.3 兩種方案的經濟性對比

鉆孔灌注樁3號樁長增加4m后樁反力圖及沉降圖如圖11、圖12 所示。

圖11 鉆孔灌注樁3號樁沉降圖 (單位：kN)

圖12 鉆孔灌注樁3號樁樁反力圖 (單位：kN)

鉆孔灌注樁樁頂反力在偏心荷載下均小于1.2Ra=13 800 kN;最大沉降值為55.3 mm;最小沉降值為38.6 mm。鉆孔灌注樁最大樁反力和沉降均符合要求。

人工挖孔樁3號樁反力圖及沉降圖如圖13、圖14所示。

人工挖孔樁樁頂反力在偏心荷載下小于1.2Ra=348 00 kN; 最大沉降值為7.21 mm; 最小沉降值為4.35 mm。人工挖孔樁最大樁反力和沉降均符合要求。

圖13 人工挖孔樁3號樁沉降圖 (單位：mm)

圖14 人工挖孔樁3號樁樁反力圖 (單位：kN)

樁基方案總結如表5所示[5]。

表5 樁基方案總結

Table 5 Summary of pile foundation project

根據建設單位所作市場調查，確定人工挖孔樁實際招標價更經濟，且因樁徑大樁長小而易于施工，而長螺旋鉆孔灌注樁需要嵌巖達16 m，施工難度大；決定選用第三種人工挖孔樁并進行底板優化設計。最終采用人工挖孔樁，人工挖孔樁3號方案筏板厚度2 600 mm，挑出寬度2 600 mm，滿足沖切驗算，樁反力圖及沉降圖如圖14、圖15所示。最大沉降值為7.40 mm，最小沉降值為5.40 mm。人工挖孔樁最大樁反力和沉降均符合要求。

4 結 論

本工程樁基設計過程中根據地質報告對持力層進行選擇，加上對上部結構和地下結構的分析，初步確定了長螺旋鉆孔灌注樁和人工挖孔樁兩種樁型，再根據承載能力和沉降量等設計參數的計算確定了兩種樁的尺度即：直徑1.3 m,長度32 m的長螺旋鉆孔灌注樁和直徑1.9 m，擴大頭直徑3.2 m，長度18 m的人工挖孔樁；最后設計單位根據本工程質量、進度、成本目標選定人工挖孔樁為最終樁基方案。

圖15 人工挖孔樁3號樁沉降圖 (單位：mm)

[ 1 ] 賈水鐘,李偉,李亞明.上海地鐵沿線高層建筑的樁基設計探討[J]. 結構工程師,2006,22(5):58-62.

Jia Shuizhong, Li Wei, Li Yaming. Bored pile design for settlement control of high-rise building along subway in Shanghai [J]. Structural Engineers, 2006, 22(5): 58-62.(in Chinese)

[ 2 ] 肖霞林.人工挖孔樁的承載力及施工優勢分析[J].四川建筑,2010,30(6):189.

[ 3 ] 周政.超長鉆孔灌注樁施工及承載試驗研究[D].西安：長安大學,2012.

Zhou Zheng. The super-long bored piles construction and load-kearing fest researoh[D].Xi’an Chang’an University, 2012.(in Chinese)

[ 4 ] 羅健華.高層建筑樁基礎選型分析[J]. 城市建設理論研究,2012(22):1-7.

[ 5 ] 吳水根,連宗揚.某連跨廠房大屋面結構設計的技術經濟分析 [J]. 結構工程師,2012,28(2):13-18.

Wu Shuigen, Lian Zongyang. Technique and economic analysis of structural design for a roof in a continuous span plant[J]. Structural Engineers,2012,28(2):13-18.(in Chinese)

Technical and Economic Analyses in Pile Foundation Selection for the Ultra High-rise Building in the Tongguan Plaza

WU Shuigen SHANGGUAN Jihong*

(Department of Building Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Pile foundation selection is an important task in the ultra high-rise building design. In this paper, technical and economic analyses in pile selection were discussed based on the a project in the Tongguan Plaza, which is located in Hefei Economic and Technological Development Zone. A pile foundation design procedure was proposed: (1) studying the geological report for the pile type recommended by geological exploration units and conducting preliminary design; (2) performing a detailed design to determine optional pile diameter, length, and holding force layer for a technically feasible and economically reasonable pile foundation design. During the Tongguan Plaza project, three kinds of long spiral bored piles and three types of artificial hole digging piles were compared by using the aforementioned method.

high-rise building, pile foundation selection, foundation design, economic analysis

2014-04-22

*聯系作者，Email: 1043604668@qq.com