某高层建筑大面积换填地基的基础设计探讨

某高层建筑大面积换填地基的基础设计探讨

张维军

重庆何方城市规划设计有限公司甘肃分公司甘肃天水741000

摘要：本文就某二十四层一类高层公共建筑的基础设计完成后，在施工过程中发现地基与原地勘报告中描述的不一致，提请建设方委托地勘单位重新做了施工勘察报告，并以施工勘察报告为依据进行基础设计，就设计中关于地基处理和基础选型的问题加以分析探讨。经过对比分析，最终确定最为经济合理的基础形式端承型扩底灌注桩基础。同时，就端承型扩底灌注桩的缺点做以详细描述，特别提醒对施工质量的控制应予以高度重视。

关键词：施工勘察；换填垫层；桩基础；扩底桩

1.工程简介

该工程为一类高层公共建筑，建筑面积21990.13㎡，建筑高度为72.30m，层数为地上二十四层，地下一层。其中地下一层为地下车库，层高5.2m（含管线夹层），地上一、二层为商业建筑，层高分别为4.5m和4.2m，其余各层均为住宅，层高均为3.0m。

该工程的结构形式主楼为剪力墙结构，裙楼为框架结构，设计使用年限为50年，结构正常使用年限50年，结构安全等级二级。抗震设计：建筑物抗震设防类别丙类，抗震基本设防烈度为8度，基本地震加速度为0.30g，设防分组为第二组，地震反应特征周期为0.40s。基本风压：0.35KN/㎡，基本雪压：0.20KN/㎡，其余各功能房间活荷载均按照《建筑结构荷载规范》GB50009-2012取值。

该工程平面示意如下图，其中A、D结构单元为裙楼，B、C结构单元为主楼，计算结果均满足规范要求。

2.基础设计

2.1工程地质

场地内地基土自上而下分述如下：

粉土层①：黄褐色，土质一般较均匀，稍湿，稍密，该层层厚为0.5～5.60m。

圆砾层○2：级配一般不良，分选性较好，稍湿-饱和，稍密-密实，该层层厚为7.60～10.20m。

泥岩层○3：棕红色，局部地段为灰绿色，表层约2.0m为强风化，以下中等风化为主，本次勘察未揭穿该层，最大揭露厚度6.70m。

2.2地下水水文地质条件

场地内存在第四系孔隙潜水。圆砾层○2为主要含水层，地下水稳定水位埋深为6.80-8.20m。

2.3不良地质作用

场地未发现断裂及其它不良地质作用存在，场地稳定性好，适宜本工程的建设。

2.4场地地震效应评判

本场地综合划分该场地土类型为中硬场地土，场地覆盖层厚度大于5米，该场地类别属Ⅱ类场地，场地属建筑抗震的一般地段。

2.5承载力特征值取值及基础形式建议

根据场地岩土工程地质条件和拟建建筑物上部结构特征，建议采用筏板基础、箱形基础或独立基础。

各土层的承载力特征值fak如下表所示

2.6基础设计

高层采用筏板基础，基础持力层为圆砾层，其基础的设计等级为甲级。

裙楼采用独立柱基础加抗水板，其基础的设计等级为丙级。独立柱基础持力层为圆砾层。

3地基变化后基础设计

3.1工程地质

因为该工程是在土地未移交之前做的详勘工作，在详勘工作结束之后和土地移交到甲方单位之前的期间内，场地该工程区域被采砂者进行乱挖乱采，导致该区域天然基础持力层严重破坏，部分区域砂砾石层已被全部挖光，随之采用建筑垃圾和基础施工产生的泥浆渣土进行了回填。鉴于此种情况，甲方特此委托地勘单位对该工程区域进行施工勘察工作，为施工图提供该区域的详细地质资料。

根据施工勘察资料，杂填土层：杂色，以建筑垃圾、基础施工后的渣土及泥浆为主。建筑垃圾主要是碎钻、瓦片及混凝土块，无充填物；渣土为打桩施工后残留的泥岩碎屑，含砾石粘性土等杂物，含大量泥浆，土质不均匀，局部钻进缩颈，稍湿，松散，物理力学性质差，该层在场地内分布较广泛，层厚为0.30～6.00m，其余各种相应变化。

3.2建议基础选型

建议该工程主楼采用机械成孔灌注桩基础，以中等风化泥岩层④为桩基础的桩端持力层。桩端进入持力层深度不小于1D（D为桩径），桩长、桩径、桩数应根据地层情况和上部荷载综合确定，桩基施工严格按照《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008）的规定进行，保证孔底残渣、桩端入持力层深度满足规范要求。

