超高层建筑桩基础优化设计

来源：职称阁分类：建筑论文时间：2019-04-09 11:09热度：

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超高层建筑桩基础优化设计

　　关键词:超高层建筑，桩基础，优化设计

　　1概述

　　随着近二十年的改革开放，我国社会经济高速发展，优势资源集中促进人口集聚，于是位于沿海等较为发达的地区出现了很多特大型、大中型城市。这些地区的特点是人口密集，资源集中，财富集聚，由此也面临着土地紧张，活动空间需求较大等大型城市问题，超高层建筑物无疑是一种最佳选择。从建筑结构设计角度，超高层建筑物层数多、上部结构荷载巨大，导致结构在恒载、活载、地震作用以及风荷载作用下的受力问题突出，由此带来的结构基础部分的工程量在整个项目中的占比居多，同时基础设计问题也更加重要，包括基础选型、材料用量、施工周期、工程造价等。因此，需要综合考虑工程经济效益，包括基础本身的工程造价，以及土方、降水、施工条件和工期等因素。深圳地处珠江三角洲前沿，场地土层较为特别，其上部多为粉质粘土以及砂土互层，下部往往出现岩层，因此超高层建筑物多采用桩筏基础形式，且以岩层作为桩端持力层。在这里，以一工程实例对桩基综合经济性进行优化评估。

　　2项目概况

　　本项目位于深圳北站东侧北部，为超高层建筑，塔楼地上58层，地下3层。建筑高度为260.6m，结构高度为248.6m。平面尺寸为46.8m×46.8m，核心筒尺寸为24.8m×24.2m。柱距为10m，四个大角度斜柱转换区域，大约位于1/5～4/5高度处，塔楼采用钢管混凝土外框架—钢筋混凝土核心筒混合结构体系。地下室共3层，基础埋置深度14m，基础采用灌注桩基+筏板基础形式，其中办公主塔楼核心筒区域板厚为2400mm，对应板混凝土强度等级为C45，并采用90d设计规定龄期的混凝土，办公主塔楼非核心筒区域板厚为800mm，对应板混凝土强度等级为C35，并采用28d设计规定龄期的混凝土。

　　3工程地质条件

　　拟建建筑物地处南亚热带，属海洋性季风气候，冬暖夏凉，气候宜人，雨量充沛，四季常青。场地原始地貌单元为剥蚀残丘及丘间洼地，现已经人工整平。现状地势开阔，地形较平坦，地面高程在77.61m～79.78m，最大高差2.17m。地下水高水位相对标高为-1.0m，地下水对混凝土结构具有微侵蚀性。场地内未见岩溶、滑坡、崩塌、泥石流等不良地质作用，场地内未见软弱土层及液化土，拟建场地属对建筑抗震一般地段，场地分布较厚新近堆填的人工填土层，场地内存在孤石等不均匀风化现象。桩顶相对标高-14.100m，高程为-12.400m，沿桩身地基土分布情况如下:素填土①1:堆积时间2年～10年，压缩性较高，物质组分不均匀，分布范围较广，工程性质差;填石①4:堆积时间2年～10年，松散，局部分布，结构和组分不均匀，工程性质一般;杂填土①6:堆积时间2年～10年，物质组成不均匀，结构松散，工程性质较差;粉质粘土②3:呈可塑状态，该层分布较广泛，压缩性中等，工程性质一般;砾砂②6:饱和，稍密～中密，场地内局部分布，压缩性中等，工程性质一般，渗透性、富水性好，水量丰富，基坑开挖时易产生涌砂等渗透变形现象;砾质粘性土⑦1-1:呈可塑状态，该层分布较广泛，压缩性中等，工程性质一般;砾质粘性土⑦1-2:呈硬塑状态，该层分布广泛，压缩性中等，工程性质较好，该层土用作坑壁或边坡坡面时，自稳能力较好;全风化粗粒花岗岩⑧1:该层分布广泛，岩芯呈较坚硬土柱状，力学强度较高，工程性质较好，承载力较高，但分布厚度不均匀，不宜作为拟建建筑的桩端持力层。砂土状强风化粗粒花岗岩⑧2-1:该层分布广泛，岩芯呈砂土状，厚度变化较大，力学强度较高，工程性质较好，承载力高，不宜作为高层拟建建筑的桩端持力层，可用作一般建筑物的桩端持力层;块状强风化粗粒花岗岩⑧2-2:该层局部分布，岩芯呈块状，力学强度较高，工程性质较好，承载力高，不宜作为拟建高层建筑的桩端持力层，可用作一般建筑物的桩端持力层;中等风化粗粒花岗岩⑧3:该层分布广泛，厚变化较大，岩芯呈块状～短柱状，力学强度较高，工程性质较好，可作为拟建建筑的桩端持力层;微风化粗粒花岗岩⑧4:该层构成本拟建场地基底，岩芯呈短柱状～长柱状，较完整，力学强度高，工程性质好，为拟建建筑的理想桩端持力层。该场地采用灌注桩的桩侧极限摩阻力标准值fs和桩端极限端阻力标准值fp值见表1。其中，粘性土层、砂土层以及全风化、强风化花岗岩层侧摩阻力较大，而微风化粗粒花岗岩层其端部承载力较大为55MPa。因此，在桩长较为合理范围内尽量采用端承力较大的微风化岩层作为持力层从典型地质剖面图可以看出，基础底部标高基本位于砾质粘性土⑦1-2土层，基础底部以下土层基本为花岗岩层(包括全风化、强风化、中风化和微风化花岗岩层)，其中约43m深处为微风化粗粒花岗岩⑧4土层。

