某超限高层住宅楼桩基础持力层分析

　　文摘：阐述了汕头市区某33层超限高层建筑场址地基土的工程地质特征，重点对地基土的第6层(中密-密实砂土)进行了岩土工程分析与计算，并对下卧层(第7层，中压缩性粘性土)的强度和变形进行验算。首次在汕头市东区选用厚度较大、下卧层为中压缩性粘土的第6层，作为百米高层建筑物的桩基础持力层。沉降观测结果表明，该住宅楼的最终沉降量符合有关规范要求。
　　关键词：超限高层建筑，桩基础持力层，汕头
　　本工程地处韩江三角洲冲积平原的前缘。该地区第四系由滨海相和海陆交互相土层构成，覆盖层一般厚45-60m，最大厚度可达100m。市区一般建筑物多以埋深25-50m的第6或第8层(砂土层)作为桩基持力层。因第7层为中-高压缩性的粘性土，20层以上的高层建筑多以第8层或基岩作桩基持力层，但桩身过长致使施工困难、质量较难控制，基础造价亦偏高。通过试桩及建筑物最终沉降观测，论证了汕头市区厚度较大、下卧层为中压缩性粘性土的第6层(砂土)，可作为百米高层建筑物的桩基持力层。
　　1工程概况
　　本工程建筑物系由裙楼上两个对称双十字型塔楼组成的高层商住楼，总建筑面积57850m2,首层面积45m×80m，地下一层为停车场，地上1-2层为架空层，3-33层为住宅，总高度为102m；采用混合剪力墙结构，属超限高层建筑，总荷重约942MN，最大柱轴力为13MN。
　　2工程地质特征
　　场地典型地质剖面图如图1所示，地基土(岩)层的主要特征见表1，各土(岩)层主要性能指标及桩基设计参数列于表2。总体上，各土层的强度随深度增强，粘性土的含水量和液性指数则随深度增加而减少。
　　图1代表性工程地质剖面图
　　表1地基土(岩)层特征
　　层序 土(岩)层名称 层底平均埋深(m) 平均层厚(m) 主要岩土特性
　　1 杂填土 3.16 3.16 由建筑垃圾及生活垃圾组成
　　2 淤泥 17.05 13.89 由淤泥、淤泥混砂、淤泥混贝壳及细砂夹层组成，呈流塑态或松散状
　　3 粉质
　　粘土 19.76 2.71 可塑，含少量粉细砂，底部夹有铁质胶结薄层
　　4 细砂
　　中砂 24.79 5.03 上部细砂厚1.30-3.60m，呈稍密状；下部中砂厚1.20-6.20m，呈中密状；上下层接触处有铁质胶结薄层，厚3-5cm
　　5 粘土 28.97 4.18 深灰色，可塑，N=6击
　　6 粉砂、粗砂 36.94 7.97 上部粉砂厚0.50-5.00m，呈中密状，N=9击；中、下部粗砂厚3.0-8.50m，密实，N=43击
　　7 粉质粘土
　　粉土
　　夹砾砂 44.23 7.29 以粉质粘土为主，可塑，中压缩性。中部夹砾砂薄层，下部为粉质粘土及粉土
　　8 粉砂
　　砾砂 56.53 12.30 上亚层为粉砂，厚0.80-4.70m，稍密-中密；下亚层为中砂，厚8.00-10.50m，中密-密实，中部夹有粉质粘土透镜体，厚0.90-3.80m
　　9 砂质粘
　　性土 61.71 5.18 可塑-硬塑，密实度不均，原岩矿物已大部分风化成次生粘土矿物，N=43击
　　10 强风化
　　花岗岩 69.85 8.14 上部土状，下部碎块状。大部分矿物已风化成次生矿物，裂隙发育
　　11 中风化
　　花岗岩   上部岩芯呈碎块状，裂隙发育；下部岩芯呈短柱状，裂隙闭合，中粗粒结构，致密坚硬
　　表2地基土(岩)主要工程性能指标及桩基设计参数
　　层
　　号 土层
　　名称 w
　　% r
　　kN/m3 e IL Esz
　　MPa φ
　　（°） c
　　kPa N
　　击 fak
　　kPa qsa/kPa qPa/kPa
　　           预制
　　桩 钻孔
　　桩 预制
　　桩 钻孔
　　桩
　　1 杂填土  20.0           
　　2 淤泥混砂 41.80 17.5 1.183 1.65  10 16  60 11 11  
　　 淤泥 61.62 16.3 1.642 1.47  3.08 9      
