B級高度高層住宅基礎(chǔ)選型要點及經(jīng)濟(jì)性分析

莫慧珊

（華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州510641）

0 引言

在實際工程中，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，其基礎(chǔ)設(shè)計可采用不同的布置形式。進(jìn)行合理的基礎(chǔ)方案選型，能為項目帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。

本文結(jié)合實際工程案例，對地基基礎(chǔ)成本的影響因素展開分析，以為同類工程提供參考。

1 項目案例概況及經(jīng)濟(jì)性分析

1.1 項目概況

某項目位于廣東省廣州市番禺區(qū)，開發(fā)地塊擬建5 棟住宅、1 棟人才公寓、1 棟幼兒園及配套用房若干，其中，3-1#住宅高96.6 m（27 層），3-2#住宅高99.6 m（28 層），3-3#住宅高130.0 m（38 層），3-4#住宅高128.0 m（39層），3-5#住宅高130.0 m（40層），3-6#人才公寓高130.0 m（38 層），幼兒園高15.75 m（3 層），地下室3 層（北側(cè)局部2 層），深度約13.65 m。項目總平面規(guī)劃布置如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)概況

圖1 項目總平面規(guī)劃布置Fig.1 General Plan and Layout of the Project

根據(jù)詳細(xì)勘察揭露，各巖土層的巖土工程條件如下，①雜填土：松散～稍密，稍濕，地基承載力差，不可直接作為地基基礎(chǔ)持力層；②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：流塑，地基承載力差，不可直接作為地基基礎(chǔ)持力層；②2粉質(zhì)粘土：可塑，具有一定的地基承載力，可為地基基礎(chǔ)提供一定的側(cè)摩阻力；②3礫砂：稍密，局部分布，均勻性差，可為地基基礎(chǔ)提供一定的側(cè)摩阻力；③砂質(zhì)粘性土：硬塑～堅硬，地基承載力較好，可為地基基礎(chǔ)提供一定的側(cè)摩阻力；④1、④2全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：呈堅硬狀，力學(xué)性質(zhì)好，可作為預(yù)應(yīng)力管樁的基礎(chǔ)持力層；④3、④4中、微風(fēng)化花崗巖：呈堅硬狀，力學(xué)性質(zhì)好，可作為各類端承樁的基礎(chǔ)持力層。

本地塊共設(shè)詳勘鉆孔61個，勘察揭露各巖土層層位不穩(wěn)定，層厚變化較大，部分層位只在個別鉆孔中有揭露，綜合評定場地的巖土層均勻性差，場地地基為不均勻地基。對淺基礎(chǔ)可能產(chǎn)生沉降或差異沉降，對樁基礎(chǔ)持力層的選擇以及樁長控制不利。

勘察建議擬建的高層建筑物的基礎(chǔ)型式可采用預(yù)制樁，基礎(chǔ)持力層可選用連續(xù)完整的全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（層號④1、④2）。亦可采用灌注樁，基礎(chǔ)持力層可選用連續(xù)完整的中、微風(fēng)化花崗巖（層號④3、④4）。其他輔助設(shè)施的基礎(chǔ)型式建議采用天然淺基礎(chǔ)。

各樓棟勘察鉆孔布置及建議基巖承載力特征值取值分布如圖2所示。

圖2 鉆孔布置及勘察建議基巖承載力特征值示意圖Fig.2 Suggestion on Drilling Hole Layout and Survey Schematic Diagram of Characteristic Value of Bedrock Bearing Capacity

1.3 B級高度住宅建筑基礎(chǔ)方案比選

對本地塊130.0 m高度區(qū)段的住宅樓、公寓樓（3-3#、3-4#、3-5#、3-6#樓）基礎(chǔ)方案進(jìn)行比選研究，根據(jù)詳勘結(jié)果，擬采用滿足承載力計算要求的3 種基礎(chǔ)型式進(jìn)行對比選型，各方案基礎(chǔ)平面布置如圖3所示。

⑴方案1：灌注樁樁筏基礎(chǔ)。樁徑φ 1 000 mm，單樁承載力取8 000 kN，持力層為中、微風(fēng)化花崗巖；樁徑φ 1 200 mm，單樁承載力取11 000 kN，持力層為中、微風(fēng)化花崗巖；筏板厚度為1.8 m。

⑵方案2：灌注樁承臺。樁徑φ 1 000 mm，混凝土等級C40，單樁承載力取8 000 kN，持力層為中、微風(fēng)化花崗巖；樁徑1 200 mm，混凝土等級C40，單樁承載力取11000kN，持力層為中、微風(fēng)化花崗巖；樁徑φ1400mm，混凝土等級C40，單樁承載力取16 000 kN，持力層為中、微風(fēng)化花崗巖；防水板厚度為0.6 m。

