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1、北京雪莲大厦后注浆灌注桩筏基础与地基土相互作用分析阚敦莉1 孙宏伟1 徐斌1m 自m 4 m * E j 匕自1 0 3 0 4提要北京雪莲太厦地上3 6 层建筑总高度迭到150 m ，王楼与纯地下室连成一体，置于同一个基础筏板上。主楼桩心筒与其外围框架、王搂与纯地下室之问荷载差异走，地基基础须同时满足承载力和地基变形控制要求。本文 L 地基基础选型八手，着重介绍7 后注策钻孔灌注桩设计桩筏基础与地基土相互作用分析、试验桩数据分析、沉降变形计算分析与观剐数据等，为较高的高层建筑的基础设计积累7 经验，对类似工程设计有参考意义关键词：高层建筑后注浆钻孔灌注桩相互作用分析桩筏基础0 前言北京雪莲大
2、厦二期工程位于北京朝阳区三元挢东北角，总高度达到l5 0 m ，建成后将成为三环路和机场高速路上的醒目标志。本工程结构的特点是高层主楼上部结构采用混合结构，即矩形钢管混凝土框架翎筋混凝土核心筒结构，核心筒荷载集度高、刚度大，外围框架刚度相对较弱，荷载集度相对较小，核心筒与其外围框架亦易引起较大的差异沉降。同时超高层写字楼与纯地下室连成一体置于同一个基础筏板上，不能设承久缝，两者荷载相差悬殊，还需要控制和协调超高层主楼与低层裙房之间的差异沉降。本文旨在介绍在较高的高层建筑应用后注浆灌注桩的分析与工程实践，从地基基础选型入手，着重介绍了后注浆钻孔灌注桩设计、桩筏基础与地基土相互作用分析、试验桩数据
3、分析、工程桩承载力检验、沉降变形计算分析与实测数据。1 工程简介本工程为大型综合性建筑，地上部分为一标3 6 层超高层写字楼( 包括设备层及避难层) ，局部出屋顶l 层，建筑 总高度( 室外地面至主要屋面) 为1 4 63 0 m 。最高檐口处高度1 5 37 0 m ( 详见图l J ，地下部分共四层，地下l 层为商业层，地下2 4 层为车库和设备电气机房。本工程的地上部分为带加强层的方钢管混凝土框架一钢筋混凝土核心筒结构体系。地下部分结构形式采用全现浇钢筋混凝土框架一剪力墙结构。建筑结构安全等级为二级-结构设计使用年限为5 0 年。抗震设防类别为丙娄。抗震设防烈度为8 度，设计基本加速度值
4、为0 2 0 9 ，设计地麓分组 为一组，建筑场地类别为类。本工程超高层写字楼与纯地下室连成一体，置于同一个基础筏扳上，地基基础设计等级为甲级。设计室内地坪标高( O0 0 ) 绝对标高为4 03 0 m ，基础板底相对标高为2 08 0 m ，槽底相对标高为一2 09 6 m 。主楼基础采用钢筋混凝十后注浆钻孔灌注桩基础建筑桩基安全等级为一级；纯地F 室部分采用天然地基上的平扳式筏形善础。在主楼和纯地 F 室连接部位设沉降后浇带，地F 室每3 0 4 0 m 间距留出施6 , 3 6q藿=l：；l 削壶三一 曩= 榭l后浇带2 地基勘察资料根据岩土工程勘察报告，本工程地处北京市区永定河洪冲积
5、扇的中下部全新世古河道边缘的台地上，不存在影响拟建场地整体性的不良地质作用，地形基本平坦，自然地面标高约为3 9 0 m 左右。地面以下至基岩顶板间为第四纪沉积士层，岩性分布特征为粘性土、粉土与砂士，碎石类土构成的多元沉积交互层。如图2 所示，有3 个备选的桩基持力层，第1 个桩基持力层较为均匀，但其厚度相对较小，其下为粘性土层；第2 个桩基持力层厚度较大，但层间夹有粘性土层，且粘性土层在空间上的分布具有不确定性；第3 个桩基持力层均匀、密实，且厚度大，但埋深过大。由于粘性土的隔水作用，有多层含水层，实侧水位见表l 。地下水位较高，基底附近有承压水，对基础的抗浮、防水设计极为不利。誓_ 鼍：；
