高層建筑核心筒外擴(kuò)CFG樁變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)實(shí)例分析

閆 建，張 武

（1.建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司地基基礎(chǔ)研究所，北京 100013；3.北京市地基基礎(chǔ)與地下空間開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

0 引 言

對于高層建筑主樓、多層裙樓及純地下車庫連接在一起的大底盤基礎(chǔ)，其荷載差異較大，沉降在主樓區(qū)域大、裙樓區(qū)域小，基底反力分布復(fù)雜，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為荷載與剛度內(nèi)大外小的框架-核心筒時(shí)，蝶形沉降和馬鞍形反力分布會更加明顯。調(diào)平設(shè)計(jì)概念源于樁筏基礎(chǔ)中對沉降差的控制，通過控制沉降差來降低筏板內(nèi)力和上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力，進(jìn)而減小筏板厚度、配筋等[1-3]。由于實(shí)際工程中多是通過調(diào)整基樁平面布置或改變基樁長度、直徑等樁筏剛度的因素來減少沉降差，故稱之為變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)[4-5]。

框架-核心筒結(jié)構(gòu)以前多采用樁基礎(chǔ)，隨著地基處理技術(shù)的發(fā)展，選用施工便捷、費(fèi)用低廉的剛性樁復(fù)合地基來解決框架-核心筒結(jié)構(gòu)的地基問題成為可能[6]。當(dāng)前高層建筑CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)時(shí)，多數(shù)應(yīng)用均勻布樁模式，盡管樁數(shù)不少，但碟形沉降仍不可避免。針對框架-核心筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過調(diào)整CFG樁的剛度分布，使反力同荷載分布相協(xié)調(diào)，從而減小差異沉降，降低筏板基礎(chǔ)內(nèi)力。本文結(jié)合厚筏基礎(chǔ)的厚跨比大于1/6，考慮核心筒外擴(kuò)對基底應(yīng)力的影響，采用核心筒局部CFG樁平面位置調(diào)整的變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)，取得了較好的處理效果，可供類似工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該高層建筑由北塔、南塔、附屬用房及純地下車庫組成。其中北塔為地上20層的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，建筑高度99.90 m，南塔為地上15層的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，建筑高度76.25 m，附屬用房為地上2層，建筑高度18.55 m的框架結(jié)構(gòu)。北塔、南塔和附屬用房地下室與純地下車庫連通，地下4層，基礎(chǔ)埋深約21.6～22.6 m。北塔和南塔均采用CFG樁復(fù)合地基，處理后北塔核心筒復(fù)合地基承載力特征值達(dá)到 650 kPa，北塔外框柱復(fù)合地基承載力特征值達(dá)到 450 kPa；處理后南塔核心筒復(fù)合地基承載力特征值達(dá)到 570 kPa，南塔外框柱復(fù)合地基承載力特征值達(dá)到400 kPa。總沉降量不大于50 mm，差異沉降不大于0.002 L。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)本工程的地勘報(bào)告，該場地自然地面絕對標(biāo)高33.96～36.05 m，地層按成因類型、沉積年代劃分為人工堆積層和第四紀(jì)沉積層兩大類，按其巖性及工程特性，基底以下土層的分布及基本物理力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 地層分布及物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Strata distribution and physico-mechanical parameters

2 工程特點(diǎn)分析

該高層建筑為大底盤框架-核心筒結(jié)構(gòu)，由雙塔、裙樓及純地下車庫組成，雙塔之間、雙塔與裙樓之間以沉降后澆帶連接。由于框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)特性與一般住宅剪力墻結(jié)構(gòu)有很大差異，剪力墻結(jié)構(gòu)整體剛度大，荷載與剛度分布較均勻，上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)的貢獻(xiàn)大；而框架-核心筒結(jié)構(gòu)整體剛度較差，荷載與剛度分布不均是其顯著特點(diǎn)。北塔核心筒沖切范圍內(nèi)的基底平均壓力約為874.0 kPa，外框柱區(qū)域的基底平均壓力約為400.0 kPa，二者相差2.2倍。北塔核心筒約占樓面面積的18.4%，荷載卻占總荷載的46.2%；南塔核心筒約占樓面面積的 23.1%，荷載卻占總荷載的46.8%，核心筒荷載占比高。

