成本管控下高層建筑地基基礎優化設計

摘 要：以成本管控為主要目標，對某商業地產項目高層建筑地基方案進行優化設計。根據高層建筑基底反力要求，考慮樁長和樁間距兩個因素，本文設計了3種預制管樁復合地基及4種CFG樁復合地基比選方案，在滿足設計要求的條件下進行經濟性對比。研究結果表明，7種復合地基方案均可以滿足設計要求，在管樁復合地基方案中，樁長8.0m、樁間距1.20m的短樁方案較為經濟，在CFG樁復合地基方案中，樁長8.0m、樁間距0.74m的短樁方案較為經濟。綜合來說，預制樁在施工周期、質量控制方面優于CFG樁，因此確定預制樁復合地基為最優方案。

關鍵詞：成本管控；高層建筑；地基基礎設計；優化設計

中圖分類號：TU 47" 文獻標志碼：A

目前，由于建設用地資源減少，因此城市中出現以高層建筑為代表的住宅、商業、辦公以及工業廠房，這部分建筑具有荷載大、抗震要求高、后期沉降大等特點[1]，然而東部沿海地區上部土層主要以中等壓縮性的粉土、粉砂為主，不進行地基處理，將無法滿足高層建筑地基設計要求，因此正確選擇和執行地基處理技術是保證高層建筑長期穩定和保障安全的關鍵[2]。

高層建筑的地基處理是整個建筑結構工程中非常重要的一部分，是保證高層建筑的穩定性的關鍵因素，當前高層建筑的基礎方案以樁基礎為主，例如預制管樁、灌注樁、載體樁等。隨著復合地基技術實踐逐漸增加，積累了大量的施工經驗，因此將復合地基應用于高層建筑地基處理中，可有效提高地基承載力，降低工程造價，減少不均勻沉降。

鑒于復合地基在高層建筑中的廣泛應用，針對某商業地產高層辦公建筑的地基處理方案，考慮不同樁長和樁間距，采用預制管樁及CFG樁復合地基對不同設計方案進行對比分析，在保障設計安全儲備的前提下，以成本管控為主要目標，對高層建筑地基處理方案進行優化設計。

1 工程概況

1.1 項目簡介

某商業地產項目規劃總建筑面積為32351.36㎡，其中地上建筑面積為22124.21㎡，地下建筑面積為10227.15㎡，主體建筑物為2棟28層商業辦公雙子樓，底部為2層裙樓，結構高度為99.6m，建筑高度為100.8m，地下一層聯通地下室。工程建設等級為一級，設計使用年限為50年。項目總平面示意圖如圖1所示。

將本工程地基基礎設計等級為甲級，根據《建筑工程抗震設防分類標準》（GB 50223—2008），本工程屬于標準設防類抗震建筑，按7度抗震設防，7度采取抗震設防措施。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015）本工程場地震峰值加速度取0.10g，場地特征周期為0.55s。根據《建筑抗震設計規范》（2016年版）（GB 50011-2010），本工程場地類型為Ⅲ類，將建筑抗震地段劃分為一般地段，場地內無軟弱土層及液化土層。

1.2 地質概況

根據工程地質勘察報告，場地內的主要土層以夾層土為主，沉積年代均為第四紀晚更新世以后的河流相和濱海相沉積物，各層土承載力特征值及主要力學指標見表1。

在勘察期間，地下水位位于地面下約2.0m，地下水類型為孔隙潛水，受到降雨及季節性影響。歷史最高水位與現狀地面持平，現狀地面85高程為5.00m，歷史最低地下水位為現狀地面下4.80m，年水位變化幅度2.5～3.3m。本工程抗浮設計水位取現狀地面以上0.80m，地下室開挖深度為5.55m，局部集水井位置開挖深度為6.50m，根據周邊建筑物情況，基坑施工時采用深井降水與局部井點降水相結合的方式進行。

1.3 地基方案選擇

工程中的2棟主樓地下室筏板基礎底標高為-0.55m，筏板厚度為1000.0mm，根據計算模型，筏板底部的反力值為465kPa～500kPa。筏板底部位于第③層粉土上，該層土的承載力特征值為120kPa，根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011），采用公式（1）對層③承載力進行深度修正。

fa=fak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）" " " " " " " " （1）

式中：fa為經深寬修正后的地基承載力特征值，kPa；fak為地基承載力特征值，kPa；ηb為基礎寬度修正系數，由土性確定，粉土取0.50；γ為基礎底面下土的重度，kN/m3；b為基礎寬度，m；ηd為基礎寬度修正系數，由土性確定，粉土取2.00；γm為基礎底面以下土的加權平均重度，水位以下取有效重度，kN/m3；d為基礎埋置深度，自室外地面起算，m。利用公式得到如下數據。

fa2=120+2.0×8.51×（5.55-0.50）=205.95kPa

經計算，第③層粉土經修正后的地基承載力特征值為205.95kPa，遠小于主樓筏板底部的反力值465kPa～500kPa，天然地基方案顯然無法滿足設計要求，須進行地基處理。考慮經濟性，可采用預制管樁復合地基或CFG樁復合地基方案，對場地地質條件進行分析。