6、= ：露：j = = j ：! = ；=；= i ：；：；= ! = j ：；= ；= ：- ：- ：圈2地下水位情况表1注：水位为钻探期间( 2 0 0 5 年1 1 月上旬) 实测。坫一力- p )l 力i t 琦p J3 基础设计与计算分析3 1 基础选型在初步设计阶段，针对地基基础方案选型C F G 桩复合地基设计方案和后注浆钻孔灌注桩基础方案进行了分析比较，并进行了多次专家技术论证。结合本工程结构特点，地基基础设计的核心问题是控制沉降和差异沉降，地基土层条件并不适合C F G 桩复合地基，最终确定高层主楼采用后注浆钻孔灌注桩方案。3 2 桩基设计基本思路( 1 ) 根据高层主楼上部荷
7、载、结构体系情况，减小主楼核心筒与其外围框架之间产生的差异沉降是核心问题之一，这样可减小桩承台和上部结构的次应力。因此可按变刚度调平设计原理【l 】调整和优化基础设计方案。( 2 ) 高层主楼与纯地下室连成一体，两者荷载相差悬殊，容易引起较大的沉降和差异沉降，应采取措旆控制和协调沉降差。纯地下室地基刚度虑予弱化，抗浮措施，采用适当增加结构自重、地下室顶板覆土、基础底板上回填级配砂石的方法平衡水浮力，与设置抗拔桩和抗拔锚杆的方法相比，不仅可以节约造价、减少施工难度、缩短施工周期，并且利用其回弹再压缩变形，可以减小与高层主楼之间的差异沉降。( 3 ) 核心筒不仅荷载大，而且桩数量多，桩群面积大，群
8、桩效应导致沉降量加大。因此布桩时要重点加强核心筒桩群的支承刚度，尽量减小其沉降奄。而外围框架柱桩基由于荷载相对小，桩数少，沉降量较小，因此要相对弱化外围框架柱桩基支承，按复合桩基设计，以适当增加其沉降使其与核心筒沉降趋于接近。( 4 ) 核心筒基桩力求布置于墙边4 5 0 线以内，以使其冲切力与基桩反力平衡，外围框6 3 7架柱荷载与基桩反力和承台土反力趋于平衡田此可以减少筏扳厚度和配筋。t5 ) 工程桩结合采用桩底、桩俚4 后洼浆J 艺施工，以提高基桩承载力井减小基桩况降变形。( 6 ) 为控制桩底沉渣，提高承载力，施。 中采用双控条件，即计算桩长控制和进入持力层深度( 至少一倍桩径) 控制
9、。33 试桩数据分析压注浆技术是由桩端和桩侧的预坪管阀压入水泥浆，通过浆液的渗透、劈裂、压密等方式，加周泥皮和桩底沉渣的固有缺陷，改善桩土界面，从而大幅应地提高单桩承载能力井有效地减小沉降量，租粒土中的桩承载力增幅可达8 0 1 6 0 ，细粒土中的桩承载力增幅为 4 0 8 慨软土中的增幅晟小。“从北京地区的经验，采用后压浆工艺确实能有效提高钢筋混凝土灌注桩的承载能力，一般可在16 2 倍左右。”“。本工程桩基持力层为粉细砂，与文献 2 1 汇总资料持力层为卵石层有所不同。采取后压浆工艺初步估算基桩容许承载力需要达到7 0 0 0 k N 。由于当时在北京如此长的灌注桩后注装的施工经验井不多
10、，最后需经过成桩搪工和静压桩试验对所选用的桩基承袭力进行验证。本工程在工程桩正式施工前进行了2 组试桩静载试验啦确定工程桩设计依据。试验桩位置选取在建筑物基础范围内未布设工程桩的区域内布设( 详见圈5 ) 并在试验桩周 边专门设置了4 根锚桩，以提供试验过程中的加载反力。试验桩设计参数为：桩径$ O O m m ，桩顶相对标高为2 08 0 m ( 绝对标商1 95 0 m ) 桩长约3 8 r n ，进入桩端持力层( 细砂、粉砂层) 不少于I2 m ，桩身混凝土强度等级C 4 5 ，主筋为1 4 ：1 2 0 均匀布置，保护层厚度7 0 r a m 。试验桩Q u 曲线如图3 所示。静载荷试
11、验结果表明，初步设计所选用的单桩容许承载力为7 0 州，可以满足承载力度变形要求，是合理可行的。! ：墓童錾：攀萋r 、一J 。1t ，- 一 种一o = P = 刊3 4 桩茬土相互作用分析与沉降计算高层主楼与纯地下室连成一体，两者荷载相差悬殊，采用不同的地基方案，高层主楼采明了桩基，但由于荷载大，又有群桩效应，在持力层下有相对较软的土层时，会有较大沉降量：纯地下室荷载较小，地基土处于回弹再压缩状态，亦会产生一定沉降量，设计中要考虑二二者之闻产生的沉降和差异沉辟。车工程采用的上部结构体系，抵抗水平位移的刚度较大，但是抵抗整体竖向变形的刚度较差，加之高层主楼核心简与其外国框桨在刚度和荷载上的差