3 變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)

3.1 變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)理念

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)為了滿足承載力和荷載的總體平衡，多采用滿堂紅、均勻布樁，而缺少優(yōu)化基礎(chǔ)本身的受力狀態(tài)、減小差異沉降的思維，馬鞍形反力分布并非外圍樁的承載力不足所引起，而是由于內(nèi)、外豎向支撐剛度不均造成的。為了增大基礎(chǔ)的整體剛度，若采用增加筏板厚度、布樁的數(shù)量和加大樁的幾何尺度，通過降低沉降的絕對值而滿足對沉降差的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將造成工程量增加，剛度冗余。對于大底盤框架-核心筒結(jié)構(gòu)的復(fù)合地基設(shè)計(jì)，采用變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)理念，其優(yōu)化模式見圖1，通過調(diào)整CFG樁復(fù)合地基強(qiáng)度和剛度，使之與上部結(jié)構(gòu)荷載分布相協(xié)調(diào)，減小差異沉降，基底反力分布模式得到改變，基礎(chǔ)內(nèi)力和上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力降低，在滿足承載力和沉降設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，工程量優(yōu)化效果明顯。

圖1 框架-核心筒結(jié)構(gòu)變剛度優(yōu)化模式Fig.1 Stiffness optimization model of frame-core tube structure

工程應(yīng)用中，時(shí)常遇到筏板較厚，而無法減薄的情況。對于厚跨比大于1/6的厚筏基礎(chǔ)，變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮擴(kuò)散主樓荷載的作用，在保證安全的前提下，可大大節(jié)約工程造價(jià)。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)荷載、地質(zhì)條件和上部結(jié)構(gòu)布局，該高層建筑 CFG樁復(fù)合地基采用強(qiáng)化與弱化結(jié)合的變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)差異沉降、基礎(chǔ)內(nèi)力最小化目標(biāo)。通過計(jì)算分析，在充分考慮核心筒外擴(kuò)作用，調(diào)整樁距來改變 CFG樁的平面布置，對于荷載集中的核心筒區(qū)域予以強(qiáng)化，對于核心筒外框柱予以弱化，從而使基礎(chǔ)沉降趨于一致。北塔核心筒采用樁徑400 mm，有效樁長12.0 m，以⑥卵石、圓礫層為樁端持力層，樁間距1.5 m；北塔外框柱采用樁徑400 mm，有效樁長12.0 m，以⑥卵石、圓礫層為樁端持力層，樁間距2.0 m；南塔核心筒采用樁徑400 mm，有效樁長12.0 m，以⑥卵石、圓礫層為樁端持力層，樁間距1.8 m；南塔外框柱采用樁徑400 mm，有效樁長12.0 m，以⑥卵石、圓礫層為樁端持力層，樁間距2.0 m。

3.3 承載力計(jì)算

（1）單樁承載力計(jì)算

單樁承載力特征值由式（1）計(jì)算，即：

式中：up為樁的周長，m；qsi、qp分別為樁周第i層土的側(cè)阻力、樁端端阻力特征值，kPa；lpi為第i層土的厚度，m；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)；Ap為樁的截面積，m2。

依據(jù)勘察鉆孔所揭露的土層參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，單樁承載力特征值為714.6～737.1 kN，由于北塔、南塔及外框柱 CFG樁的設(shè)計(jì)參數(shù)相同，樁端持力層均為⑥卵石、圓礫層，綜合分析可知：單樁承載力特征值取值700 kN，設(shè)計(jì)樁身混凝土強(qiáng)度等級為C25，經(jīng)驗(yàn)算樁身強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）復(fù)合地基承載力計(jì)算

復(fù)合地基承載力特征值由式（2）計(jì)算，即：

式中：λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；m為面積置換率；β為樁間土承載力折減系數(shù)；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa。