　　 细砂  18.8    26  5~9     
　　 淤泥混贝壳  16.8           
　　3 粉质粘土 33.30 18.6 0.878 0.45 6.168 9.0 37 6~10 200 39 36  
　　4 细砂  19.5    30  10~27 180 36 33 2300 1200
　　 中砂  20.2    34      ~3100 
　　5 粘土 40.18 18.4 1.089 0.73 4.487 4.65 33 4~9 165 30 27  
　　6 粉砂  19.8   18.50 31.7  11~30 180 34 31 2000 1000
　　 粗砂  20.4   29.90 44.3  31~64 404 60 55 4500 1400
　　7 粉质粘土 30.02 19.2 0.818 0.57 12.17 5.25 44.75 6~8 190  33  
　　 砾砂  20.4   28.17 44.50  23~24 280  60  
　　8 粉砂  20.0   18.50 31.70  10~31 200  30  
　　 砾砂  20.4   36.80 44.00  22~57 410  60  1500
　　9 砂质粘
　　性土 24.00 19.4 0.651 0.03 77*   30~55 350  45  
　　10强风化花岗岩       60~350   50  2000
　　注：*为E0值
　　3桩基础持力层的分析
　　场区地基土第4层（细、中砂）埋藏较浅，层厚仅为2.50～6.20m，其下存在可塑状态的粘土层，单桩承载力相对较小，仅适合作一般多层建筑物桩基持力层。场区基岩顶面平均埋深达62m，若选该层为桩基持力层，则桩基施工难度大。
　　实际上，场区只有2个比较合适的持力层可供选择：
　　其一为第6层。该层顶板较平缓，标高-26.90～-28.77m，可划分为上、下二个亚层：上亚层为厚度偏薄的粉砂，下亚层为厚3.00～8.50m、密实状的粗砂。其下的第7层为粉质粘土，压缩模量为12.17MPa，液性指数为0.57，呈可塑状态，中压缩性。因此，若选取第6层下亚层作桩端持力层，须对群桩基础持力层和下卧层进行强度及变形验算。
　　其二是第8层。该层上亚层为粉砂，偏薄；下亚层为砾砂亚层，层顶标高-44.23～-47.06m，层厚8.70-10.50m，呈密实状，土体强度高。该层工程地质条件虽好，但也存在不利因素：（1）砾砂亚层中（埋深-49.32～-53.14m范围内）存在可塑状的粉质粘土透镜体，若桩基施工不当，桩端承载力将受影响；（2）桩长在50m以上，长度较长；（3）预制桩难以穿过第6层。
　　根据该场址地基土第6层的工程地质条件，结合以往汕头市区使用第6层作桩基持力层所取得的经验，分析选用第6层作该百米高层建筑桩基持力层的桩基设计参数。
　　本工程的桩基设计参数qsa、qpa的取值，主要依据各土层的物理力学性质指标查广东省《建筑基地基础设计规范》（GBJ15-31-2003）及结合本市累积经验而得出。按表2的qsa、qpa的取值，用经验公式计算的桩端置于第6层的单桩竖向承载力特征值可达2400～2600kN。
　　因此，上述取值只要满足下卧层强度及变形要求，第6层可选做百米高层建筑物的桩基持力层。
　　4 桩基计算
　　4.1竖向承载力计算
　　设预制方桩的截面为0.5m×0.5m，桩端置于第6层的粗砂亚层，桩长约32m。根据《高层建筑岩土工程勘察规程》（JGJ72-2004）估算的单桩竖向承载力特征值（Ra）为2462kN，初步确定基桩竖向承载力设计值为2600kN。设计承台尺寸为3m×3m×2m；承台下布预制桩5根，桩中心距（Sa）为1.5m，桩位呈梅花形。
　　根据e-P曲线，取相应压力等级下的第6层粗砂和第7层粉质粘土的压缩模量（Es1、Es2）分别为29.90、12.17MPa，Es1/Es2=2.45。查《建筑桩基技术规范》（JGJ94—94），知该桩端持力层压力扩散角（θ）为20°。因桩中心距小于6d，该群桩基础作用于下卧粉质粘土层顶面的附加应力可用下式