3.3地基变化后基础设计

本着安全第一，经济合理的原则，设计主要考虑了以下几种基础设计及地基处理的措施。

3.3.1采用地基处理的方法，不考虑改变基础形式。

3.3.1.1换填垫层法

《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012规定，换填垫层法适用于浅层软弱土层或者不均匀土层的地基处理。处理厚度应根据置换软弱土的深度以及下卧土层的承载力确定，厚度宜为0.5m~3.0m。

首先，这里所说的软弱土层是指主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层构成的地基。就需要处理的土层而言，换填垫层法是适用的。

但是，就换填厚度而言，本次需要换填的最小厚度只有0.3m，最大厚度却达到了6.0m，远远超出了规范规定的最大处理厚度3.0m的要求。根据《地基处理规范》4.1.1条的条文说明，对于较深厚的软弱土层，当仅用垫层局部换填上层软弱土层时，通常可提高持力层的承载力，但不能解决由于深层土质软弱而造成地基变形量大对上部建筑物产生的有害影响。

综上，换填垫层法不论是级配砂石还是灰土换填均不能满足设计要求，不建议采用。

3.3.1.2直接采用C15素混凝土换填至圆砾层

首先，就换填厚度而言，属于大体积混凝土的范畴。大体积混凝土的表面系数比较小，水泥水化热释放比较集中，内部升温比较快。混凝土内外温差较大时，会使混凝土产生温度裂缝，影响结构安全和正常使用。因此施工难度较大，施工的质量难以保证。

其次，在换填的过程中需要降水才能得以顺利实施，但降水会增加建设成本和施工难度。

其三，虽然就C15来说能够满足地基基础设计的要求，但大范围较深的换填厚度需要数万方的C15素混凝土，据甲方预算，仅素混凝土成本一项就需要700万元左右。再加上基坑支护和换填过程中产生的排水措施费用，增加费用早已超过工程总造价的10%，早已超出设计变更所能控制的范畴。

综上，虽然素混凝土换填能满足地基承载力的要求，但起施工难度大，且会产生巨额的建设成本，不建议采用。

3.3.2采用端承型扩底灌注桩基础

根据施工勘察报告，采用端承型扩底灌注桩，施工方法采用机械成孔灌注桩，以中风化泥岩做为其桩端持力层。

设计桩径为800mm，扩大头直径为1500mm，桩身混凝土强度等级为C35，设计桩长采用理论桩长和承载力特征值双控的设计方法，桩端进入中风化泥岩层1.5m（此处采取了保守设计，桩端进入中风化泥岩层的深度按扩大头的一倍执行）。根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008公式5.3.6计算可知，设计单桩竖向承载力特征值为2200，理论桩长不小于8m，二者同时满足时方能采用。

根据整体计算的上部荷载布桩并经计算可知，在满足承载力及沉降允许值的条件下，需要布置大约250根桩，按市场价1000元/m估算工程造价，就桩基施工大约需要250X8X1000=200万元。

另外，考虑到场地内为0.3~6m的杂填土，其主要为建筑垃圾，因此，要保证桩基施工质量，需要将杂填土换填之后方可施工。杂填土换填会产生两笔费用，一是杂填土（主要为建筑垃圾）土方外运，二是素土回填，产生的费用大约200万左右，总的建设成本约为400万左右，相比于地基处理的方法更为经济合理，建议采用。

综上，尽管端承型扩底灌注桩基础从成本上及理论上来说都是最佳选择，但端承型扩底灌注桩基础也有其不可忽视的缺点：一、虽然本工程采用端承桩，但深厚的场地土的换填属于欠固结土，不小的负摩阻力会对桩基产生不小的负面影响，因此，需要采取措施消除负摩阻力的影响。二、机械成孔扩底灌注桩的扩底部分是施工的一个难点，尽管机械成孔扩底灌注桩在工程中已有大量的应用，但对于其质量的控制应予以高度重视。

结语

本文就某二十四层一类高层公共建筑的基础变更设计，本着安全第一、经济合理的设计理念，就地基处理和桩基础展开计算分析和经济比较，最终得出端承型扩底灌注桩基础从成本上及理论上来说都是最佳选择。同时也就端承型扩底灌注桩基础的缺点做以详细描述，提醒施工注意，防患于未然。

参考文献：

[1]《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012

[2]《建筑桩基技术规范》JGJ94—2008

[3]《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011

[4]《建筑结构荷载规范》GB50009-2012

[5]《建筑结构荷载规范》GB50009-2012

[6]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2010