超高層建筑樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐

王衛(wèi)東，吳江斌

(1 華東建筑集團(tuán)股份有限公司，上海 200011；2 華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200011)

0 引言

超高層建筑在中國的發(fā)展始于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過二十多年的建設(shè)，中國超高層建筑數(shù)量不斷增多。世界高層建筑與都市人居協(xié)會(huì)(CTBUH)將300m高作為超高層建筑與高層建筑的分界線，根據(jù)其最新統(tǒng)計(jì)，截止2020年底，全球已竣工的300m以上高的超高層建筑已達(dá)到176棟，其中中國84棟，阿聯(lián)酋30棟，美國25棟。

中國超高層建筑的數(shù)量不斷增多的同時(shí)，建筑高度也在不斷突破。截止2021年底，世界高度排名前20的建筑中，中國占有12棟。其中632m高的上海中心于2016年竣工并已投入運(yùn)營，它是目前已建成的中國第一高樓，也是世界第二高樓，僅次于828m高的阿聯(lián)酋哈利法塔；588m高的深圳平安國際金融中心于2016年竣工；而與此同時(shí)，597m高的天津117大廈于2015年實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)封頂，中國已成為世界上超高層建筑發(fā)展的中心之一[1]。

在超高層建筑高度不斷增加的同時(shí)，建筑技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展，建筑的功能、形式日趨復(fù)雜，促使結(jié)構(gòu)形式、建筑材料、建造技術(shù)不斷地發(fā)展和創(chuàng)新。超高層建筑深基礎(chǔ)工程有別于常規(guī)的建筑，表現(xiàn)為高集度基底壓力、嚴(yán)格的沉降控制、復(fù)雜的風(fēng)荷載和地震作用、復(fù)雜的基礎(chǔ)穩(wěn)定問題、更深的基礎(chǔ)埋深等。超高層建筑首先面臨的是豎向承載力的問題，特別是塔樓范圍內(nèi)基底壓力非常大，如上海環(huán)球金融中心主樓基礎(chǔ)底板的平均壓力高達(dá)920kPa，上海中心大廈核心筒區(qū)域平均壓力達(dá)3 000kPa。另外，超高層建筑對風(fēng)荷載和地震作用的響應(yīng)較一般建筑顯著，往往在基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的水平力和彎矩，使得基礎(chǔ)的受力更為復(fù)雜，特別是對于處在基礎(chǔ)系統(tǒng)中外圍的地基或樁基，風(fēng)荷載和地震作用也對基礎(chǔ)抗滑移與抗傾覆等穩(wěn)定性產(chǎn)生更加不利的影響。而隨著超高層建筑高度的增加，其對變形也更加敏感，特別是由差異沉降引起的傾斜問題，將使結(jié)構(gòu)頂部產(chǎn)生較大的水平變形，很可能會(huì)影響到電梯等設(shè)備的正常使用和人的舒適度，因此對超高層建筑的總沉降和差異沉降的控制要求更高。超高層建筑高度增加和主樓與裙樓地下空間的一體化開發(fā)，使得高層建筑的地基基礎(chǔ)向超深、超大和更復(fù)雜的方向發(fā)展，給設(shè)計(jì)及相關(guān)的計(jì)算都提出了新的挑戰(zhàn)。

1 超高層建筑深基礎(chǔ)選型與設(shè)計(jì)

1.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系、基礎(chǔ)受力變形等特點(diǎn)，其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：基礎(chǔ)體系在豎向荷載、橫向荷載、力矩荷載組合下的極限承載力及整體穩(wěn)定性(基礎(chǔ)抗滑移、抗傾覆)；風(fēng)荷載(循環(huán)荷載)、地震作用等對基礎(chǔ)承載力和基礎(chǔ)位移的影響；整體沉降、傾斜、不均勻沉降(包括超高層建筑塔樓之間不均勻沉降，塔樓與裙樓之間不均勻沉降)；地震影響(包括基礎(chǔ)體系在地震作用下的響應(yīng)，基礎(chǔ)下或周圍砂土液化或震陷分析及處理措施)?；A(chǔ)體系設(shè)計(jì)，包括基礎(chǔ)體系各部分(如樁基和筏板)的規(guī)格、承載力、基礎(chǔ)布置、基礎(chǔ)詳細(xì)設(shè)計(jì)等。

