浅谈超高层建筑的基础设计

摘要：本文以工程实例对超高层建筑的基础选型等方面进行了分析阐述，供工程技术人员参考。

关键词：超高层建筑；基础设计及优化；嵌岩桩；

1 工程概况

九江金融中心是以商业、办公为一体的高层建筑群，分别由4栋接近百米的高层建筑和1栋近300米的超高层建筑组成，5栋建筑地下室连成一个整体。本文仅讨论其中超高层建筑的基础设计。该建筑长、宽、高分别为 63.0m，64.45m，293.9m。主楼地下室层数 4层（局部设夹层），四周相邻地下车库为2层，地上 67层（含机房层）。结构体系为框架-核心筒+环带桁架，地下室顶板及以下楼层采用钢筋混凝土现浇梁板，地面以上楼层采用钢梁+钢筋混凝土组合楼板，其中地上51125.14 m2，为办公、商业用途；地下为车库、设备用房。地下1、2、3、4层层高分别为6.8m、4.8m、4.0m和4.0m，首层6.0m，2～4层均为5.1m，5层及以上主要层高为4.2m，其中第21层、31层、41层和51层设置为避难层，层高4.8m，并利用避难层作加强层，布置4道环带桁架以增加外框结构的整体性和抗侧能力。地下一层层高6.8m>首层6.0m，故地下室核心筒外墙截面加厚并在柱间增加墙体，以满足嵌固端上下层刚度比的要求，即地下一层侧向刚度不宜小于首层侧向刚度的2倍。

2 岩土工程概况

场地原始地貌为八里湖冲洪积盆地地貌，地形起伏较大，近期经人工改造（堆积或开挖）现地面大多地段较为平整，南端及东端部分地段地势稍高，北西部局部地段处八里湖水域内，勘察期间钻孔孔口标高21.88～14.69 m，地面高差约7.0m。八里湖近年最高洪水位为19.65m（黄海高程）。

在钻孔平面位置控制范围及控制深度内，场地内岩土层有：①层第四系素填土；②层第四系全新统冲洪积层粉质黏土；③层第四系上更新统冲洪积层粉质黏土；④层第四系下更新统冲洪积层（卵石、粉质黏土）；⑤层第三系新余群泥质粉砂岩；⑥层第三系新余群砂岩与砾岩互层，六大层12个工程地质单元体。各岩土层承载力值 及有关参数见下表。本场地内不存在饱和砂土和饱和粉土，可不考虑液化影响。

3 地基基础设计

根据地勘报告和上部结构计算，在超限高层专项审查预审阶段，采用了桩基+3.5m厚筏板的基础形式，桩长15m，桩端持力层为⑤4层微风化泥质粉砂岩，单桩承载力特征值Ra=6000KN。对此专家组评审提出了“对天然地基和桩基宜进一步论证，是否可采用⑤4微风化岩层作为天然地基持力层而不做桩基，建议做原位测试。”的意见，认真听取后重新进行基础设计。

±0.000相当于黄海高程22.550m，抗浮水位-2.900m（高程19.650m），承压计算水位-9.050m（高程13.500m），基础埋深为23.1m，筏板板底绝对标高为-0.55m，基底下基本为⑤3层中等风化泥质粉砂岩。主楼竖向恒载、活载、基础底板自重及扣除承压水位水浮力影响后的竖向总荷载标准值为2497496KN，基底面积约为4000O，得到标准组合下基底平均压力625KPa，⑤3层地基承载力520KN（为中等风化岩石，不进行深度修正）小于上部荷重，做现场平板试验进行原位测试或可满足承压要求。但由于后来建筑方案调整，主楼地下室由四层改为地下三层，基底下为⑤1、⑤2层全风化、强风化泥质粉砂岩交界处，⑤2层强风化岩，岩质软，遇水易崩解，层厚小，承载力与上部压力相差更远，不宜做天然地基持力层。故放弃选用天然地基的做法，仍做桩基。

三层地下室基础埋深为19.2m，筏板板底绝对标高为3.35m，桩顶绝对标高为3.45m，竖向荷载考虑两种工况：11.0恒+1.0活-1.0低水位水浮力；21.0恒+施工荷载，最终以工况1控制，总荷载标准值为2829496KN，基底面积约为3500O（不含外挑部分），暂以A 1000直径桩为例，桩间距3.0d，满堂布桩约可布388根，反算单桩承载力每根桩至少要达到7700KN。根据地勘报告，⑤3层中等风化泥质粉砂岩和⑤4层微等风化泥质粉砂岩属软岩，岩体完整程度为较完整，发育少量裂隙，岩质软，遇水易崩解，岩体基本质量等级为Ⅴ级，工程地质性能稳定，承载力高，层厚大，是桩基良好的桩端持力层。以孔点QK25为例，桩端进入⑤4层持力层，按规范公式计算，对嵌岩桩桩周侧阻力仅计算嵌岩段以上部分，故桩端嵌岩1m即可，再加长对提高桩承载力效果不大，此时桩总长7m，单桩极限承载力计算值仅为7600KN。远不能满足设计需要，故需采取提高单桩承载力的方法。后注浆灌注和桩端扩底都是提高单桩承载力的好方法。不过，后注浆灌注桩是利用钢筋笼底部和侧面预先埋设的注浆管，在成桩后2-30天内用高压泵进行高压注浆，使后注浆液固化沉渣（虚土）和泥皮，改善桩土结合状态，并加固桩底和桩侧一定范围内的土体，来大幅提高单桩承载力，增强桩的质量稳定性，减小桩基沉降。此方法在砂土地区得到了广泛的应用，而本工程处于岩石区，桩周裂隙少，岩体较完整，并不适宜使用。所以最终采用灌注桩桩底扩大的方法，既能充分利用桩端阻力，又比直接增大桩径节省造价，经济又合理。

