深圳地區超高層建筑樁基礎優化設計研究

戴 嘉 琦

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

1 概述

隨著近二十年的改革開放，我國社會經濟高速發展，優勢資源集中促進人口集聚，于是位于沿海等較為發達的地區出現了很多特大型、大中型城市。這些地區的特點是人口密集，資源集中，財富集聚，由此也面臨著土地緊張，活動空間需求較大等大型城市問題，超高層建筑物無疑是一種最佳選擇。

從建筑結構設計角度，超高層建筑物層數多、上部結構荷載巨大，導致結構在恒載、活載、地震作用以及風荷載作用下的受力問題突出，由此帶來的結構基礎部分的工程量在整個項目中的占比居多，同時基礎設計問題也更加重要，包括基礎選型、材料用量、施工周期、工程造價等。因此，需要綜合考慮工程經濟效益，包括基礎本身的工程造價，以及土方、降水、施工條件和工期等因素。

深圳地處珠江三角洲前沿，場地土層較為特別，其上部多為粉質粘土以及砂土互層，下部往往出現巖層，因此超高層建筑物多采用樁筏基礎形式，且以巖層作為樁端持力層。在這里，以一工程實例對樁基綜合經濟性進行優化評估。

2 項目概況

本項目位于深圳北站東側北部，為超高層建筑，塔樓地上58層，地下3層。建筑高度為260.6 m，結構高度為248.6 m。平面尺寸為46.8 m×46.8 m，核心筒尺寸為24.8 m×24.2 m。柱距為10 m，四個大角度斜柱轉換區域，大約位于1/5～4/5高度處，塔樓采用鋼管混凝土外框架—鋼筋混凝土核心筒混合結構體系。地下室共3層，基礎埋置深度14 m，基礎采用灌注樁基+筏板基礎形式，其中辦公主塔樓核心筒區域板厚為2 400 mm，對應板混凝土強度等級為C45,并采用90 d設計規定齡期的混凝土，辦公主塔樓非核心筒區域板厚為800 mm，對應板混凝土強度等級為C35,并采用28 d設計規定齡期的混凝土。

3 工程地質條件

擬建建筑物地處南亞熱帶，屬海洋性季風氣候，冬暖夏涼，氣候宜人，雨量充沛，四季常青。場地原始地貌單元為剝蝕殘丘及丘間洼地，現已經人工整平。現狀地勢開闊，地形較平坦，地面高程在77.61 m～79.78 m，最大高差2.17 m。地下水高水位相對標高為-1.0 m，地下水對混凝土結構具有微侵蝕性。場地內未見巖溶、滑坡、崩塌、泥石流等不良地質作用，場地內未見軟弱土層及液化土，擬建場地屬對建筑抗震一般地段，場地分布較厚新近堆填的人工填土層，場地內存在孤石等不均勻風化現象。樁頂相對標高-14.100 m，高程為-12.400 m，沿樁身地基土分布情況如下：

素填土①1：堆積時間2年～10年，壓縮性較高，物質組分不均勻，分布范圍較廣，工程性質差；

填石①4：堆積時間2年～10年，松散，局部分布，結構和組分不均勻，工程性質一般；

雜填土①6：堆積時間2年～10年，物質組成不均勻，結構松散，工程性質較差；

粉質粘土②3：呈可塑狀態，該層分布較廣泛，壓縮性中等，工程性質一般；

礫砂②6：飽和，稍密～中密，場地內局部分布，壓縮性中等，工程性質一般，滲透性、富水性好，水量豐富，基坑開挖時易產生涌砂等滲透變形現象；

礫質粘性土⑦1-1：呈可塑狀態，該層分布較廣泛，壓縮性中等，工程性質一般；

礫質粘性土⑦1-2：呈硬塑狀態，該層分布廣泛，壓縮性中等，工程性質較好，該層土用作坑壁或邊坡坡面時，自穩能力較好；

全風化粗粒花崗巖⑧1：該層分布廣泛，巖芯呈較堅硬土柱狀，力學強度較高，工程性質較好，承載力較高，但分布厚度不均勻，不宜作為擬建建筑的樁端持力層。

砂土狀強風化粗粒花崗巖⑧2-1：該層分布廣泛，巖芯呈砂土狀，厚度變化較大，力學強度較高，工程性質較好，承載力高，不宜作為高層擬建建筑的樁端持力層，可用作一般建筑物的樁端持力層；