⑶ 方案3：高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁樁筏基礎(chǔ)。樁徑φ 600 mm，單樁承載力取2 700 kN（最終單樁承載力需按試樁結(jié)果確定），持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，樁長暫定10 m；筏板厚度為1.8 m。

圖3 B級高度住宅比選方案基礎(chǔ)平面布置簡圖Fig.3 Schematic Diagram of the Basic Layout of the Selection Scheme of B-level High Structure Residence

對上述3 個方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析對比，成本預(yù)算分析結(jié)果如表1所示。

2 地基基礎(chǔ)成本影響因素分析

2.1 B級高度高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計特點

地基基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)滿足上部結(jié)構(gòu)承載力以及變形控制要求。

高層建筑基礎(chǔ)的埋置深度應(yīng)滿足地基承載力、變形和穩(wěn)定性要求。在抗震設(shè)防區(qū)，除巖石地基外，天然地基上的箱型和筏形基礎(chǔ)其埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15；樁箱或樁筏基礎(chǔ)的埋置深度不宜小于建筑物高度的1/18［1］。位于巖石地基上的高層建筑，可不受以上埋置深度要求限制，但應(yīng)滿足抗滑移穩(wěn)定性要求。

對B 級高度高層建筑，在地下室埋深滿足基礎(chǔ)埋置深度要求且地基承載力滿足要求時，可采用天然地基上的箱型和筏形基礎(chǔ)，其余大部分情況采用樁基礎(chǔ)。按照不同的分類方式［2］，樁基分類如表2所示。

表1 成本預(yù)算分析Tab.1 Cost Budget Analysis

表2 樁基分類Tab.2 Pile Foundation Classification

2.2 影響基礎(chǔ)成本的主要因素

根據(jù)基礎(chǔ)分類，結(jié)合案例分析結(jié)果，可將影響基礎(chǔ)成本的主要因素歸納為地質(zhì)條件、主體結(jié)構(gòu)條件、環(huán)境條件、施工條件4個方面，其中地質(zhì)條件為最主要的影響因素。在進(jìn)行基礎(chǔ)方案選型時，應(yīng)結(jié)合影響基礎(chǔ)成本的主要因素進(jìn)行綜合抉擇評價。

2.3 地質(zhì)條件因素

2.3.1 巖層埋置深度

巖層埋置深度決定基礎(chǔ)深度。當(dāng)巖層埋深較淺時，基礎(chǔ)選型選擇天然地基上的淺基礎(chǔ)，能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

巖層埋深較深時，采用樁基礎(chǔ)，或?qū)Τ休d力不足的上部土層進(jìn)行地基處理后設(shè)計為淺基礎(chǔ)。工程樁單樁豎向承載力特征值由樁側(cè)阻力和樁端阻力組合而成，巖層埋置深度決定了樁身長度，從而決定了基礎(chǔ)的材料用量。

2.3.2 土層分布條件

巖土層的分布、厚度及物理、土力學(xué)指標(biāo)、地基承載力、壓縮（變形）模量、水文地質(zhì)條件、抗浮設(shè)防水位、腐蝕性等，對成樁工藝要求起到?jīng)Q定性作用，根據(jù)土層分布條件選擇不同的樁基方案，決定了樁基礎(chǔ)的綜合單價。

2.4 主體結(jié)構(gòu)條件因素

主體結(jié)構(gòu)條件對基礎(chǔ)成本的影響，包括上部結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件布置方案、上部結(jié)構(gòu)形式、建筑使用功能以及由使用功能決定的柱底軸力大小。

2.5 環(huán)境條件因素

包括周邊已有及后建建筑或地下室的基礎(chǔ)、基坑情況、場地施工道路情況、場地環(huán)境情況及環(huán)保要求等。

2.6 施工條件因素

包括施工場地限制條件、施工工藝的選擇、當(dāng)?shù)亟?jīng)驗及施工能力等因素。

靠近基坑的建筑物，須考慮基礎(chǔ)與基坑施工的先后順序以及基坑支護(hù)情況，合理確定基礎(chǔ)方案及基礎(chǔ)標(biāo)高，選擇經(jīng)濟(jì)有效的施工方案。

施工條件具有地域局限性，當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗、施工機(jī)械配置、施工能力情況都在一定程度上影響到基礎(chǔ)成本。