2 預制管樁復合地基方案

2.1 預制管樁復合地基

預制管樁在本地區地基處理中具備較大優勢，可預先在工廠預制后運至現場施工，質量更穩定，尺寸精確，現場施工速度快，可縮短施工工期，同時與其他類型的樁相比，管樁因其形狀和材質的特性，通常具有更高的承載能力。根據該地區地基施工經驗，若采用預制管樁復合地基，則地基承載力可提高2～4倍。預制管樁設計參數見表2。

根據表1，第⑤層粉細砂、第⑥層粉土、第⑨層粉細砂均可以作為預制管樁復合地基樁端持力層，因此需要對不同樁長及樁間距的地基處理方案進行對比，獲取經濟合理的預制管樁復合地基布置方案。

2.2 預制管樁復合地基設計

預制管樁復合地基方案考慮樁端位于第⑤層、第⑥層及第⑨層3種方案，預制管樁樁徑取400mm，壁厚90mm，內徑220mm，采用正方形布樁，根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79—2012），采用公式（2）計算復合的地基承載力特征值。

（2）

式中：fspk為復合地基承載力特征值，kPa；λ為根據地區經驗取值的單樁承載力發揮系數，取1.0；m為面積置換率；Ra為單樁承載力特征值，kN；Ap為樁身截面積，㎡；β為樁間土承載力發揮系數，取0.90；fsk為樁間土承載力特征值，取第③層粉土fak=120kPa。

3種方案的樁基設計參數及復合地基承載力計算結果見表3和表4。

2.3 預制管樁造價估算

根據表4計算結果可知，3種方案均可滿足設計要求，因此須從經濟方面對3種預制管樁復合地基方案進行對比研究，確定最優方案。根據當地建筑市場提供的直徑400mm預制管樁造價約為225元/m，本工程3種預制管樁復合地基的造價估算見表5。

對比表5的計算結果可知，方案一（短樁方案）較為經濟，比方案三（長樁方案）節省樁長3752m，節約地基處理造價84.42萬元。

3 CFG樁復合地基方案

3.1 CFG樁復合地基

CFG樁是水泥-粉煤灰-礫石（Cement-Fly Ash-Gravel）的混合材料樁基，適用于處理黏性土、粉土、砂土以及固結完成的素填土地基，具備較好的環境適應性，且采用工業副產品粉煤灰，較為經濟。根據本地區地基處理經驗，若采用CFG樁復合地基，則地基承載力特征值可提高2～3倍。根據地質勘察報告，CFG樁設計參數見表6。

根據表6，第⑤層、第⑥層、第⑦層級第⑧層均可作為CFG樁樁端持力層，須對不同的設計方案進行經濟性對比分析。

3.2 CFG樁復合地基設計

CFG樁復合地基考慮采用第⑤、第⑥、第⑦以及第⑧層4種方案，樁徑400mm，采用正方形布樁，采用公式（3）計算CFG樁單樁承載力特征值。

（3）

式中：up為樁身周長，取1.256m；qsi為樁側各層土的側阻力特征值，kPa；lpi為樁側各土層厚度，m；αp為樁端端阻力發揮系數，取0.90；qp為樁端端阻力特征值，kPa；Ap為樁身截面積，m2。

4種方案的樁基設計參數及復合地基承載力計算結果見表7和表8。

3.3 CFG樁造價估算

根據表8的計算結果，采用不同樁長及樁間距的CFG樁復合地基均可滿足設計要求，因此須從經濟性方面對4種CFG樁復合地基方案進行對比研究，確定最優方案。根據當地建筑材料市場報價，直徑400mm的CFG樁造價約85元/m，本工程4種CFG樁復合地基的造價見表9。

根據表9計算結果，采用CGF樁復合地基的地基基礎處理造價相近，方案四價格（短樁方案）較為經濟。

對比本工程7種地基基礎方案可知，若采用預制管樁，則方案一較為經濟；若采用CFG樁，則方案四較為經濟。綜合而言，預制樁施工周期較短，質量易于控制，在經濟性相近的情況下，本工程建議采用方案一作為地基基礎處理的最佳方案。

4 結論

針對某商業地產項目高層建筑的地基基礎處理工程，考慮不同樁長及樁間距，本文設計了3種預制管樁復合地基和4種CFG樁復合地基，并以成本管控為主要目標，對7種方案進行經濟性對比，得到以下結論。1）在3種預制管樁復合地基方案中，樁長8.0m樁間距1.20m的短樁方案最為經濟，比樁長20.0m、樁間距1.60m的長樁方案造價節省樁長3752m，節約造價84.42萬元。2）在4種CFG樁復合地基方案中，地基處理造價相近，樁長8.0m、樁間距0.74m的短樁方案較為經濟。3）根據預制管樁與CFG樁兩種樁型復合地基造價對比可知，CFG樁復合地基的短樁方案較預制管樁復合地基的短樁方案更為經濟，可節省基礎造價9.79萬元，相差較小。通過綜合對比，預制管樁在質量控制及施工周期方面具備較大優勢，因此在經濟性相差較小的情況下，本項目推薦采用樁徑0.40m，樁長8.0m，樁間距1.20m的預制管樁復合地基方案。

參考文獻

[1]李玲.基于復雜地質條件的高層建筑地基處理探究[J].工程抗震與加固改造，2024，46（1）：188.

[2]陳啟貴.高層建筑巖土勘察分析及地基處理技術應用研究[J].工程與建設，2023，37（6）：1688-1690.