高层建筑地基基础选型分析

王新强

摘要：本文结合工程实例，根据地质条件及勘探参数对建筑地基基础选型问题进行了阐述，针对地基强度要求及建筑物沉淀变形进行了分析研究，提出了合理的高层建筑地基基础选择方案，以达到规范要求的目的。

关健词：高层建筑；地基基础；选型；变形分析

0 引言

地基基础工程是建筑工程的重要组成部分，其质量好坏直接关系到高层建筑物的结构安全。对于地基基础工程的重要性，建设工程人员必选选择合理正确的地基基础，在保证建设项目工程质量的同时，确保地基基础持力层满足设计要求及地基土条件工程要求。现以实践工程项目，就地基基础选型问题作相关分析研究。

1 工程概况

拟建项目属超高层建筑，建筑平面形状呈“凹”字形，建筑东西两侧为塔楼，中间为裙房，塔楼和裙房之间设沉降缝；西侧高塔为超高层，共35层，总高约200m（结构高度180m），长宽为66.60m×42.00m，东侧低塔为高层，共17层，总高约80m（结构高度68m），长宽为66.60m×31.00m，两个塔楼中间为五层裙房，高约18.6m，长宽为45.55m×54.80m；场地整体设4层地下室，为大底盘不设缝，深约22.8m。高塔（超高层）部分荷载标准值约950KN/m?，单柱荷载标准值约50000～60000 KN；低塔（高层）部分荷载标准值约420KN/m?，单柱荷载标准基础，单桩极限承载力25000～30000kN。

2 场地工程地质条件

拟建场地原始地貌属海成二级阶地。经钻探揭露，场地岩土层由素填土（Qml）、第四系中更新统（Q2mc）和第四系下更新统（Q1mc）以及上第三系上新统（N2m）的海相、海陸交互相沉积层构成。其中①层素填土，松散，层顶平均标高为18.14m，平均厚度为2.41m；②层粘土质砂，松散～稍密，层顶平均标高为15.28m，平均厚度为5.27m；③层粘土，可塑，层顶平均标高为10.00m，平均厚度为2.42m；④层砾砂，稍密～中密，层顶平均标高为7.58m，平均厚度为6.69m；④-1层粉质粘土，可塑，层顶平均标高为0.90m，平均厚度为3.18m；⑤层粘土，可塑，层顶平均标高为-3.45m，平均厚度为9.83m；⑥层砂质粘土，可塑，层顶平均标高为-13.28m，平均厚度为1.75m；⑦层粘土，可塑～硬塑，层顶平均标高为-15.03m，平均厚度为13.73m；⑧层粘土，硬塑～坚硬，层顶平均标高为-28.76m，平均厚度大于50m。

3 地基基础选型分析

建筑物地基基础方案的选择不仅需要满足地基土的强度要求，同时也要满足建筑物的变形要求，主要是满足沉降变形的要求。

3.1 地基土强度与地基承载力

根据现场实际情况，场地地面标高约为16.50m，±0.00标高为17.80m，基坑开挖深度自±0.00标高向下24.10m，即地下室底板标高为-6.30m，而⑤层粘土的层顶平均标高为-3.45m；因此基坑开挖后基底土层主要是⑤层粘土层，零星分布有④层砾砂，由于两者工程性能差异不大，均按⑤层粘土层考虑。天然地基承载力特征值取fak=220kPa.

由于基坑开挖深度约22.80m，考虑基坑开挖后基底土层的卸荷效应，其基底地基土承载力应进行深宽修正，根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2001）第5.2.4条承载力公式：

fa=fak+ηbγ（b-3）+ ηdγm（d-3）

式中，各符号意义同《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011（5.2.4）式。

根据地下水位情况，可知①层素填土、②层粘土质砂和③层粘土取天然重度；④层及其以下取有效重度，水重度9.81 kN/m3，各土层的重度取表3中数值，各土层的含水量、孔隙比取表1中数值。经计算：④层γ?=11.19 kN/m3，④-1层γ，?=8.90kN/m3，⑤层γ，?=7.87 kN/m3，据此γm≈14.16 kN/m3。由于⑤层粘土孔隙比大于0.85，修正系数取ηb=0、ηd=1.0；

因此，修正后的地基承载力设计值为：

fv=fak+ηbγ（b-6）+ ηdγm（d-3）=220+1.0×14.16×（23-3）=483.2 kPa；

根据设计要求，西侧超高层塔楼的荷载标准值约950KN/m?（即950kPa），东侧高层塔楼荷载标准值约420KN/m?（即420kPa），裙房部分荷载标准值约190KN/m?（即190kPa）。

对比东西塔楼以及裙楼对地基承载力的要求，初步判定东侧高层塔楼以及裙房可采用天然地基深基础，以⑤层粘土作为主要地基持力层；而西侧超高层塔楼不能采用天然地基，适合采用桩基础，桩型采用钻孔灌注桩，以⑧层粘土作为桩端持力层。