4 基础优化设计

由于建筑位置在湖边，场区内地下水较丰富，根据场地工程地质及水文地质条件，较适宜采用钻（冲）孔灌注桩，钻孔灌注桩为不挤土桩，其穿越性强（尤其是长螺旋钻孔灌注桩），能使桩端较顺利达到持力层设计标高，对地层的适应性较强。可根据实地勘察并结合周边桩基施工经验，人工挖孔亦可，且未见水析出，也无孔壁垮塌现象、孔内涌水等现象发生。原来施工时为秋冬季，正值八里湖的枯水期，水位很低。加上人工挖孔有施工操作方便，全面展开来施工可有效缩短工期，清孔干净，便于控制孔底沉渣厚度等优势，最终决定采用人工挖孔桩工艺。仍以孔点QK25为例，桩径A1000不变，桩端做A1600扩大头，扩底高度1000mm，孔底沉渣不大于50mm，桩端进入持力层1m，桩长约7m，不计扩大头斜面及扩大头变截面以上2m长度范围内的侧阻力，单桩极限承载力计算值仅为13200KN。为得到更准确的数据，优化桩基设计，以此在场地内做5根桩试桩，根据静载荷试验结果确定最终的桩承载力，试桩最大加载量分别为25000KN，17000KN，18500KN， 17000KN和18500KN，低应变法检测基桩完整性类别均为Ⅰ类。

上图依次为3根试桩的Q-S曲线（另两根类同），曲线呈缓变形，第1根为破坏性试桩，加载至22500KN时沉降急剧下降，单桩极限承载力取值为22500KN，比计算值提高约70%。但根据加载情况和Q-S曲线，桩周土侧阻力实际上比计算值发挥了更大的作用，可见规范公式对于嵌岩桩承载力的计算仍显保守，建议设计嵌岩桩时最好以静载荷试验结果为依据，避免计算值过小造成成本上的浪费。最终单桩极限承载力标准值确定为17000KN，单桩承载力特征值8500KN，布桩总数386根。根据荷载布桩，桩尽可能密布在核心筒和框架柱下，使基底反力分布模式与上部荷载分布一致，减小筏板内力，达到不仅上部荷载与桩反力不仅整体平衡，而且局部平衡。

筏板厚度经过计算确定为3500mm厚，板内配两排32@180通长钢筋，并在筒体下板底附加钢筋以平衡筏板内不均匀弯矩。消防电梯基坑深6.5m，电梯基坑板底标高为-25.700m，绝对标高-3.15m，若仍做桩，桩身将穿过中风化岩和部分微风化岩石，人工开挖十分困难，此时引入挖桩机更不现实。地基基础规范规定，当桩端无沉渣时，桩端岩石承载力特征值和基础岩石地基承载力特征值都是按基岩载荷试验方法或根据室内饱和单轴抗压强度计算确定的。因此岩石地基中同层次、同位置、同面积的桩端岩石承载力和岩石基础的地基承载力是相同的。岩石地基上的桩端承力和埋置深度无关，不存在天然土层中的桩的“深度效应”问题，只存在和岩石风化程度、岩石构造等有关的问题。此时坑底已与周围桩桩底标高接近，位于同一标高持力层上，中风化岩天然地基承载力可通过平板试验确定，故取消桩，局部做天然地基。电梯基坑相关范围桩取消后，要求其下岩石地基承载力至少达到1300KPa，而地勘给出的建议值仅为520KN，相差甚远，但分析两者的试验条件可知，抗压试验时，岩石试件处于无侧限单轴受力状态；而实测地基承载力在处于有围压的三轴应力状态，如果地基相对完整，则后者远远高于前者。因此以1500KPa为试验值现场做平板载荷试验，经过检测岩石地基承载力完全可以达到1300KPa的设计要求。至此桩总数减少36根，实际布桩350根。

5 结语

基础设计是结构设计中不容忽视的重要部分，对于基础方案的选择更是重中之重，避免仅仅通过地勘报告内容和规范给出的计算公式就贸然选择基础形式，应结合现场实际情况、原位试验和自身经验、力学概念进行多次多方面比较，正确选择施工工艺、基础型式和承载力，力求使我们的设计更经济、更合理。

参考文献：

[1]GB 50007-2011.建筑地基基础设计规范[S].中国建筑工业出版社.2011

[2]张雁.刘金波.桩基手册[M].中国建筑工业出版社.2009