某高層建筑的樁基選型及設計

劉欣鑫

(廈門中福元建筑設計研究院 福建廈門 361009)

1 工程概況

本工程位于晉江陳泉路的西側，江濱路的南側。地下兩層;地上有兩棟超高層辦公樓及一棟3層裙樓(圖1)。兩棟辦公樓均為框筒結構，裙樓及純地下室部分為框架結構，裙樓與主樓設雙柱脫開，整體建筑柱網規則，典型柱網尺寸為8.4mx8.4m及9.6mx8.4m。頂板覆土厚度差異區域清晰。建筑抗震設防類別為標準設防類。主樓基礎設計等級為甲級，裙樓及地下室基礎設計等級為乙級。

圖1 工程平面示意圖

2 工程地質概況

擬建場地原始地貌屬海岸平原地貌。場地經回填平整，地勢較平坦，現場地面標高為3.94～5.00m，±0.000相當于黃海標高為6.00m。

場地地質情況自上而下分別為:①雜填土，厚度為1.20～3.20m;②粉質粘土，厚度0.40～3.10m;③淤泥，厚度0.60～5.80m;④粉砂，厚度1.20～7.50m;⑤淤泥質土，厚度2.70～12.60m;⑥粉質粘土，厚度1.30～8.70m;⑦細砂，松散狀，厚度1.00～7.90m;⑧礫砂，厚度1.10～8.60m;?全風化花崗巖，厚度0.60～2.10m;?1強風化花崗巖，巖芯為砂土狀，厚度1.00～2.60m;?2強風化花崗巖，巖芯以砂土狀為主，厚度0.20～8.30m;?3強風化花崗巖，巖芯以碎塊狀為主，厚度0.15～11.10m;?中風化花崗巖，厚度0.30～5.30m;?微風化花崗巖。其中⑧礫砂僅其中一棟主樓范圍內個別鉆孔有分布。地下室底板標高所處的土層為④粉砂層。各主要土層的力學指標見(表1)。

地下水對混凝土結構具有弱腐蝕性，干濕交替作用下和長期浸水作用下對混凝土結構具有微腐蝕性;在干濕交替作用下對混凝土結構中的鋼筋具有中等腐蝕性，在長期浸水作用下地下水對混凝土結構中的鋼筋具有微腐蝕性;地下水對鋼結構具有中等腐蝕性。

3 基礎設計

地勘報告對于基礎選型的分析如下:天然淺基不能滿足擬建物的荷載和變形要求，必須采用樁基。可采用的樁型有:預制樁、沉管灌注樁、沖鉆孔灌注樁。綜合地質條件、建筑物荷重等考慮，主樓建議采用沖、鉆孔灌注樁，以中風化花崗巖?或微風化花崗巖?作持力層。裙樓和純地下室建議采用沖、鉆孔灌注樁，以中風化花崗巖?或微風化花崗巖?作持力層，也可以強風化花崗巖?2或強風化花崗巖?3作持力層。單柱下需15～20根抗拔樁才能滿足抗浮要求。

表1 主要巖土層物理力學指標參數表

沖鉆孔灌注樁施工工期長，孔壁易坍塌，其施工質量與施工工藝和工人的施工水平有很大關系，控制難度較大。預應力混凝土管樁施工速度快、工期短，成樁質量有保證。管樁的經濟性優勢明顯，其費用約為沖鉆孔灌注樁的50%～55%，具體比較詳見(表2)。考慮施工質量、施工工期、工程造價等多種因素，最終選取直徑為0.5m的預應力混凝土管樁作為抗拔樁。

大直徑灌注樁做為抗拔樁使用時為摩擦樁，僅利用其側阻力，因其屬非擠土樁，單位面積的側阻力值比預應力混凝土管樁小，其樁身強度能支持高單樁豎向承載力的優勢得不到有效的發揮，加上其施工費用高，經濟性不占優勢。

3.1 主樓基礎設計

主樓荷載重，場地內有密實狀礫砂層⑧，且厚度不均，最厚達8.6m。沖鉆孔灌注樁以中微風化的巖層作為持力層，單樁豎向受壓承載力大，樁身強度可以得到充分利用。因此主樓基礎采用沖鉆孔灌注樁，樁長約17m，以中風化花崗巖?或微風化花崗巖?作持力層;外圍框架柱下的樁徑為Φ1200、Φ1300，中間核心筒下的樁徑為Φ1100、Φ1200，樁身內均預埋2～3根后注漿管，施工完畢后通過后注漿管往樁底高壓注入預定水灰比的水泥漿。

沖鉆孔灌注樁經過砂層成孔施工過程樁底容易產生沉渣，不但會降低樁基承載力，而且容易出現較大的沉降。成孔成樁后，采用孔底高壓注漿，可有效地處理孔底沉渣，保證樁端與巖體膠接緊密，保證樁的承載力，減小沉降量。

3.2 純地下室及裙樓基礎設計

3.2.1 基樁選型分析比較

地勘報告關于地下水位的描述為:初見水位埋深為0.85～3.63m(標高1.15～3.96m)，混合穩定水位埋深為 0.70～3.50m(標高1.00～3.83m)，近期年最高水位標高為5.00m。