　　计算。因表2提供的只是桩侧摩阻力特征值（qsa），所以上式中的qsik改用2qsa替代。经计算，=113kPa。
　　下卧层顶面的附加压力与自重压力值之和为：
　　+Z=113+9.06×37=448.22（kPa）
　　下卧层经深度修正的地基承载力特征值为：
　　=+（d-0.5）=719.1（kPa）
　　计算结果表明(+Z<)。说明在未考虑相邻基桩影响因素的前提下，下卧粉质粘土层的承载力能满足群桩基础对下卧层的强度要求。
　　2根打入式预制桩静载荷试验结果（表3），佐证了桩基竖向承载力验算过程单桩承载力取值的合理性。
　　表3桩基静载荷试验成果
　　桩号 桩截面尺寸
　　m 桩长
　　m 最大加
　　荷量
　　kN 累计
　　沉降量
　　mm 单桩竖向
　　极限承载力
　　kN 设计单桩
　　竖向承载力
　　kN
　　试1 0.45×0.45 31.0 5280 25.96 >5280 2600
　　试2 0.50×0.50 31.0 6000 29.61 >6000 3000
　　4.2桩基沉降计算
　　根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94—94）5•3•6•1，采用等效作用分层总和法计算建筑物桩基沉降，算得最大轴力13MN的柱下承台沉降量为17.83mm。若考虑相邻基础及剪力墙体系应力叠加等因素的影响，估算其总沉降量约为53mm。
　　在估算最大沉降量后，为防止不同轴力柱过大的差异沉降，在基础布桩及沉降过程采取了防止不均匀沉降的如下几项有效措施：第一，根据各柱轴力大小，调整其柱下单桩承载力取值，附加压力大的电梯间取2000kN，其余各处取2600kN；第二，用90cm厚的钢筋砼板作为地下室底板，发挥其对各柱基的协调作用；第三，调整桩的贯入度，裙房处柱下基础桩的贯入度为塔楼处柱下基础打桩的贯入度的两倍，以此来减少塔楼与裙房间的沉降差；第四，打桩过程中若裙房处出现少数贯入度偏小的桩，则应在捣承台之前于该处加灰土垫层，增加其下沉量，防止裙房与塔楼之间产生过大的沉降差。
　　5 沉降观测
　　共布沉降观测点28个，从2005年8月15日主体结构施工一层开始观测，至2006年5月24日封顶，观测了17次；截至2008年7月2日建筑物竣工后一年，共观测25次。各观测点总沉降量见表4。
　　从表4可以看出，该超限高层住宅楼基础，最大沉降量为-40.88mm，小于设计预估沉降量（53mm）。横向最大沉降差为9.46mm，相对倾斜比为0.00028；纵向沉降差为9.97mm，相对倾斜比为0.00013。纵横向倾斜比均小于0.0015，符合有关规范规定。
　　表4各观测点总沉降量
　　观测点号 总沉降量 观测点号 总沉降量 观测点号 总沉降量 观测点号 总沉降量
　　1 -18.00 8 -29.00 15 -36.00 22 -20.00
　　2 -22.00 9 -31.70 16 -37.00 23 -30.00
　　3 -27.46 10 -35.49 17 -35.89 24 -31.00
　　4 -29.46 11 -25.00 18 -21.28 25 -30.34
　　5 -19.71 12 -29.23 19 -29.00 26 -32.00
　　6 -32.08 13 -26.38 20 -27.97 27 -30.50
　　7 -35.65 14 -40.88 21 -23.00 28 -29.00
　　注：单位为mm。
　　6结语
　　在汕头市区，当地基土第6层（砂土）的厚度、深度和强度符合要求，虽下卧层为可塑、中压缩性粘性土，该层仍可作为百米建筑的桩基持力层。
　　对桩基础作沉降验算时，必须注意相邻桩基、塔楼之间的相互影响。

《某超限高层住宅楼桩基础持力层分析》

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