3 項目案例中影響地基基礎(chǔ)成本的因素分析

根據(jù)1.3 節(jié)對項目案例3 個基礎(chǔ)方案的成本預(yù)算分析，在理想狀況下方案3（預(yù)應(yīng)力管樁筏板基礎(chǔ)）在經(jīng)濟(jì)上占優(yōu)勢，方案2（灌注樁承臺基礎(chǔ)）次之。

然而，根據(jù)詳勘揭露場地巖土層均勻性差，各巖土層層位不穩(wěn)定，層厚變化較大，結(jié)合上述4個因素進(jìn)行分析，具體體現(xiàn)為：

⑴3-3#、3-6#樓基礎(chǔ)下已到全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，如采用預(yù)應(yīng)力管樁，無法正常沉樁，樁長過短，承載力低；如采用引孔，引孔小于樁徑，不一定能正常沉樁，引孔孔徑與樁徑相等，不能計入側(cè)阻力，需增加樁長。場地地質(zhì)條件、施工條件決定采用方案2（灌注樁承臺基礎(chǔ)）經(jīng)濟(jì)性占優(yōu)勢；

⑵3-4#、3-5#樓基礎(chǔ)下主要為砂質(zhì)粘性土或全風(fēng)化花崗巖，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖平均埋深約6 m，最淺埋深僅2 m，存在樁無法下壓形成短樁的風(fēng)險，且根據(jù)本項目已施工地塊的壓樁經(jīng)驗，靜壓預(yù)應(yīng)力管樁不一定能完全穿過全風(fēng)化層，預(yù)計樁長會更短。所以方案3（預(yù)應(yīng)力管樁筏板基礎(chǔ)）雖然經(jīng)濟(jì)上占優(yōu)勢，但存在增加引孔而引起的成本增加的風(fēng)險，如采用方案3，建議提前進(jìn)行試樁，以進(jìn)一步判斷預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)是否合適。如考慮引孔費用后，方案3 不一定比方案2（灌注樁承臺基礎(chǔ)）占優(yōu)勢，場地地質(zhì)條件為成本風(fēng)險性的主要導(dǎo)向。

由案例分析可見，B 級高度超高層項目地基基礎(chǔ)成本主要取決于基礎(chǔ)選型，而基礎(chǔ)選型又有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性。由于場地條件的復(fù)雜性，同一項目不同樓棟的基礎(chǔ)選型亦可能不同，其成本組成成分較為離散，因風(fēng)險導(dǎo)致的浮動成本較高。

4 影響地基基礎(chǔ)成本的特殊地質(zhì)條件因素

場地地質(zhì)條件為影響基礎(chǔ)成本的最主要因素，當(dāng)項目選址位于特殊地質(zhì)條件場地時，地質(zhì)條件復(fù)雜，B級高度高層住宅地基基礎(chǔ)建設(shè)成本受特殊地質(zhì)條件影響存在較大的風(fēng)險性。根據(jù)文獻(xiàn)［1］要求，復(fù)雜地質(zhì)條件下的建筑物，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級按甲級進(jìn)行設(shè)計，其在勘察、樁基設(shè)計、基坑設(shè)計要求上更為嚴(yán)格，在設(shè)計階段提高了建設(shè)成本。特殊地質(zhì)條件主要包括巖溶場地、深厚軟土場地、深厚濕陷土場地、高邊坡場地等。

4.1 巖溶場地

巖溶場地容易發(fā)生涌水、地面變形、地基塌陷等事故。巖溶場地基巖面起伏大，在溶洞頂板上部往往分布厚薄不一的軟土層。該軟土層含水量大，呈軟塑～流塑狀態(tài)，承載力極低。并且?guī)r溶地區(qū)多分布大小不一的溶洞，根據(jù)溶洞分布深度的不同，可以分為淺層溶洞和深層溶洞，其中淺層溶洞發(fā)育較強(qiáng)，多數(shù)呈全充填或半充填狀態(tài)，溶洞有時甚至呈串珠狀分布；深層溶洞多為古老溶洞，呈半充填或無充填狀態(tài)，深層溶洞連通時可形成地下暗河。

針對巖溶地區(qū)的基礎(chǔ)型式多采用鉆（沖）孔灌注樁、人工挖孔樁、預(yù)應(yīng)力管樁等樁基形式，以及CFG樁、夯擴(kuò)樁復(fù)合地基等地基處理形式。鉆（沖）孔灌注樁施工速度快，施工過程不受地下水的影響，施工安全，是目前我國巖溶地區(qū)應(yīng)用較多的樁基型式，但由于場地條件的復(fù)雜性，在施工過程中常出現(xiàn)卡鉆、掉鉆、埋鉆以及漏漿、塌孔、偏孔等風(fēng)險，孔底沉渣也難以控制。巖溶場地基礎(chǔ)工程建造成本遠(yuǎn)高于普通場地，且基礎(chǔ)成本較難控制［3］。