計算地下水對地下室的托浮影響時，設計水位取近期年最高水位標高5.0m。地下室底板底標高為 -4.5m，托浮力為99kN/m2，大于上部豎向荷載，故此范圍內需布置抗拔樁承擔水浮力。地下水位是變化的，當地下水位低，水浮力小于上部結構自重時，抗拔樁就變成了抗壓樁，因此純地下室及裙樓樁基應考慮抗拔及抗壓兩種情況。

采用地勘報告建議的沖、鉆孔灌注樁做抗拔樁，以中風化花崗巖?或微風化花崗巖?作為持力層。樁徑取0.8m，根據鉆孔剖面，樁端進入持力層0.8m，樁長約17m。經初步計算單樁豎向抗拔承載力特征值約為700kN，根據頂板覆土厚度不同，單柱下需5～7根抗拔樁才能滿足抗浮要求。

考慮選取直徑為0.5m的預應力混凝土管樁作為抗拔樁，因為地下水在干濕交替作用下對混凝土結構中的鋼筋具有中等腐蝕性，對鋼結構具有中等腐蝕性，根據福建省工程建設地方標準《先張法預應力混凝土管樁基礎技術規程》(DBJ13-86-2007)的要求，應采用AB型或AB型以上管樁，不應使用有接頭的多節預應力混凝土管樁，因此管樁采用PHC500-125-AB，單節15m定長樁;以細砂⑦作為持力層。經初步計算單樁豎向抗拔承載力特征值約為230kN，根據頂板覆土厚度不同，

表2 不同荷載下單柱下兩種樁型經濟比較

3.2.2 基樁布置

根據經驗參數法按下式估算單樁豎向極限承載力標準值Quk及單樁抗拔極限承力標準值Tuk:

Qsk、Qpk―分別為總極限側阻力標準值和總極限端阻力標準值;

u、ui―樁身周長;

li―樁身第i層土的厚度;

qsik—樁側第i層土的極限側阻力標準值;

qpk―極限端阻力標準值;

Ap―樁端面積

Tuk―基樁抗拔極限承載力標準值;

λi―抗拔系數

按鉆孔剖面土層經計算，Quk=1850kN，Tuk=490kN。單樁豎向抗壓承載力特征值暫取900kN，抗拔承載力特征值暫取230kN。單柱下抗壓需2～4根樁，抗拔需15～20根樁。樁的布置方式直接影響到底板的厚度及配筋。考慮抗浮工況時，樁對底板的抗拔力方向與水浮力方向相反，樁分散布置可以充分抵抗水浮力對底板產生的彎矩，對底板抗浮較為有利，可減小底板配筋，降低工程造價。按滿樘布樁和柱下集中布樁兩種方式計算標準柱網的配筋情況見下(表3)。

表3 不同布樁方式配筋情況

因本工程單柱下所需抗拔樁較多，按樁間距4d(d為管樁樁徑)控制在柱下集中布樁，布樁范圍與滿樘布樁差別不大，因此鋼筋用量與滿樘布樁差別不大，僅略大些。考慮工程造價及方便施工，最后采用滿樘布樁的方式。布樁時首先根據抗浮要求計算出滿樘布樁的樁間距，保證柱帽范圍內至少有四根樁，其余均勻的分布在柱帽外的區域。典型柱網的樁布置(圖2)。

裙樓及純地下室與主樓荷載相差大，且樁端持力層不同，因此在主樓與裙樓及純地下室相鄰處設沉降后澆帶脫開，以減小沉降差異，后澆帶均要求在主體結構封頂且全部填充墻完成后，根據實測沉降值并計算后期沉降差，滿足要求后才可澆筑封閉。

圖2 典型柱網樁布置圖

3.2.3 底板設計

參照以往的工程經驗，底板采用無梁筏板比有梁體系更經濟且方便施工，因此底板采用柱帽無梁筏板，厚度600mm。根據底板沖切驗算的需要，樁帽厚度需900mm，比底板厚300mm，與建筑專業商量后決定采用上柱墩的形式。上柱墩的做法有諸多優勢:一是可增加300mm的覆土壓重減小向上的浮托力;二是建筑可利用300mm的覆土區域設置排水溝，避免結構降板設溝，方便施工;三是上柱墩做法底板底面為統一標高，給施工帶來很大的便利，加快了施工進度，而且有利于保證施工質量。上柱墩的做法見(圖3)。

圖3 上柱墩做法大樣

4 結論

基礎設計是結構設計的重要內容。樁基設計時可根據場地地質條件、結構荷載取值、柱網布置情況、施工工藝等因素選擇樁型，選擇合理的樁型及布樁方式可加快施工速度，提高施工質量，降低工程的基礎造價，節約投資成本。大直徑灌注樁做為抗拔樁使用時，其優勢得不到有效的發揮，經濟性不占優勢。柱帽無梁筏板采用上柱墩的做法經濟合理，方便施工。

[1]JGJ 94—2008，建筑樁基技術規范[S].

[2]GB 50007—2011，建筑地基基礎設計規范[S].

[3]宰金珉.高層建筑基礎分析與設計[M].北京:中國建筑工業出版社.1994.

[4]王建英，余廣洪，程學軍.建筑物抗浮設計中幾個問題的分析[J].建筑技術2005;36(7);544-545.