塊狀強風化粗粒花崗巖⑧2-2：該層局部分布，巖芯呈塊狀，力學強度較高，工程性質較好，承載力高，不宜作為擬建高層建筑的樁端持力層，可用作一般建筑物的樁端持力層；

中等風化粗粒花崗巖⑧3：該層分布廣泛，厚變化較大，巖芯呈塊狀～短柱狀，力學強度較高，工程性質較好，可作為擬建建筑的樁端持力層；

微風化粗粒花崗巖⑧4：該層構成本擬建場地基底，巖芯呈短柱狀～長柱狀，較完整，力學強度高，工程性質好，為擬建建筑的理想樁端持力層。

該場地采用灌注樁的樁側極限摩阻力標準值fs和樁端極限端阻力標準值fp值見表1。其中，粘性土層、砂土層以及全風化、強風化花崗巖層側摩阻力較大，而微風化粗粒花崗巖層其端部承載力較大為55 MPa。因此，在樁長較為合理范圍內盡量采用端承力較大的微風化巖層作為持力層。

表1 灌注樁承載力計算土層參數表

從典型地質剖面圖可以看出，基礎底部標高基本位于礫質粘性土⑦1-2土層，基礎底部以下土層基本為花崗巖層(包括全風化、強風化、中風化和微風化花崗巖層)，其中約43 m深處為微風化粗粒花崗巖⑧4土層。

4 樁基優選

4.1 持力層的確定

通過結構受力分析結果，超高層結構樁基礎主要為受壓控制，外圍框架柱底最大壓力標準值約為62 000 kN，內部核心筒在恒載和活載作用下的壓力標準值為1 526 865 kN，結構下部地質土層分布情況，選擇距離基底約為43 m處的微風化粗粒花崗巖⑧4土層作為基樁持力層較為合理，一方面采用端承樁對于受壓控制的樁基更為經濟，另一方面采用端承樁可以有效控制超高層基礎的整體沉降值，進而減少附加內力，結構受力更為合理。

4.2 樁長的確定

從地勘報告中提供的地質土層分布剖面圖中可以看出，微風化粗粒花崗巖⑧4土層起伏較大，因此在樁基施工時需進行預鉆孔探明持力層位置，進而確定對應位置處的端承樁的樁長，同時需保證樁端進入微風化持力巖層深度不小于0.5 m。經過實際工程配合，該塔樓下基樁樁長約為40 m～50 m不等。

4.3 樁徑的選擇

該工程項目樁基為端承樁，從施工開挖便利性角度考慮，對于主體結構外圍結構柱下宜采用一柱一樁形式，因此樁徑的大小直接由柱底壓力標準值的大小來決定，同時考慮到外圍結構柱底部受力較大，因此相應的樁徑也會較大，另外還需驗算樁身混凝土強度滿足基樁受力要求。在這里，外圍結構柱下的樁徑分別為2 500 mm和2 800 mm，樁身混凝土強度為C40等級，單樁承載力特征值分別為50 000 kN和62 000 kN。

對于內部核心筒下基樁樁徑的選擇，需綜合考慮核心筒底部受力大小和受力分布特點、核心筒結構剪力墻的布置盡量做到墻下布樁，另外還需考慮基礎底板厚度大小從綜合經濟性角度來合理選擇樁徑。此外，在選擇灌注樁樁徑時，不同樁徑需采用不同鉆頭，故而樁徑種類不宜過多。綜合多方因素，核心筒下樁徑共有兩種，分別為2 000 mm和2 800 mm，樁身混凝土強度為C50等級，單樁承載力特征值分別為38 500 kN和76 000 kN。