3.2 建筑物的沉降变形分析

根据上节分析，东侧塔楼以及裙房可采用天然地基，西侧塔楼适合采用桩基础。若要保证该工程的质量安全，东、西塔楼均需满足沉降变形要求；相应的沉降分析如下：

Ⅰ、东侧塔楼：采用天然地基筏板基础，以⑤层粘土作为地基主要持力层，当基坑开挖至基底，基底⑤层平均厚度为6.98m，⑥层平均厚度为1.75m，⑦层平均厚度为13.73m，以下均是⑧层粘土，厚度深达地下100m，计算沉降变形时均取平均值。

利用分层综合法估算其沉降量如下：分层厚度取0.4b，b=31.0m，即取12.4m，考虑地层的变化，上部分层厚度对应取地层变化处作为分层点，⑧层粘土按0.4b进行分层。计算公式为

式中，各符号意义同《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011（5.3.5）式。

然后利用《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011 附录K矩形面积上均布荷载下角点的附加应力系数α表计算附加应力，其中L/b=2.15，计算深度ā0i≈（0.1～0.2）āCi；同时利用σc=γ*Z（γ地下水位以下取有效重度），⑥层γ，=7.95 kN/m3，⑦层γ，=8.13kN/m3，⑧层γ，=8.89kN/m3，求自重压力，并根据该规范5.3.5条最终变形量计算公式，计算出分层沉降量，计算结果见表1。

表1 用分层综合法计算地基最终沉降量表

Ⅱ、西侧塔楼：采用钻孔灌注桩基础，以⑧层粘土作为桩端持力层，根据设计要求单桩极限承载力为25000-30000kN，要满足如此高的强度要求，应对其桩径和桩长进行估算，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）第5.3.6条大直径桩单桩极限承载力计算公式：

式中，各符号意义同《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）（5.3.6）式。

在此，以桩径φ=1200mm，桩长95.81m的钻孔灌注桩为例，估算单桩沉降量，单桩极限承载力按30000kN计算，依据单桩沉降计算的分层总和法，假设单桩的沉降主要由桩端以下土层压缩而成，桩侧摩阻力以一定扩散角向下扩散，扩散到桩端平面处用一等代的扩展基础代替，扩展基础的面积为Ae，相应的沉降计算公式如下：

式中，各符号意义同《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011（5.3.5）式。

經计算： 为17.59°，γ，为8.69kN/m3，混凝土按 2.45t/m3，经计算Ae=199.22m2，直径为15.93m，桩顶设计荷载按F= 15000kN，G=G土+ G桩=164916.79kN+2600.37 kN=167517.16kN，σ0=83.62kPa，即在扩展基础底面以下土中的应力σz可根据基础底面附加应力σ0和布辛涅斯克（Boussinesq）解确定，由于桩端平面以下仅有⑧层粘土，利用分层综合法，分层厚度取0.4b（圆形面积等代成正方形），b≈10.0m，即取4.0m；利用《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）附录K圆形面积上均布荷载下中点的附加应力系数α和平均附加应力系数ā表计算附加应力。

根据表1，结合《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）分析，东、西两塔楼沉降计算深度若按ā0i≈0.1āCi控制，可以估计压缩层深度均在第7层分层处，累计总沉降量分别为136.04mm和201.50mm；若按ā0i≈0.2āCi控制，可以估计压缩层深度均在第6层分层处，累计总沉降量分别为130.48mm和192.09mm，基本满足《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）第5.3.4条规定的地基变形沉降允许值（计算时，东侧塔楼压缩模量当量平均值为13.57，由于p0≥fak，ψs=0.5073）。

考虑超高层建筑物采用桩基础时，桩长长达95.81m，属超长桩；根据邻近工程经验，采用钻孔灌注桩的后压浆施工工艺，单桩极限承载力一般可提高20-30%，单桩承载力按提高30%计算，对于桩径φ=1200mm，单桩极限承载力满足30000kN时（即提高前为21000kN），其桩长为66m，按照上述超高层建筑的单桩沉降量计算方法，经计算，当计算深度满足按ā0i≈0.2āCi时，累计总沉降量为217.80mm，满足规范要求。

4 工程动态分析

该项目目前仍在建设中，东侧塔楼建成已一年多，西侧塔楼已建至30层，东侧塔楼采用天然地基筏板基础，西侧塔楼采用钻孔灌注桩后压浆施工工艺；西侧塔楼设计时工程桩桩径φ=1200mm，桩长分别为56m和66m，对应的极限承载力分别为26000 kN和30000kN，经检测均满足设计要求。从现有的沉降监测结果，东侧塔楼的目前总沉降量（含基坑底板沉降量）略大于40mm，西侧塔楼沉降量目前接近20mm，沉降量均不大，足以印证地基基础方案的合理性以及勘察成果的可靠性。

5 结语

总之，在高层建筑工程项目中，合理的地基基础方案不但能节约工程投资资金，还能保证工程顺利进行，是工程建设项目的基础点，只有做好此处基础点，才能继续工程的建设施工，从而得到满意的工程建筑。

参考文献：

[1] 杨卉、孙昱斌.基础类型对工程造价的影响[J].建筑施工.2007（11）.

[2] 陈兰云、杜宁、吴育萍、李建华.地基处理方案的模糊判别选择[J].地质与勘探.2004（04）