　　4桩基优选

　　4.1持力层的确定

　　通过结构受力分析结果，超高层结构桩基础主要为受压控制，外围框架柱底最大压力标准值约为62000kN，内部核心筒在恒载和活载作用下的压力标准值为1526865kN，结构下部地质土层分布情况，选择距离基底约为43m处的微风化粗粒花岗岩⑧4土层作为基桩持力层较为合理，一方面采用端承桩对于受压控制的桩基更为经济，另一方面采用端承桩可以有效控制超高层基础的整体沉降值，进而减少附加内力，结构受力更为合理。

　　4.2桩长的确定

　　从地勘报告中提供的地质土层分布剖面图中可以看出，微风化粗粒花岗岩⑧4土层起伏较大，因此在桩基施工时需进行预钻孔探明持力层位置，进而确定对应位置处的端承桩的桩长，同时需保证桩端进入微风化持力岩层深度不小于0.5m。经过实际工程配合，该塔楼下基桩桩长约为40m～50m不等。

　　4.3桩径的选择

　　该工程项目桩基为端承桩，从施工开挖便利性角度考虑，对于主体结构外围结构柱下宜采用一柱一桩形式，因此桩径的大小直接由柱底压力标准值的大小来决定，同时考虑到外围结构柱底部受力较大，因此相应的桩径也会较大，另外还需验算桩身混凝土强度满足基桩受力要求。在这里，外围结构柱下的桩径分别为2500mm和2800mm，桩身混凝土强度为C40等级，单桩承载力特征值分别为50000kN和62000kN。对于内部核心筒下基桩桩径的选择，需综合考虑核心筒底部受力大小和受力分布特点、核心筒结构剪力墙的布置尽量做到墙下布桩，另外还需考虑基础底板厚度大小从综合经济性角度来合理选择桩径。此外，在选择灌注桩桩径时，不同桩径需采用不同钻头，故而桩径种类不宜过多。综合多方因素，核心筒下桩径共有两种，分别为2000mm和2800mm，桩身混凝土强度为C50等级，单桩承载力特征值分别为38500kN和76000kN。