以超高層建筑樁基礎(chǔ)為例，設(shè)計(jì)總體步驟如下：1)首先根據(jù)地質(zhì)勘察信息，建立場地關(guān)鍵二維或三維地質(zhì)模型，據(jù)此，初步評估塔樓的地基條件、判斷工程地質(zhì)特征及不同地層的特性、確定巖土設(shè)計(jì)參數(shù)。2)根據(jù)簡化的地質(zhì)模型和荷載要求，估算基礎(chǔ)性能，初步確定樁基礎(chǔ)的承載力、規(guī)格與成樁方式。開展試樁的設(shè)計(jì)、施工與檢測，驗(yàn)證單樁承載力、沉降變形控制能力及施工工藝可行性。3)基于單樁設(shè)計(jì)結(jié)果和較為完整的上部荷載信息，確定樁數(shù)，并進(jìn)行平面布樁設(shè)計(jì)?？筛鶕?jù)上部荷載和樁頂反力進(jìn)行筏板厚度的抗沖切與剪切驗(yàn)算，還可根據(jù)沉降控制、樁基承載力要求對樁位進(jìn)行調(diào)整。4)將重新確定的筏板厚度和樁位布置再次進(jìn)行計(jì)算直至滿足要求，據(jù)此確定筏板厚度與布置、樁位布置與樁頂反力、基礎(chǔ)沉降與筏板彎曲內(nèi)力。

上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基三者之間是相互影響的，采用協(xié)同作用分析方法符合整體結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)[2]，使設(shè)計(jì)更為合理、經(jīng)濟(jì)。超高層建筑結(jié)構(gòu)整體剛度大，對基礎(chǔ)變形的約束和協(xié)調(diào)作用更明顯，因此高層建筑與地基基礎(chǔ)等設(shè)計(jì)規(guī)范均明確提出高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需考慮上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的共同作用，由于涉及結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，如何進(jìn)行計(jì)算分析一直是超高層建筑基礎(chǔ)工程的難點(diǎn)問題之一。在目前工程實(shí)踐中，主要有兩種設(shè)計(jì)方法：1)采用上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)共同作用的基礎(chǔ)沉降實(shí)用分析方法[3]，開展基礎(chǔ)受力和變形計(jì)算，分析單樁承載力、樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、基礎(chǔ)沉降和差異沉降。該方法采用子結(jié)構(gòu)法進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)剛度分析；對基礎(chǔ)筏板，采用考慮剪切變形的Reissner厚板理論進(jìn)行剛度分析；采用Poulos解或Geddes解分析樁土剛度，并考慮群樁加筋效應(yīng)對群樁剛度的影響[4-5]。該方法可實(shí)現(xiàn)對不同地質(zhì)分區(qū)、樁基與天然地基混合、承壓樁與抗拔樁混合、不同長度樁基混合等工程問題的分析，計(jì)算效率高。2)采用上部結(jié)構(gòu)和樁筏基礎(chǔ)一體化三維分析方法，上部結(jié)構(gòu)核心筒、巨型框架柱等采用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，基礎(chǔ)筏板采用三維厚板單元或?qū)嶓w單元進(jìn)行模擬，地基土和群樁剛度同于1)所述的基礎(chǔ)沉降實(shí)用分析方法，可對基礎(chǔ)底板應(yīng)力以及基礎(chǔ)差異沉降引起上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力進(jìn)行精細(xì)化分析，計(jì)算更全面。

1.2 主要基礎(chǔ)形式

超高層建筑基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)首先應(yīng)綜合考慮建筑物體型與功能特征、上部結(jié)構(gòu)形式與荷載要求、場地土層條件，選擇合適的持力層和基礎(chǔ)形式。巖石地基由于承載力高、壓縮性小，通常是超高層建筑的理想天然地基持力層。目前國內(nèi)采用天然地基淺基礎(chǔ)的最高的建筑是452m高的長沙國金中心，其持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；正在建造的518m高的大連綠地中心，其持力層為中風(fēng)化板巖。受地基承載力和變形控制要求的限制，國內(nèi)超高層建筑普遍采用的還是樁基礎(chǔ)，表1列出了國內(nèi)部分典型超高層建筑及其樁基工程概況。除20世紀(jì)90年代建造的上海金茂大廈和上海環(huán)球金融中心采用鋼管樁外，21世紀(jì)初，隨著灌注樁后注漿技術(shù)的發(fā)展，灌注樁的承載力和變形性能得到了提升和保證，其在近年來300m以上高的超高層建筑中得到越來越多的應(yīng)用。當(dāng)沒有條件采用天然地基，且基巖埋深較淺時(shí)，可采用嵌巖樁基，并可采用人工挖孔工藝成樁。450m高的南京綠地紫峰大廈和588m高的深圳平安國際金融中心都采用了人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)。當(dāng)基巖埋深較深，樁端嵌巖可行性較差時(shí)，或以上海、天津?yàn)榇淼难亟睾＼浲恋貐^(qū)，基巖埋深超過200m，樁端不可能嵌巖時(shí)，往往要求樁基穿越深厚的土層進(jìn)入相對較好的持力層以獲得較高的承載力并控制變形，大直徑超長灌注樁的應(yīng)用成為趨勢[6-7]。