4.2 深厚軟土場地

深厚軟土場地主要指基坑開挖深度及基底存在較厚淤泥、淤泥質(zhì)土的場地。深厚軟土場地工程地質(zhì)條件較差，其特點是孔隙比大、天然含水率高、壓縮系數(shù)高、強(qiáng)度低，并具有觸變性和蠕變性。而且由于深厚軟土地基對地震波等震動荷載具有放大效應(yīng)［4］，因此對地震作用敏感的超高層建筑抗震措施應(yīng)特別注意。對軟土的加固處理是深厚軟土場地基礎(chǔ)工程建設(shè)的重點和難點。該類場地應(yīng)結(jié)合樁基及基坑施工順序、地質(zhì)條件、基坑支護(hù)條件、工期要求等合理確定基礎(chǔ)方案，對成本控制的影響主要在于地基處理工程。

4.3 深厚濕陷土場地

深厚濕陷土場地常見于我國西北部地區(qū)。由于黃土具有非飽和土的性質(zhì)，其對含水率具有較強(qiáng)的敏感性，含水率變化使黃土地基具有濕陷性。濕陷性黃土地基使結(jié)構(gòu)物大幅度沉降、傾斜、開裂，嚴(yán)重影響其使用及安全［5-6］。濕陷性黃土不宜直接作為建筑物基礎(chǔ)持力層。

對位于濕陷性黃土場地的建筑物基礎(chǔ)，可采取適當(dāng)?shù)牡鼗幚泶胧┓乐够蛳鼗臐裣菪?。對于深厚濕陷土場地的基礎(chǔ)設(shè)計，一般先確定基礎(chǔ)形式，再根據(jù)建筑物的重要性及基礎(chǔ)對濕陷性土層的處理要求選用合理的地基處理方案。

深厚濕陷土場地應(yīng)按相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)采取結(jié)構(gòu)措施及防水措施?；A(chǔ)選型可采用地基處理后的淺基礎(chǔ)、復(fù)合地基基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)。地基處理可采用墊層法、強(qiáng)夯法、擠密法、預(yù)浸水法等方法［7］。

4.4 高邊坡場地

高邊坡場地常見于我國香港、重慶、貴州等地區(qū)，由于地形起伏較大，建筑物建造于坡地上。其獨特的地形特點，使建筑物接地形式有異于常規(guī)建筑物，高邊坡場地基礎(chǔ)嵌固不等高，引起結(jié)構(gòu)剛度分布在水平面及豎向不均勻，并且水平力通過不等高的接地端傳至地基，造成結(jié)構(gòu)受力及變形特點與常規(guī)結(jié)構(gòu)不同［8-9］，臨坡建筑需要采取不同程度的加強(qiáng)措施進(jìn)行性能化加強(qiáng)，增加其建設(shè)成本。

位于邊坡坡頂?shù)慕ㄖ铮淇傮w規(guī)劃方案應(yīng)因地制宜進(jìn)行設(shè)計，盡量減少對既有邊坡的改造。應(yīng)根據(jù)建筑物與邊坡的距離、基礎(chǔ)方案及構(gòu)造做法等因素，考慮基礎(chǔ)與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互間的影響。位于高邊坡坡底的建筑基礎(chǔ)，基礎(chǔ)位于滑動面以內(nèi)的，還應(yīng)考慮水平推力的影響加強(qiáng)處理［10-11］。

高邊坡場地項目受規(guī)劃地形設(shè)計方案影響的建設(shè)成本變化較大，應(yīng)盡量采取符合場地條件，經(jīng)濟(jì)合理的總體規(guī)劃方案。邊坡、臺地邊界需根據(jù)邊坡條件選擇合理的支護(hù)方案。

5 結(jié)語

本文以廣東番禺某建設(shè)項目的基礎(chǔ)方案比選分析為例，對地基基礎(chǔ)成本影響因素進(jìn)行展開分析，闡述了影響B(tài) 級高度高層住宅建筑基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性的主要因素包括為地質(zhì)條件、主體結(jié)構(gòu)條件、環(huán)境條件、施工條件4個方面的因素，其中地質(zhì)條件為主要影響因素，在實際工程中尚應(yīng)特別注意特殊地質(zhì)條件的影響。