　　4.4布桩方案的选择

　　超高层结构桩基设计中，当持力层，桩长和桩径基本确定后，需选择合理的布桩方案。通常情况下，对于端承型桩，如上所述，主体结构外围结构柱下宜采用一柱一桩形式。而内部核心筒其结构受力特点为，外围墙下桩受风荷载组合下的荷载工况控制，而核心筒内部桩受恒活组合下的荷载工况控制。内部核心筒布桩时需综合考虑经济性、施工便利性、结构受力合理性等因素进行。在这里，对三种布桩方案进行对比分析，布桩方案如图1所示。布桩方案1中外围墙下布置了20根直径为2800mm的桩，内部墙下布置了4根直径为2800mm的桩，如图1a)所示，经受力分析，桩基受力冗余度为1.195，其中内部墙下的桩基受力冗余度仅为1.04，安全余量较小。基于该方案，提出了布桩方案2，该方案中外围墙下同样布置了20根直径为2800mm的桩，内部墙下布置了4根直径为2800mm的桩和2根直径为2000mm的桩，详见图1b)，经受力分析，桩基受力冗余度为1.245，其中内部墙下的桩基受力冗余度仅为1.30，安全余量较方案1中大幅提高。布桩方案3中，外围墙下也布置了20根直径为2800mm的桩，而内部墙下布置了8根直径为2000mm的桩，详见图1c)，经受力分析，桩基受力冗余度为1.197。针对上述三种布桩方案，在这里也对基础底板的厚度、配筋和抗剪抗冲切承载力进行了相应对比分析，如表2所示。对三种布桩方案下基础核心筒底板结构设计结果进行对比，方案1下底板厚度取值最小为2000mm，因该方案布桩均在墙下，故而无冲切问题，但核心筒下底板跨度相应较大，板底配筋率和外围墙下板顶配筋率较大，为0.5%;对于方案2中，因部分布桩未在墙下，故而底板厚度相应增加为2400mm，在此情况下桩对底板抗冲切比最小值为1.09，满足抗冲切受力要求，而此时因布桩减小了底板板跨度，相应的基础底板板底和板顶配筋降低为0.42%;而对于方案3，因底板板跨度较大，故而板厚取值增大到2500mm，桩对底板抗冲切比最小值为0.97，不满足抗冲切受力要求，同时板底配筋率和外围墙下板顶配筋率较大，为0.5%。综合上述三种布桩方案下包括基桩自身的结构受力情况，安全余量，经济性以及基础底板的经济性设计等因素，方案2为最佳布桩方案。

　　4.5经济性分析

　　通过对超高层建筑物灌注桩持力层、桩长、桩径以及布桩方案的对比选择，结论如下:1)对于超高层建筑物底部地质土层中存在微风化岩层时，优选端承型桩，一方面受力合理，同时可以解决结构整体沉降问题。2)当采用端承型桩时，主体结构外围结构柱下宜采用一柱一桩形式，主体结构内部核心筒下则需优选布桩方案，在此过程中，需结合综合经济效益，桩径大小的种类不宜过多。3)对于嵌岩桩，在桩基施工时需进行超前钻来确定不同位置桩长。4)主体结构内部核心筒布桩时，需根据桩基本身受力特点(即外围墙下桩受风荷载组合下的荷载工况控制，而核心筒内部桩受恒活组合下的荷载工况控制)进行布桩方案优选。在优选方案时，综合基础底板的受力情况和经济性情况来确定最佳布桩方案。

　　5结语

　　深圳地区超高层建筑物桩基础设计中，因该地区多为端承型桩基，在确定持力层、桩长、桩径以及布桩方案时需从综合经济效益角度考虑，结合施工难度，工程周期等因素来进行优选。

　　参考文献:

　　[1]GB50007—2011，建筑地基基础设计规范[S].

　　[2]JGJ94—2008，建筑桩基技术规范[S].

　　[3]徐晨宇.某滨海住宅小区多栋建筑桩基础优化设计[J].山西建筑，2012，38(7):76-77.

　　作者：戴嘉琦单位：同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司

文章名称：超高层建筑桩基础优化设计

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