國內(nèi)部分典型超高層建筑及其樁基工程概況 表1

2 鋼管樁基礎(chǔ)

2.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

鋼管樁能承受較大的沖擊力，穿透硬土層的性能好，能有效地打入堅(jiān)硬的土層，獲得較高的承載力。20世紀(jì)70年代后期，以寶鋼為代表的重大工業(yè)項(xiàng)目開始采用鋼管樁(樁徑609～914mm)，入土深度超過60m。鋼管樁在國內(nèi)高層民用建筑基礎(chǔ)中的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代中期。1985年上海靜安希爾頓酒店主樓工程，采用了440根φ609.6鋼管樁，88層的上海金茂大廈和101層的上海環(huán)球金融中心皆采用鋼管樁基礎(chǔ)。

鋼管樁的設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮成樁可行性及配套構(gòu)造措施，閉塞效應(yīng)承載力計(jì)算，抗腐蝕要求與耐久性措施。超高層建筑一般采用敞口鋼管樁，沉樁過程中樁端部分土將涌入管內(nèi)形成“土塞”?！巴寥钡母叨燃伴]塞效果隨土性、管徑、壁厚、樁進(jìn)入持力層的深度等諸多因素變化，不同的閉塞程度導(dǎo)致樁端產(chǎn)生土塞沖切破壞或樁端地基土沖切破壞兩種不同破壞模式。鋼管樁的防腐蝕措施主要有以下幾個(gè)方面：選擇耐腐蝕鋼種、預(yù)留腐蝕厚度、采用防腐蝕涂層、噴涂金屬層(熱噴涂鋁(鋅)、電弧噴涂鋅偽合金)、外壁包裹蓋層(以玻璃纖維為骨架，以油漆、環(huán)氧樹脂或不飽和樹脂作填料和黏合劑)、水下采用陰極保護(hù)(外加電流陰極保護(hù)或犧牲陽極陰極保護(hù)等)。

鋼管樁的常用樁徑為600～2 500mm，壁厚8～25mm，工程常用的樁徑有609，700，914mm三種，壁厚10～20mm，對于海洋平臺(tái)等特殊工程，其樁徑往往要更大一些。樁徑與扣除腐蝕裕量的有效壁厚之比不宜大于100。根據(jù)承載力和施工的要求，對于分節(jié)施工的樁可選用不同的壁厚，上節(jié)壁厚可選得大些，但上、下節(jié)樁的壁厚之差不能超過4mm。鋼管樁的分段長度一般不宜大于12～15m。鋼管樁焊接采用“V”字形坡口，下節(jié)樁為平口，上節(jié)樁下端加工成45°坡口，鈍邊2mm，鋼管內(nèi)側(cè)設(shè)固定定位塊和內(nèi)襯圈，上、下節(jié)之間焊接間隙為1～4mm。鋼管樁樁端構(gòu)造可采用敞口型和閉口型兩種形式，其中敞口型又可分為帶加強(qiáng)箍(帶內(nèi)隔板、不帶內(nèi)隔板)和不帶加強(qiáng)箍(帶內(nèi)隔板、不帶內(nèi)隔板)兩種形式，敞口型涌入“土塞”高度大，擠土量小，適用于持力土層厚、樁距小的工況。

高承載力鋼管樁的施工需選用穩(wěn)定性好、移動(dòng)方便的打樁機(jī)和錘擊力大的柴油錘或液壓錘，以及相應(yīng)的配套機(jī)具。錘的沖擊能量應(yīng)滿足能將樁打至預(yù)定深度的要求，但應(yīng)控制樁材的錘擊應(yīng)力小于樁材屈服強(qiáng)度的80%，單樁的總錘擊數(shù)控制在3 000擊以內(nèi)，最后貫入度不宜小于0.5～1.0mm/擊。樁頂受到巨大的錘擊力，管壁較薄，局部錘擊應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致局部破壞，因此樁頂范圍壁厚可加大，也可在樁頂、端外側(cè)加設(shè)長度為200～300mm、厚8～12mm環(huán)形的鋼板箍。鋼管樁的底端也可增設(shè)加強(qiáng)箍，防止進(jìn)入持力層時(shí)樁端變形損壞。