規(guī)范中對于主體結(jié)構(gòu)地基承載力的深度修正，可將基礎(chǔ)底面以上范圍內(nèi)的荷載按基礎(chǔ)兩側(cè)的超載考慮，并將超載折算成土層厚度作為基礎(chǔ)埋深，基礎(chǔ)兩側(cè)不等時(shí)取小值[7]。由于CFG樁復(fù)合地基處理范圍有限，而增強(qiáng)體的設(shè)置改變了基底壓力的傳遞路徑，其破壞模式與天然地基不同，對 CFG樁復(fù)合地基承載力修正的研究成果不多，為了安全起見，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求基礎(chǔ)寬度的地基承載力修正系數(shù)取0，基礎(chǔ)埋深的地基承載力修正系數(shù)取1.0[8]。實(shí)際工程中由于裙樓和純地下室結(jié)構(gòu)剛度的存在，對地基差異變形起到調(diào)整作用，并有利于主樓地基承載力的發(fā)揮，修正時(shí)把裙樓或地下室結(jié)構(gòu)自重折算成土的厚度，對承載力進(jìn)行深度修正，是一種偏安全的方法。

經(jīng)計(jì)算，北塔核心筒復(fù)合地基承載力特征值為516.1 kPa，未修正復(fù)合地基承載力特征值取值為500.0 kPa；北塔外框柱復(fù)合地基承載力特征值為359.3 kPa，未修正復(fù)合地基承載力特征值取值為350 kPa。北塔基礎(chǔ)底面以上天然土層的加權(quán)平均重度為17.1 kN/m3，基礎(chǔ)底面以上范圍內(nèi)的荷載按超載187.6 kPa考慮，北塔核心筒經(jīng)深度修正后的復(fù)合地基承載力特征值為677.8 kPa，北塔外框柱經(jīng)深度修正后的復(fù)合地基承載力特征值為527.8 kPa。南塔核心筒復(fù)合地基承載力特征值為449.1 kPa，未修正復(fù)合地基承載力特征值取值為 430 kPa，南塔外框柱復(fù)合地基承載力特征值為432.9 kPa，未修正復(fù)合地基承載力特征值取值為 400 kPa。南塔基礎(chǔ)底面以上天然土層的加權(quán)平均重度為15.3 kN/m3，基礎(chǔ)底面以上范圍內(nèi)的荷載按超載考慮為187.6 kPa，南塔核心筒經(jīng)深度修正后的復(fù)合地基承載力特征值為610.5 kPa。北塔、南塔核心筒及外框柱的復(fù)合地基承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 變形計(jì)算

框架-核心筒結(jié)構(gòu)大底盤基礎(chǔ)復(fù)合地基變形計(jì)算研究較少，仍以經(jīng)驗(yàn)為主，在進(jìn)行變形計(jì)算時(shí)，地基內(nèi)的應(yīng)力分布，按照各向同性均質(zhì)線性變形體理論，近似采用線性理論分層總和法計(jì)算模式。在加固區(qū)模量取樁土復(fù)合模量，核心筒范圍和外框柱采取不同的樁土復(fù)合模量，應(yīng)用荷載疊加原理對不同區(qū)域變形進(jìn)行計(jì)算。由式（3）計(jì)算，即：

對北塔、南塔進(jìn)行變形計(jì)算，在附加應(yīng)力作用下北塔基礎(chǔ)中心點(diǎn)最大沉降量計(jì)算結(jié)果為41.0 mm，南塔基礎(chǔ)中心點(diǎn)最大沉降量計(jì)算結(jié)果為34.5 mm，北塔和南塔的理論計(jì)算結(jié)果均小于控制值（50 mm），沉降差小于0.002 L，變形計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

4 設(shè)計(jì)效果及評價(jià)

4.1 復(fù)合地基檢測結(jié)果

CFG樁施工完成后，分別在核心筒及外框柱進(jìn)行了單樁和單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)[9]，檢測結(jié)果見圖2～4。根據(jù)靜載荷試驗(yàn)曲線判定，南塔、北塔核心筒和外框柱的單樁復(fù)合地基和單樁承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)也進(jìn)行了南塔、北塔 CFG樁的樁身低應(yīng)變檢測，檢測結(jié)果表明樁身完整。

