高層建筑樁基埋置深度不夠設計分析

王亞平，楊亞麗

（1.西北綜合勘察設計研究院貴州分院，貴州 貴陽 550081；2.貴陽職業技術學院，貴州 貴陽 550081）

0 引言

貴州地貌以山地丘陵為主，建筑物一般據地形走勢而建。然經濟性作為建設方主要訴求之一，其將主導建筑方案創作走向。結構方案終將以配合之姿，更好地為建筑功能和建設方服務。故當建筑方案受地形影響，且建設方不愿為滿足高層建筑埋置深度而過多開挖地下室時，作為一名有經驗的結構工程師，必將盡自己所學，以規范為綱，從原理出發，結合理論和工程經驗，對規范沒有明確規定的設計方法予以推到論證，這樣才能得出合理的結構方案和設計方法。

貴州地區基巖承載力較高，大多數高層采用中風化基巖作為基礎持力層，基礎型式有獨基、條基、筏基和樁基。當高層基礎埋深不夠，且只能采用樁基時，需要找到一組有力的數據來佐證，并采取可靠的技術措施進行結構設計，這樣既能說服自己，也能讓建設方滿意。下文將結合工程案例，對高層建筑樁基礎且埋置深度不滿足1/18 房屋高度的情況進行設計與探討。

1 工程概況

1.1 工程簡介

擬建場地位于貴陽市。該地區基本風壓W0 為0.30kN/m2；六度設防，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組；場地類別為Ⅱ類，場地特征周期0.35s。

該工程共3 層地下室，北側地下兩層商業臨空，一層地下室掩埋；西側全掩埋；南側和東側地下一層商業臨空、兩層地下室掩埋。嵌固端取基頂。整個項目含3棟高層塔樓和1 個獨立商業結構單元，其中高層塔樓包括普通高層E1-6# 樓、E1-7# 樓和超A 級高度高層E1-8#樓。E1-8#樓為本次討論的樓棟，其高寬比為7.5，剪力墻結構。地上 25 層，為 1F～25F；地下3 層為-3F～-1F。建筑平面呈矩形，各層層高情況為：-3F 為3.8m，-2F 為 3.5m，-1F 為 5.735m，1F 及以上各樓層為 5.5m。本工程為多塔結構，如圖1 所示。

圖1 各樓棟及地下室分布情況

1.2 地基巖土參數

根據場地內巖土體的時代及成因，巖體完整性、巖體縱波波速值、巖芯采取率、巖石飽和單軸抗壓強度等因素定性、定量指標綜合分析，將場地巖土體分為三個單元層，即①、②、③三個單元。現將各單元工程性質分述如下：

（1）①單元為素填土，遍布整個場地，厚度分布不均，松散。

（2）②為強風化泥質白云巖，基本遍布整個場地，厚度分布不均，風化裂隙發育，多充填泥質，巖石破碎。巖質軟，遇水易軟化。巖芯呈砂狀，采取率低。屬破碎巖體，巖體質量基本級別Ⅴ級。根據地勘建議結合地區經驗，建議 fa﹦300kPa；C﹦30kPa，φ﹦25°；γ﹦25.5kN/m3。

（3）③為中風化泥質白云巖，遍布整個場地。局部白云質或泥質含量較高，隱晶結構，中厚層夾薄層構造，結構面較發育，類型主要為層面，其次為閉合～微張狀裂隙，泥質膠結，局部鈣質膠結，結合度一般，巖石較破碎。質較軟，泥質含量高地段巖芯裸露易碎裂，巖芯呈砂狀、碎塊狀，巖芯采取率60%～75%。巖體的超聲波縱波波速平均值為2470m/s，巖樣波速取18 件巖塊波速值的最大值：V0=3743m/s，巖體完整性系數Kv=0.44，屬較破碎巖體，為較軟巖，巖體質量基本級別Ⅳ級。

根據場地巖石節理裂隙較發育，巖溶中等發育，考慮施工影響等因素，建議場地各巖土單元層參數參見表1。

表1 各巖土單元地基設計參數

根據地基土質、上部結構體系及施工條件等資料，經技術和經濟對比，本工程基礎采用人工挖孔灌注樁基礎，持力層為中風泥質白云巖，持力層地基承載力特征值fa=2500kPa。此場地中地下水位位于底板以下，本工程不需要抗浮設計。

2 設計思路

E1-8#樓-3F 為局部全埋地下室，其基礎埋深不滿足房屋高度的1/18，據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）（以下簡稱《高規》）第 12.1.8 條可知，當該建筑物采取有效措施，在滿足地基承載力、穩定性要求和基礎底面不出現零應力區（高寬比7.5＞4）的規定下，基礎埋深可適當放松；當地基可能產生滑移時，應采取有效的抗滑移措施。故應遵循規范要求，逐一論證該結構方案的可行性[1-2]。