2.2 工程實(shí)例——上海環(huán)球金融中心

上海環(huán)球金融中心位于浦東陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)，為多功能的摩天大樓。塔樓地上101層，建筑高度492m，高寬比8.49，地下3層。塔樓結(jié)構(gòu)體系由四個(gè)角部的組合巨型柱與核心筒組成。塔樓采用了三重結(jié)構(gòu)體系抵抗水平荷載，該體系由巨型型鋼混凝土、鋼筋混凝土核心筒及構(gòu)成核心筒和巨型型鋼混凝土柱之間相互作用的伸臂桁架組成。由于高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PHC樁)進(jìn)入密實(shí)砂層的深度能力有限，單樁承載力受到限制，結(jié)合鄰近金茂大廈基礎(chǔ)工程的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，上海環(huán)球金融中心塔樓采用鋼管樁，其樁基礎(chǔ)平面布置示意及剖面如圖1所示。

圖1 上海環(huán)球金融中心樁基平面布置示意及剖面圖

基底地基土均屬第四系河口～濱海相﹑濱?！珳\海相沉積層，主要由飽和黏性土、粉性土、砂土組成。其中，②～⑥層為黏土層，含水率在23%～48%之間，土性較軟弱；⑦層為中密～密實(shí)的粉細(xì)砂層和粉土層；上海地區(qū)通常存在的⑧層粉質(zhì)黏土在本工程場地下缺失；⑨層為飽和密實(shí)的砂土層。以埋深達(dá)80m的⑨2層作為持力層時(shí)，從地下30m開始，要穿越50余米厚的砂層，按當(dāng)時(shí)上海灌注樁施工技術(shù)，在厚層砂層中鉆孔速度慢，且樁身泥皮和樁端沉渣難以控制，往往出現(xiàn)灌注樁承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)象，而且當(dāng)時(shí)鉆孔灌注樁樁端后注漿技術(shù)的應(yīng)用尚未成熟，因此否定了灌注樁的基礎(chǔ)方案。建設(shè)時(shí)場地周邊還處于開發(fā)階段，周邊并無很多建筑物和市政地下管線等建筑物及構(gòu)筑物，有錘擊打樁的條件。

中心區(qū)域采用樁長60.7m、樁型φ700×18的鋼管樁225根，持力層為⑨2層含礫中粗砂層；外圍區(qū)域采用樁長41.7m、樁型φ700×15的鋼管樁952根，持力層為⑦2層粉細(xì)砂層[8]?；A(chǔ)筏板采用變厚度設(shè)計(jì)，核心筒區(qū)域筏板厚4.5m，周邊區(qū)域筏板厚4m。

3 嵌巖樁基礎(chǔ)

3.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

樁基穿過覆蓋層嵌入基巖稱為嵌巖樁，嵌巖樁具有單樁承載力高、群樁效應(yīng)小等特點(diǎn)，是國內(nèi)外高層建筑物主要采用的基礎(chǔ)形式之一。

嵌巖樁承載模式和樁的長徑比、樁端嵌巖深度相關(guān)[9]。嵌巖樁的承載力一般由上覆土層側(cè)阻力、嵌巖段側(cè)阻力、樁端阻力三部分組成，應(yīng)該從嵌巖段側(cè)阻力與端阻力的發(fā)揮比例與總和綜合認(rèn)識(shí)嵌巖段的效率和承載能力。嵌巖樁端阻力的發(fā)揮隨嵌巖深度的增加有降低的趨勢。只有短粗的嵌巖樁，端阻力才有可能先于覆蓋土層的側(cè)阻力發(fā)揮出來或端阻力對樁的承載力起主要作用，屬于端承樁，對于穿越深層土層進(jìn)入基巖的嵌巖樁，側(cè)阻力不容忽視[10-11]。

目前規(guī)范關(guān)于嵌巖樁承載力估算主要分為兩類。一類以現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)和成都市、廣州省、南京市、深圳市等地方標(biāo)準(zhǔn)為代表，通過建立嵌巖段側(cè)阻力和端阻力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，計(jì)算嵌巖樁承載力。各規(guī)范嵌巖樁側(cè)阻力系數(shù)ζs與端阻力系數(shù)ζp除了考慮因素不一樣，其取值差異也較大，兩個(gè)系數(shù)取值的合理性直接影響到嵌巖樁的承載力取值，也蘊(yùn)涵了嵌巖段側(cè)阻力與端阻力的承載性狀，是嵌巖樁承載力計(jì)算的關(guān)鍵問題。另一類以國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)和北京市、浙江省、湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)為代表，仍延用常規(guī)土層中樁基承載力計(jì)算方法。需要在地質(zhì)勘察報(bào)告中提供嵌巖段的側(cè)阻力與端阻力取值，很大程度上依賴于當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)。

