旧广州水泥厂地块B2写字楼核心筒桩基础设计

[摘要] 旧广州水泥厂地块B2写字楼核心筒基础为大型预应力混凝土管桩基础，采用JCCAD“桩筏、筏板有限元计算”模块进行设计。本文以B2写字楼为例，探讨了有限元模型中两个关键参数“粘土基床系数”和“桩刚度”的取值方法，并通过8种工况的试算，详细介绍了上部结构刚度、防水板刚度和混凝土弹性模量折减等影响因素的设计思路。实现了高层建筑核心筒桩基础的合理设计。

[关键词] 基床系数桩刚度上部结构刚度防水板刚度弹性模量折减

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

工程概况

本工程位于广州市荔湾区西湾路，总建筑面积38495m2。地上26层，地下2层（局部3层），1～2层为裙楼，3～26层为塔楼，塔楼与裙楼间设抗震缝。核心筒平面尺寸为12.6m×12.6m，塔楼部分平面布置如图1。，

本工程采用静压式预应力管桩，承台尺寸为20m×20m×1.8m；核心筒下共有管桩113根，桩径500mm，桩中心距2m，单桩承载力特征值2000kN，有效桩长约15.0～25.0m。根据工程勘察资料，桩端持力层为强风化砂岩（修正后的标准贯入击数N＝50～60击），桩侧土层（3－1）粉质粘土、（3－2）粉质粘土、（3－3）粉质粘土、（4－c）全风化砂岩、（4－I）强风化岩块。核心筒下桩承台平面如图2。

桩基础概念设计

粘土基床系数和桩刚度是准确进行桩基础有限元分析的关键参数。本文通过单桩沉降和群桩沉降试算，选取合适的桩基础沉降值，再由JCCAD反算得到上述两参数。

单桩沉降、群桩沉降手算方法不能考虑承台整体和上部结构刚度调整沉降的作用，主要用于初步设计阶段，最终应采用上部结构－承台－桩同作用有限元方法进行分析。

图1 塔楼部分平面布置

单桩沉降计算（桩中心距大于6d）

根据《建筑地基基础设计规范》（广东省标准）

图2 核心筒桩承台平面

第10.2.12条[1]，桩中心距大于6d时，单桩沉降的估算可不考虑相邻桩对沉降的相互影响，其沉降可按下式估算：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

式中为桩身压缩变形量，为桩底岩土沉降量，为桩身平均压应力，为桩身截面积，桩长分别取20m、15m、10m，桩身材料弹性模量为3.8×104N/mm2，综合系数取0.9，桩底端直径为500mm，持力层岩土变形模量花岗岩取180MPa，泥质软岩取125MPa，桩顶压力标准值取单桩承载力特征值2000KN，桩底反力分别取500KN，800KN和1200KN。单桩沉降量在上述条件下计算数值详表1。

根据管桩基础的特点和广东的工程经验，可利用单桩静载试验资料数据来估算管桩基础的最终沉降量。当管桩桩端持力层为N≥50的强风化岩时，最终沉降量可按单桩静载试验时单桩承载力特征值所对应的试验桩桩顶沉降量的2.0～3.0倍进行估算[2]。表1计算结果与经验估算值也是接近的。

群桩沉降计算

根据《建筑地基基础设计规范》（广东省标准）第10.2.13条[1]，桩中心距小于或等于6倍桩径的桩基，群桩最终沉降仍可按式（1）计算，其中按式（2）计算，取2000kN，取785.4 kN，取有效桩长16m，经计算=3mm。

宜按下列的分层总和法计算：

（6）

桩基沉降计算深度处的附加应力与土的自重应力宜符合下列公式要求：

（7）

（8）

假定桩基附加应力作用于桩端平面，作用面积取桩承台的水平投影面积，平均附加应力可取群桩总竖向力除以作用面面积。计算深度取38m可满足式（7）、式（8）。计算深度范围内土层按（4－I）强风化岩块考虑，土的压缩模量为151MPa，平均附加应力系数、及附加应力系数按规范相关条文取用。经计算=834.8kN/m2，=37.1mm，=40.1mm。群桩沉降一般大于单桩沉降量[2]。

有限元试算

在考虑上部结构刚度且不考虑防水板作用时，通过JCCAD桩筏、筏板有限元试算，桩刚度取为150000 KN/m，基床系数取为13000KN/m2，桩基础沉降与手算结果较吻合。同时土反力标准值约为承载力特征值fak的2/3，土反力约为全部反力的20％。

有限元试算沉降及反力结果详图3，图4。

桩基础有限元分析

通过JCCAD“桩筏、筏板有限元计算”，以确定上部结构刚度、防水板刚度和混凝土弹性模量折减对桩基沉降、桩土反力和承台配筋等计算结果的影响程度，从而实现桩基础的合理设计。现按下列8种工况计算，结果详表2。

不考虑上部结构刚度与防水板的刚度作用

（⑤ 同时考虑混凝土弹性模量折减系数0.8）；

考虑上部结构刚度，但不考虑防水板刚度作用

（⑥ 同时考虑混凝土弹性模量折减系数0.8）；

不考虑上部结构刚度，但考虑防水板的刚度作用

（⑦ 同时考虑混凝土弹性模量折减系数0.8）；

④既考虑上部结构刚度，又考虑防水板的刚度作用

（⑧ 同时考虑混凝土弹性模量折减系数0.8）。

比较工况①和③、②和④，考虑防水板刚度后，沉降、最大地基反力、桩反力和配筋都有所减小，但区别不明显。说明每个承台基本都能自平衡，防水板大部分为构造配筋，可不参与整体计算。

比较工况①和②、③和④，考虑上部结构刚度后，防水板配筋大幅减小，说明上部结构刚度对改善核心筒角部应力集中作用较大。

比较工况①和⑤、②和⑥、③和⑦、④和⑧，考虑混凝土弹性模量折减（即混凝土带裂缝工作）后，沉降、最大地基反力和桩反力增大，配筋减小。

综合上述结论，本工程可不考虑防水板刚度作用，应考虑上部结构刚度，偏保守不考虑混凝土弹性模量折减。

图3 有限元试算沉降值 图4 有限元试算桩反力及土反力

单桩沉降量s计算结果 表1

8种工况下桩基础有限元分析结果表2

结论

(1) 规范中单桩沉降计算值与经验估算值较接近，可作为粘土基床系数和桩刚度选取的依据。

(2) 在桩基础设计过程中，上部结构刚度、防水板刚度和混凝土弹性模量折减等影响因素的取舍，应通过JCCAD“桩筏、筏板有限元计算”分析确定。

参考文献

[1] 建筑地基基础设计规范(DBJ 15-31-2003) [S]. 北京：中国建筑工业出版社, 2003

[2] 锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程(DBJ/T 15-22-2008)[S]. 北京：中国建筑工业出版社, 2009

[3] 杨位洸. 地基及基础[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 1998