圖2 北塔單樁復(fù)合地基p-s曲線Fig.2 p-s curves of single pile composite foundation of north tower

圖3 南塔單樁復(fù)合地基p-s曲線Fig.3 p-s curves of single pile composite foundation of south tower

圖4 單樁Q-s曲線Fig.4 Q-s curves of single pile

4.2 建筑沉降觀測結(jié)果

施工過程中，對北塔和南塔分別進(jìn)行了沉降觀測，北塔觀測點(diǎn)布設(shè)在地下4層基礎(chǔ)底板上，基礎(chǔ)底板施工完成后開始初始值觀測，北塔觀測點(diǎn)沉降-時(shí)間曲線見圖5；南塔首次觀測點(diǎn)布設(shè)在首層基礎(chǔ)底板上，南塔觀測點(diǎn)沉降-時(shí)間曲線見圖6。

圖5 北塔觀測點(diǎn)沉降-時(shí)間曲線Fig.5 Settlement-time curves of observation point of north tower

圖6 南塔觀測點(diǎn)沉降-時(shí)間曲線Fig.6 Settlement-time curves of observation point of south tower

結(jié)構(gòu)封頂時(shí)，北塔觀測點(diǎn)的沉降量在 27.6～37.3 mm，平均沉降量為32.6 mm，南塔觀測點(diǎn)的沉降量在24.1～28.3 mm，平均沉降量為25.6 mm。根據(jù)沉降-時(shí)間曲線分析，建筑的沉降還未完全穩(wěn)定，從圖5～6可以看出，北塔核心筒（J19、J21、J23）和南塔核心筒（J10、J11、J13）沉降量略大于外框柱，各觀測點(diǎn)的沉降值基本趨于均勻，建筑物最終總沉降量小于設(shè)計(jì)控制值（50.0 mm），考慮南塔觀測點(diǎn)是布設(shè)在地下室1層，所以北塔、南塔核心筒和外框柱之間的沉降差較小，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)控制值（0.002 L）。北塔、南塔沉降等值線見圖7～8。

圖7 北塔沉降等值線Fig.7 Subsidence contours of the north tower

圖8 南塔沉降等值線Fig.8 Subsidence contours of the south tower

變剛度調(diào)平在框架-核心筒結(jié)構(gòu)大底盤基礎(chǔ)復(fù)合地基設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，其技術(shù)合理性在于通過調(diào)整CFG樁的布置，實(shí)施核心筒增強(qiáng)，使核心筒CFG樁復(fù)合地基的強(qiáng)度達(dá)到較高的荷載水平。而經(jīng)濟(jì)合理性在于減少或消除多余CFG樁，從而使造價(jià)降低。依據(jù)檢測和沉降觀測結(jié)果，該框架-核心筒結(jié)構(gòu)大底盤基礎(chǔ)厚跨比大于 1/6，具備擴(kuò)散主樓荷載的作用，在充分考慮核心筒外擴(kuò)下的應(yīng)力減少，采用荷載集度高的核心區(qū)局部增強(qiáng)措施，其調(diào)平效果十分顯著，取得了較好的設(shè)計(jì)效果。

5 結(jié) 論

（1）框架-核心筒結(jié)構(gòu)大底盤基礎(chǔ)復(fù)合地基設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)荷載、地層條件及結(jié)構(gòu)布局，通過調(diào)整剛度分布，使反力同荷載分布相協(xié)調(diào)，實(shí)施核心筒增強(qiáng)變剛度調(diào)平，減小差異沉降，降低筏板基礎(chǔ)內(nèi)力。

（2）框架-核心筒結(jié)構(gòu)荷載懸殊大，該高層建筑核心筒占樓面面積的20%，其荷載卻占總荷載的50%，控制其沉降差是復(fù)合地基設(shè)計(jì)和布樁的核心環(huán)節(jié)。

（3）采用變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，當(dāng)其基礎(chǔ)厚跨比具備擴(kuò)散主樓荷載的作用時(shí)，應(yīng)充分考慮核心筒外擴(kuò)的應(yīng)力減少，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。