嵌巖段的側(cè)阻力與端阻力之間呈現(xiàn)此消彼長的現(xiàn)象，側(cè)阻力與端阻力并不能同時(shí)達(dá)到極限?；谖錆h、南京等地20余根現(xiàn)場試樁試驗(yàn)成果，采用有限元數(shù)值模擬方法，對嵌巖樁的試樁試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，取得了合理的巖層、土層參數(shù)取值，通過有限元數(shù)值模型計(jì)算得到側(cè)阻力和端阻力綜合系數(shù)ζr的取值建議，見表2，可供嵌巖樁承載力估算采用。相比于現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)綜合系數(shù)取值表5.3.9，表2在不同巖石強(qiáng)度分類和嵌巖深徑比兩個(gè)維度上作了擴(kuò)充與細(xì)化，計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測值更接近，適用性更強(qiáng)。將來在收集更多嵌巖樁工程實(shí)測案例的基礎(chǔ)上，可對嵌巖樁嵌巖段綜合系數(shù)的取值做進(jìn)一步的完善。

嵌巖樁側(cè)阻力和端阻力綜合系數(shù)ζr建議取值 表2

工程實(shí)踐表明：對于軟巖，通過單軸抗壓強(qiáng)度得到的樁端承載力往往偏低，究其原因?yàn)闃抖藥r石的強(qiáng)度一般由無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測得，軟巖取芯容易被擾動(dòng)，且樁端巖石在高圍壓作用下的強(qiáng)度值要大于無側(cè)限的情形。為了綜合確定巖石的天然抗壓強(qiáng)度，盡可能排除巖樣中的裂隙對巖塊抗壓強(qiáng)度的影響，宜對巖塊進(jìn)行點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)，以準(zhǔn)確反映巖塊的強(qiáng)度。必要時(shí)以深層平板或嵌巖短墩載荷試驗(yàn)作為樁端承載力取值的依據(jù)。

當(dāng)基巖埋深較淺時(shí)通常采用人工挖孔嵌巖樁，并通過擴(kuò)大樁端提高承載力。260m高的濟(jì)南綠地普利門采用人工挖孔嵌巖樁，樁端直徑由2.6m樁身直徑擴(kuò)大至4.6m，進(jìn)入中風(fēng)化閃長巖層，單樁承載力特征值達(dá)62 000kN。人工挖孔鑿進(jìn)方式主要有風(fēng)鎬、風(fēng)鉆和爆破等方式，適應(yīng)于地層穩(wěn)定、不易塌方、無地下水或含水較弱、動(dòng)水壓力不大和無有害氣體的地區(qū)。人工挖孔樁的孔徑(不含護(hù)壁)不得小于0.8m，當(dāng)樁凈距小于2.5m時(shí)，應(yīng)采用間隔開挖，相鄰樁跳挖的最小施工凈距不得小于4.5m?；炷磷o(hù)壁的厚度不應(yīng)小于100mm，配置直徑不小于8mm的構(gòu)造鋼筋，豎向筋應(yīng)上下搭接或拉接。

當(dāng)沒有條件進(jìn)行人工挖孔時(shí)，通常采用鉆孔、旋挖、沖孔等方式進(jìn)行成孔，復(fù)雜土層可采用不同成孔機(jī)具組合進(jìn)行針對性施工。475m高的武漢綠地中心大廈，采用了樁徑為1 200mm的嵌巖樁，樁端進(jìn)入中、微風(fēng)化砂巖，有效樁長約22～33m，極限承載力達(dá)45 000kN。單樁承載力載荷試驗(yàn)表明，端阻力約占總承載力的55%左右[12]。本工程在黏土層、砂層和強(qiáng)風(fēng)化泥巖層采用了旋挖轉(zhuǎn)機(jī)成孔，在微風(fēng)化泥巖層和中、微風(fēng)化砂巖層等硬土層則采用了沖擊鉆機(jī)成孔，提高了入巖的工效[13]。