基礎設計時，設計人員會根據勘察報告選取中風泥質白云巖作為基礎持力層進行樁基設計，該地基承載力自然能夠滿足。其穩定性應從“三水準”入手，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”。如何才能確保高層建筑不因基礎埋深不夠而發生倒塌？若能使其在大震不傾覆、不滑移，且滿足其高寬比大于4 時基底不出現零應力區，那么其穩定性就能得到保證。與此同時，再加強一些抗滑移的構造措施，就能達到工程設計的要求，使該設計安全可靠。

3 大震抗傾覆計算

為確定基礎安全，現采用PKPM 軟件對E1-8#樓進行大震不屈服抗傾覆驗算，通過電算結果判斷其安全性，如表2 所示。

表2 結構整體抗傾覆驗算結果

表2 為大震彈性定義下電算出來的結果，Mr/Mov最小值為3.03，且基底均未出現零應力區，滿足抗傾覆驗算要求。表中Y 向對應圖1 的東西向，X 向對應圖1的南北向，由表可知該結構Y 向抗傾覆能力較弱，這是由于Y 向較窄致使該方向抗傾覆力臂較短所致。

若上述驗算結果不滿足規范要求，即抗傾覆能力不夠或基底出現零應力區時，可對結構進行豎向構件調整或結構方案調整，進而達到大震不傾覆的目的。

4 大震抗滑移計算

采用PKPM 軟件對E1-8# 樓進行大震CQC 法分析，得出其在荷載標準組合下：豎向荷載G=87637.359t，底部剪力取塔樓范圍內的值，基底最大剪力值Vx=33707.0kN，Vy=33532.0kN。塔樓范圍內柱底軸力標準值總值為886495.3kN，根據地勘資料提供的地基承載力特征值可計算出樁身總面積不小于354.60m2，將其折算成本工程最小樁徑1.2m，計算其單樁水平承載力特征值，從而計算出所有樁頂的水平承載力，再與基底最大地震剪力進行比較，繼而得到大震彈性下的抗滑移能力，以此判斷結構穩定性。通過《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）第 5.7.1、5.7.2、5.7.5 條制作灌注樁水平承載力計算表，該表采用規范最小配筋率0.2%進行計算，樁頂固結[3-4]。

通過灌注樁水平承載力計算表可知，在大震作用下，所有樁樁頂承擔水平承載力與最大基底地震剪力之比（下文稱“樁的水平抗滑移系數”）49789.197/33707=1.48＞1.2，即樁身水平承載力能夠抵抗大震下基地剪力。該計算尚未考慮地下室側面填土和地基的貢獻，故本工程在大震作用下結構不產生滑移（風荷載不起控制作用），滿足結構整體抗滑移穩定性要求。

若設計中出現樁的水平抗滑移系數達不到設計要求，該如何提高其抗滑移能力？這里采用單一變量控制法對其進行分析，以更好應對不同高層樁基礎且埋置深度不夠的抗滑移設計。通過灌注樁水平承載力計算表進行計算，當僅改變樁身配筋率時，0.65%是樁頂水平承載力的一個分界線；0.2%～0.64%的樁身配筋對應樁的水平抗滑移系數為1.48～1.67，而0.65%對應樁的水平抗滑移系數為11.11，即便配筋率達到2%，該系數只能達到11.63；故樁身抗滑移能力不足時，可將其樁身配筋率提高到0.65%。單一變量可以是樁長、樁徑、混凝土等級、樁側土水平抗力系數的比例系數，將其中一個變量按增加的規律進行計算，均可不同程度提高樁的水平抗滑移系數，但效果不夠顯著。故當某高層樁基礎水平抗滑移能力嚴重不足時，可直接將樁身配筋率提高到0.65%；若抗滑移能力稍差時，可以增加樁長、混凝土強度，或對地基土進行處理從而提高樁側土水平抗力系數的比例系數，不建議提最小樁徑，因樁徑增大時鋼筋構造上也要增加。

5 構造措施

E1-8#樓東側塔樓區域未全部落到-3 層，故對其進行構造加強，具體如下。

（1）樁頂增設承臺并加大其尺寸，不僅增加了基礎埋深，也增加了地基土對承臺的約束作用，可為大震滑移提供有利抗力。

（2）樁長不小于4m，樁長對抗滑移能力有少許貢獻。

（3）設置基礎底板，樁徑大小不一定為同一直徑，樁頂水平承載力采用等效樁徑的方法進行計算，整體抗力是滿足了，但豎向構件上的地震剪力是通過剛度分配而來，其傳遞到樁基上的水平剪力是不一樣的，故需通過底板來協調并傳遞水平剪力。

（4）加高基礎梁，基礎梁周邊的地基土可為大震滑移提供有利抗力。

6 結語

通過對高層建筑樁基礎埋置深度不滿足規范要求的情況進行思考，從結構安全的角度出發，通過對結構大震抗傾覆和大震抗滑移能力的計算分析，在滿足結構穩定性的前提下，結合必要構造加強措施，可使該類結構的設計安全可靠并滿足規范要求。該類問題的處理方法和設計思路可供參考，但不同地區的工程有其區域性，結構設計師應嚴格遵守規范精神并以之作為設計依據。對無明文規定的設計方法，要進行論證分析，經專家評審后方可指導設計。