12、异易引起较大的差异沉降。过大的沉降和差异沉降对上部结构会带来不利影响。根据本 。程地基条i l l 、荷载分布和结构特点，考虑桩与授扳基础及地基七相互作埽原6 3 8理，进行地基变形、基础沉降的计算分析，验证沉降和差异沉降控制在规范允许范围。P l a x i s3 DF o u n d a t i o n 三维基础专业软件是专为筏型基础、桩基础以及近海基础的三维变形分析而设计的有限元分析软件包。它考虑了上部结构和土体之间的相互作用，特别是对于桩筏基础，桩、筏板、土体之间相互作用，共同承担上部荷载。这时相互作用对变形有重要影响。在这种情况下，只有采用适当的模型来模拟土体力学行为和土体结构相互作
13、用，并使用三维有限单元软件才能更加有效地进行分析。P l a x i s 三维基础软件具备以上分析功能。本工程采用该软件进行了桩筏基础沉降变形的计算分析，深入分析评价地基基础方案的合理性与可行性，根据勘察报告确定后压浆钻孔灌注桩的合理桩长、桩径、桩端持力层，以及单桩承载力，优化桩基础设计。3 5 桩基础的优化设计在桩基础设计过程中，对不同桩径1 0 0 0 m m 和8 0 0 m m 的桩基进行试算比较，优化桩筏基础的设计。并按照直径8 0 0 m m 后注浆钻孔灌注桩制定了试桩方案。由试桩数据分析可知，选用直径8 0 0 r a m 后注浆钻孔灌注桩以及第1 个桩基持力层可以满足设计要求。
14、囝5 基础桩平面布置( 注：S 基础桩的承载力检涌桩；M 锚桩)采用8 0 0 m m 直径的后注浆钻孔灌注桩，与采用1 0 0 0 r a m 直径的后注浆钻孔灌注桩比较，承载力没有降低，基础底板和承台的造价可大大节省，并减少了基槽深度，对纯地下室部分的抗浮问题的解决很有好处，并减少开挖土方量。经计算桩数量由1 6 8 根减为1 6 0 根。图5是桩基平面布置图。建筑桩基技术规范例规定最小桩间距为3 倍直径，采用8 0 0 m m 直径的灌注桩后，由于桩中距由3 m 变成了2 4 m ，容易布桩，承台冲切容易控制。承台的宽度和厚度都大火减小，特别是核心筒下的底板厚度由2 5 0 0m m 减
15、为1 6 0 0 r a m高层主楼与核心简间设置基础粱，核心筒外与地下部分的纯地下裙房底板厚由1 0 0 0 m m 减为8 0 0 r a m ；桩承台高由2 5 0 0m m 改为1 9 0 0m m 。仅混凝土一项大约减少2 0 0 0 m ，。6 3 93 6 工程桩检验在土方施I ，挖至- 1 6O m ( 2 43 m 绝对标高) 时进行基础桩施工。采用旋挖钻机成孔水F 谴注混凝十，后压浆j 艺施T 提高承戴力后压浆管布置见表2 。后注装管市置衰2选择3 根基础桩进行了单桩竖向承载力检测，编号为s t 、s 2 、s 3 ，其所对应基础桩编 号分别为2 纠、3 秤、6 0 # ，
16、桩位详见回5 。由基础桩曲线( 目6 ) 可以看出，桩基施工质量可咀达到设计要求。目6I i * 自4 基础沉降实观结果车工程进行了基础沉降变形观测，观测点的布置详见图7 ，各观测点的沉降实涮值详见表3 。实际沉降观测值衰3观测点号宴铡值( c m )观铡点号实澍值c m )观测点号宴稠值tc m )5 结语( I ) 由基础沉降变形的实测数据可知，地基沉降鹫和摹异沉降的计算值与宴测结果相符，证明本J 聪选州桩径8 0 0 m m 的灌注桩并采后注浆I 艺的设计思路是科学合理的，】毂 得了很好的经济和社会效益。 6 4 0霪一薹一。一巨巨瞄鬯，一( 2 ) 引入有限元计算软件P l a x i s 进行桩筏基础与地基土的相互作用的计算分析，经过实测验证，应用于工程