3.2 工程實(shí)例——南京綠地紫峰大廈

南京紫峰大廈位于南京市鼓樓區(qū)，建筑總高度450m，地上結(jié)構(gòu)89層，為江蘇省最高的超高層建筑。采用了帶有加強(qiáng)層的框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)體系，設(shè)有4層地下室，塔樓區(qū)域基底埋深約23m，其樁基平面布置示意圖和基底以下樁詳圖見圖2。

圖2 南京綠地紫峰大廈樁基平面布置示意及基底以下樁詳圖

淺層至基底依次為填土層、粉質(zhì)黏土層和殘積土層?；滓陨现饕植紴槿L(fēng)化安山巖和強(qiáng)風(fēng)化安山巖，已分別強(qiáng)烈風(fēng)化為砂土狀和砂土夾碎塊狀?；滓韵聻橹酗L(fēng)化安山巖層⑤2a(軟完整軟巖)、⑤2b(軟完整軟巖)、⑤2c(軟破碎軟巖)。地質(zhì)勘察報(bào)告提供的⑤2a，⑤2b，⑤2c巖層試樣的飽和單軸抗壓強(qiáng)度分別為10.53，4.23，5.45MPa，考慮較完整巖乘以折減系數(shù)0.4、較破碎巖乘以折減系數(shù)0.2，⑤2a，⑤2b，⑤2c巖層樁端承載力特征值取值僅分別為4.2，1.7，1.1MPa，明顯偏低，從計(jì)算角度需要很長的嵌巖深度才能滿足承載力的要求。為了進(jìn)一步確定合理的樁端基巖的承載力，本工程分別對⑤2a和⑤2c中風(fēng)化安山巖開展了基巖承載力深層載荷板試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)得到的P-S(荷載-位移)曲線確定基巖的極限承載力，得到⑤2a和⑤2c基巖的承載力特征值分別為5.4，4.0MPa。可見兩種方法確定的基巖承載力有較大差別，特別是對于⑤2c軟破碎軟巖，按單軸抗壓強(qiáng)度確定的承載力明顯偏低。

本工程最終采用深層載荷板試驗(yàn)確定的樁端阻力進(jìn)行嵌巖樁的設(shè)計(jì)。樁基采用人工挖孔擴(kuò)底樁，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C45，樁身直徑2m，樁端擴(kuò)底直徑4m，樁端進(jìn)入⑤2c中風(fēng)化安山巖2m左右，單樁承載力特征值39 000kN，共87根樁，見圖2。根據(jù)基巖的巖性和埋深變化情況，樁長在6～30m之間變化。樁頂設(shè)置筏形承臺(tái)，厚3.4m?？⒐ず蟮谋O(jiān)測結(jié)果表明主樓沉降較小，最大沉降量為20mm。

4 大直徑超長灌注樁基礎(chǔ)

4.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

大直徑超長灌注樁主要指直徑大于800mm、樁長大于50m、長徑比超過50的樁。理論研究和工程實(shí)踐均表明，超長樁受長徑比大、樁端埋置深、樁身穿越土層多且土性復(fù)雜、后注漿工藝等因素的影響，其受力性狀有別于短樁和中長樁。因此，在明晰大直徑超長樁的工作性狀、施工難點(diǎn)和檢測要點(diǎn)基礎(chǔ)上，合理進(jìn)行設(shè)計(jì)就顯得非常重要?；诜治霈F(xiàn)場足尺試驗(yàn)量測結(jié)果，大直徑超長灌注樁基本承載性狀有如下特點(diǎn)[14-15]：

(1)超長樁上部側(cè)阻力先于下部側(cè)阻力發(fā)揮作用，荷載達(dá)到一定水平后，下部側(cè)阻力才逐漸發(fā)揮出來。隨加載和樁土位移的增加，樁身上部樁側(cè)阻力較早發(fā)揮至極限并進(jìn)一步出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，其殘余強(qiáng)度約為峰值強(qiáng)度的0.7～0.9倍[16-17]。由于樁的長度大，樁身下部位移小，下部側(cè)阻力存在不能充分發(fā)揮的現(xiàn)象。

(2)在工作荷載作用下，超長樁側(cè)阻力常常呈現(xiàn)樁身中部大、樁頂和樁端小的規(guī)律，樁頂至樁身一定范圍內(nèi)呈近似線性增長，超過一定深度后，樁側(cè)阻力因未得到充分發(fā)揮而沿深度減小或基本保持不變。