4.4 布樁方案的選擇

超高層結構樁基設計中，當持力層，樁長和樁徑基本確定后，需選擇合理的布樁方案。通常情況下，對于端承型樁，如上所述，主體結構外圍結構柱下宜采用一柱一樁形式。而內部核心筒其結構受力特點為，外圍墻下樁受風荷載組合下的荷載工況控制，而核心筒內部樁受恒活組合下的荷載工況控制。內部核心筒布樁時需綜合考慮經濟性、施工便利性、結構受力合理性等因素進行。在這里，對三種布樁方案進行對比分析，布樁方案如圖1所示。

布樁方案1中外圍墻下布置了20根直徑為2 800 mm的樁，內部墻下布置了4根直徑為2 800 mm的樁，如圖1a)所示，經受力分析，樁基受力冗余度為1.195，其中內部墻下的樁基受力冗余度僅為1.04，安全余量較小。基于該方案，提出了布樁方案2，該方案中外圍墻下同樣布置了20根直徑為2 800 mm的樁，內部墻下布置了4根直徑為2 800 mm的樁和2根直徑為2 000 mm的樁，詳見圖1b)，經受力分析，樁基受力冗余度為1.245，其中內部墻下的樁基受力冗余度僅為1.30，安全余量較方案1中大幅提高。布樁方案3中，外圍墻下也布置了20根直徑為2 800 mm的樁，而內部墻下布置了8根直徑為2 000 mm的樁，詳見圖1c)，經受力分析，樁基受力冗余度為1.197。

針對上述三種布樁方案，在這里也對基礎底板的厚度、配筋和抗剪抗沖切承載力進行了相應對比分析，如表2所示。

對三種布樁方案下基礎核心筒底板結構設計結果進行對比，方案1下底板厚度取值最小為2 000 mm，因該方案布樁均在墻下，故而無沖切問題，但核心筒下底板跨度相應較大，板底配筋率和外圍墻下板頂配筋率較大，為0.5%；對于方案2中，因部分布樁未在墻下，故而底板厚度相應增加為2 400 mm，在此情況下樁對底板抗沖切比最小值為1.09，滿足抗沖切受力要求，而此時因布樁減小了底板板跨度，相應的基礎底板板底和板頂配筋降低為0.42%；而對于方案3，因底板板跨度較大，故而板厚取值增大到2 500 mm，樁對底板抗沖切比最小值為0.97，不滿足抗沖切受力要求，同時板底配筋率和外圍墻下板頂配筋率較大，為0.5%。

表2 核心筒下基礎底板設計方案

綜合上述三種布樁方案下包括基樁自身的結構受力情況，安全余量，經濟性以及基礎底板的經濟性設計等因素，方案2為最佳布樁方案。

4.5 經濟性分析

通過對超高層建筑物灌注樁持力層、樁長、樁徑以及布樁方案的對比選擇，結論如下：

1)對于超高層建筑物底部地質土層中存在微風化巖層時，優選端承型樁，一方面受力合理，同時可以解決結構整體沉降問題。

2)當采用端承型樁時，主體結構外圍結構柱下宜采用一柱一樁形式，主體結構內部核心筒下則需優選布樁方案，在此過程中，需結合綜合經濟效益，樁徑大小的種類不宜過多。

3)對于嵌巖樁，在樁基施工時需進行超前鉆來確定不同位置樁長。

4)主體結構內部核心筒布樁時，需根據樁基本身受力特點(即外圍墻下樁受風荷載組合下的荷載工況控制，而核心筒內部樁受恒活組合下的荷載工況控制)進行布樁方案優選。在優選方案時，綜合基礎底板的受力情況和經濟性情況來確定最佳布樁方案。

5 結語

深圳地區超高層建筑物樁基礎設計中，因該地區多為端承型樁基，在確定持力層、樁長、樁徑以及布樁方案時需從綜合經濟效益角度考慮，結合施工難度，工程周期等因素來進行優選。