(3)超長樁端阻力的發(fā)揮有明顯的滯后性，由于樁端沉降量小，樁端阻力很難得到充分發(fā)揮。端阻力在整個(gè)承載力中所占的比例明顯小于側(cè)阻力，主要表現(xiàn)為摩擦型樁的特點(diǎn)。

(4)樁側(cè)阻力的發(fā)揮與樁端支承條件有關(guān)，當(dāng)樁端軟弱或沉渣較厚時(shí)，不僅端阻力低，側(cè)阻力的發(fā)揮也會(huì)大打折扣，使得其在相對較小的荷載作用下便發(fā)生陡降破壞。樁端后注漿改善了樁端支承條件，樁端的嵌固作用加強(qiáng)，樁側(cè)阻力可以發(fā)揮到較高的水平。

(5)超長樁樁身長徑比大、剛度較小，樁頂荷載不易向下傳遞，承載效率較低，導(dǎo)致以較大的樁頂變形為代價(jià)來獲取較高的承載力，極限承載力往往由樁頂變形和樁身強(qiáng)度來控制，很難達(dá)側(cè)阻力與端阻力皆達(dá)到極限的理論狀態(tài)。

(6)超長樁基礎(chǔ)的沉降由樁身壓縮和樁端下土體壓縮兩部分組成。單樁載荷試驗(yàn)時(shí)，樁頂沉降主要為樁身壓縮。由于樁端沉降量不大，將大大影響超長樁端阻力的發(fā)揮，所以要選擇合適的樁長及長徑比L/D。

(7)群樁效應(yīng)。超高層建筑荷載大，但主體建筑結(jié)構(gòu)底盤小，在3倍樁徑間距要求下，通常采用滿堂布樁的方式才能滿足上部荷載的需求。建筑工程的樁徑范圍約在800～1 200mm之間，長徑比往往大于50，每個(gè)工程樁數(shù)都在數(shù)百根，群樁效應(yīng)明顯。

大直徑超長樁在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量避免或減少樁身上部側(cè)阻力軟化、下部側(cè)阻力與端阻力不能充分發(fā)揮及樁身變形過大等不利效應(yīng)。雖然超長樁在工作荷載作用下表現(xiàn)為摩擦型樁，但樁端特性對樁側(cè)阻力發(fā)揮及其承載變形特性有很大影響。大直徑超長樁持力層通常選擇埋深大、土性較好的土層，如選用基巖、卵礫石層、砂層等為持力層，后注漿能有效地消除樁端沉渣、改善樁端土體承載性狀，提高樁端阻力及樁側(cè)阻力發(fā)揮水平，且有利于減小樁長，進(jìn)而增加樁身剛度、降低樁基施工難度、增加成樁的可靠性。

現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)是獲得樁基豎向抗壓特性最可靠的方法。工程樁單樁承載力的取值應(yīng)根據(jù)單樁承載力載荷試驗(yàn)結(jié)合樁身強(qiáng)度和沉降控制要求等確定。宜采用C45或更高等級(jí)的水下混凝土，解決后注漿大直徑超高樁樁身強(qiáng)度與地基土支承力不匹配的問題[18]。由于超長灌注樁長細(xì)比大、樁頂受荷強(qiáng)度高，樁基沉降計(jì)算應(yīng)計(jì)入樁身壓縮量。

大直徑超長灌注樁成孔深度大、施工時(shí)間長、泥漿比重大、含砂率高，導(dǎo)致樁身泥皮、沉渣與垂直度的問題較中、短樁更為突出，選擇合適的成孔機(jī)具、工藝和輔助措施甚為關(guān)鍵。軟土地區(qū)可采用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔，但在硬土地區(qū)，旋挖鉆機(jī)成孔效率更高，采用旋挖鉆機(jī)時(shí)，鉆頭的型式可根據(jù)孔深范圍內(nèi)不同土層、巖層性狀進(jìn)行選取。對于深厚砂層地區(qū)，應(yīng)考慮采用人工造漿，提升護(hù)壁性能，并嚴(yán)格控制泥漿中的含砂率以減小沉渣?？咨钶^大時(shí)，宜采用泵吸或氣舉反循環(huán)工藝，上海中心大廈樁基成孔深度近90m，其在深部砂性土層中采用了泵吸反循環(huán)成孔工藝[19]，天津117大廈試樁成孔深達(dá)120m，其成孔時(shí)則采用了氣舉反循環(huán)工藝[20]。

4.2 工程實(shí)例——天津117大廈

天津117大廈位于天津市高新區(qū)，總建筑面積約37萬m2，建筑高度約為597m，地上共117層，另有3層地下室，埋深約25m。117大廈塔樓樓層平面呈正方形，首層平面尺寸約67m×67 m，采用三重結(jié)構(gòu)體系，由鋼筋混凝土核心筒(內(nèi)含鋼柱)、帶有巨型支撐和腰桁架的外框架、構(gòu)成核心筒與外框架之間相互作用的伸臂桁架組成。該大廈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自重荷載約7 700MN，對地基基礎(chǔ)承載力和沉降要求高。

天津市區(qū)地處海河下游，場地最大勘探深度196.4m范圍內(nèi)的土層劃分為15個(gè)大層及亞層，主要以粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂三種土層間隔分布，以粉質(zhì)黏土為主。由于不存在深厚的密實(shí)砂層，其樁基持力層的選擇是樁基設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。

天津117大廈主塔樓共采用了941根灌注樁，樁徑皆為1 000mm，樁端埋深約98m，有效樁長約76m。根據(jù)樁頂反力大小與分布，單樁承載力特征值分別為16 500，15 000，13 000kN。樁基承臺(tái)筏板呈正方形，面積約7 500m2，板厚6.5m。該工程樁基平面布置示意及剖面見圖3。開展了分別以⑩5粉砂層(埋深約100m)和1粉砂層為持力層(埋深約120m)的4組試樁。試樁樁徑皆為1 000mm，采用樁端樁側(cè)聯(lián)合后注漿工藝。試驗(yàn)結(jié)果表明，4組試樁最大加載值皆達(dá)到42 000kN，樁頂變形約30～45mm，荷載-位移曲線呈緩變形，并未加載至承載極限。120m長的試樁并未表現(xiàn)出比100m長試樁更好的承載與變形能力，因此工程樁選用以⑩5粉砂層為持力層[21]。

圖3 天津117大廈樁基平面布置示意及剖面圖

樁基施工采用了回轉(zhuǎn)鉆機(jī)氣舉反循環(huán)工藝。泥漿采用膨潤土人工造漿，并在新漿中加入PHP膠體。在鉆進(jìn)過程中，根據(jù)不同的地層，泥漿比重、黏度、含砂率分別控制在1.1～1.2g/cm3，18～22s，4%。采用機(jī)械除砂、靜力沉淀等多手段結(jié)合，控制泥漿含砂量，防止泥漿內(nèi)懸浮砂、礫的沉淀。

建立了該工程上部結(jié)構(gòu)與樁筏基礎(chǔ)一體化分析模型，包括基礎(chǔ)筏板、地下3層結(jié)構(gòu)、地上6層結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)底板最終計(jì)算最大沉降約129mm，差異沉降約45mm。本項(xiàng)目于2015年9月結(jié)構(gòu)封頂，封后4年半實(shí)測基礎(chǔ)沉降見圖4。由圖可見筏板總體呈現(xiàn)盆式沉降，中間核心筒區(qū)域沉降大，周邊沉降小。最大沉降約100.6mm，最小沉降約31.6mm，差異沉降約69mm。

圖4 結(jié)構(gòu)封頂4年半實(shí)測基礎(chǔ)沉降/mm

5 結(jié)語

超高層建筑深基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步來自工程建設(shè)迅速發(fā)展的迫切要求，其技術(shù)的發(fā)展需密切關(guān)注綠色、環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展等需求。

(1)要重視現(xiàn)場試驗(yàn)，獲取可靠的地基土、樁基等承載力與變形參數(shù)，需要發(fā)展高精度、高加載能力的勘察與檢測測試裝置。

(2)基礎(chǔ)的內(nèi)力與沉降計(jì)算一直是設(shè)計(jì)中的難題，也將在很長一段時(shí)間內(nèi)成為研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。一方面，需要加強(qiáng)超高層建筑建設(shè)過程中基礎(chǔ)沉降的全面量測，為了解沉降變形分布與發(fā)展規(guī)律提供寶貴數(shù)據(jù)；另一方面，在深基礎(chǔ)的抗震性能評價(jià)與分析，地基基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的分析理論、方法和配套軟件等方面還待深入研究，并根據(jù)實(shí)測沉降數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行修正和完善。

(3)超高強(qiáng)度混凝土、鋼筋、復(fù)合筋材等新材料，預(yù)制樁植樁綠色成樁技術(shù)，高承載力新樁型，適于復(fù)雜地層的可靠高效施工機(jī)械與工藝、可控的灌注樁后注漿技術(shù)等都將是超高層建筑基礎(chǔ)工程的發(fā)展方向。