CFG樁復合地基變剛度調(diào)平設計與分析

盧萍珍 齊 微 孫宏偉 方云飛

（北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045）

0 引言

因建筑功能上的需要，在高層主樓周邊往往配置有低層裙樓或純地下車庫。由于兩者層數(shù)、荷載相差大，基礎(chǔ)差異沉降量的控制[1]成為設計的重點和難點；當?shù)叵滤桓?，同時裙房或純地下埋深較大，需要增設抗浮構(gòu)件時，以上問題更為突出[2-3]。

CFG樁復合地基[4]技術(shù)具有施工速度快、工期短、質(zhì)量容易控制、工程造價相對低廉的特點，因此亦被較多地應用于高層建筑中，是北京及周邊地區(qū)應用最普遍的地基處理技術(shù)之一[5]。周 宸等通過現(xiàn)場足尺試驗，研究了CFG 樁的受力特征[6]；化建新等系統(tǒng)綜述了2015年以前CFG樁復合地基在建筑工程中的研究及應用進展[7]；吳民利分析了褥墊層厚度對CFG 樁樁土應力分擔比的影響[8]；郭密文等[9]、王楊等[10]分析了采用CFG 樁進行變剛度調(diào)平設計，采用變樁徑、樁長或樁間距，解決核心筒承載力要求高、周邊承載力要求低的問題。本文側(cè)重介紹大面積地下室連成一體的多塔結(jié)構(gòu)，主樓采用CFG樁復合地基，裙房采用抗浮樁構(gòu)件條件下，基于差異變形控制的協(xié)同設計與分析。

1 工程概況

北京國際文化硅谷園位于北京市朝陽區(qū)將臺鄉(xiāng)，東北五環(huán)路與機場高速公路交匯處的南側(cè)，東側(cè)為酒仙橋東路，南側(cè)臨近萬紅路，西側(cè)為798 藝術(shù)區(qū)，北側(cè)為酒仙橋北路。根據(jù)相對于電子城一號街的地理位置，本工程分為北區(qū)和南區(qū)。南、北兩區(qū)均主要由2 棟高層辦公樓及地下車庫組成。其中高層辦公樓地下2 層，地上13 層，高60 m，鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；地下車庫為框架結(jié)構(gòu)，地下2 層。基礎(chǔ)形式均為梁板式筏形基礎(chǔ)。

本工程±0.00 為絕對標高35.00 m，基底標高主樓-12.47 m、純地下車庫-11.87 m，地基土為細砂-粉砂③層，局部為黏質(zhì)粉土④層、重粉質(zhì)黏土-黏土④3層，地基承載力標準值fka綜合取值130 kPa。地基基礎(chǔ)設計等級為甲級。建筑平面內(nèi)既分布有較高的集中荷載，同時有大面積的超補償建筑，使得置于同一基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元的各高層建筑與周邊部位之間的差異沉降問題十分突出，因此，如何協(xié)調(diào)與控制各建筑的基礎(chǔ)差異沉降是結(jié)構(gòu)設計面臨的嚴峻問題。本文著重介紹北區(qū)地塊的地基基礎(chǔ)設計與分析。圖1所示為北區(qū)三維結(jié)構(gòu)模型，圖2 為北區(qū)主樓標準層結(jié)構(gòu)分布圖示。

圖1 北區(qū)三維結(jié)構(gòu)模型

圖2 北區(qū)主樓標準層圖示

2 場區(qū)條件

2.1 巖土工程條件

擬建場地位于永定河沖洪積扇中下部，其第四紀沉積物主要為永定河沖洪積物。以粉質(zhì)黏土、粉土與砂土交互沉積為主。在地勘鉆探揭露的最大勘探深度45.0 m 范圍內(nèi)，可分為10 個大層，其中場區(qū)表層為厚度0.5～3.3 m 的人工堆積層，自標高31.57～33.99 m 以下為一般第四紀沉積層。根據(jù)該項目詳勘報告，基底以下各層土的物理力學性質(zhì)指標如表1所示。典型地層剖面見圖3。

圖3 上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)相對位置關(guān)系圖

表1 地層巖性物理力學指標表

2.2 水文地質(zhì)條件

勘察期間(2015年9月中上旬)場地33 m 深度范圍內(nèi)共揭露5 層地下水，自上到下依次為臺地潛水、潛水（3 層）和承壓水（見表2）。近3～5年最高水位標高為32.50 m 左右（不包括上層滯水）。本工程的建筑抗浮設計水位標高按32.50 m 考慮。

表2 場地地下水情況一覽表

3 設計方案

本工程主樓因地基承載力不足采用CFG樁復合地基，裙房因抗浮需要布置抗浮樁。主樓結(jié)構(gòu)體系與常見框架剪力墻結(jié)構(gòu)不同之處在于，標準層層層有外懸挑（2.10 m），且外框柱與核心筒距離較大（12.10 m），同時局部外框柱鄰近地下室外墻，基礎(chǔ)底板沒有外擴條件（見圖1、圖2），導致局部框架下荷載集度明顯增大。通過不斷調(diào)整地基與基礎(chǔ)剛度，完成的計算分析工作包括：巖土工程指標到工程所需參數(shù)的轉(zhuǎn)化；考慮地基與結(jié)構(gòu)相互作用的差異沉降變形計算分析；變剛度調(diào)平差異變形的地基設計方案分析；控制與協(xié)調(diào)不均勻沉降的工程措施分析與計算驗證等，最終目標為使沉降分析結(jié)果滿足變形設計要求，即地基處理后建筑物最終最大沉降不大于50 mm，差異沉降不大于0.1%l。

基于變形協(xié)調(diào)，考慮主樓基底應力的擴散，主樓厚板延伸到第一跨純地下車庫柱，同時在距離主樓框架柱一跨外起，根據(jù)純地下車庫各區(qū)域抗浮荷載及單樁抗拔承載力，進行純地下區(qū)域抗浮樁布置。

最終地基基礎(chǔ)方案中，裙房抗浮樁采用樁徑600 mm，樁長17.50 m，樁身混凝土強度C35，單樁豎向抗拔承載力標準值Rtv=700 kN，按裂縫控制計算[11]，樁身配筋12 22。

各建筑部位CFG樁復合地基設計參數(shù)見表3。為了提高樁土應力比，有效控制差異沉降，本工程褥墊層整體厚度為150 mm，局部框架柱下為100 mm（如圖4 中斜線填充區(qū)域所示）[7-8,11]。

表3 CFG樁復合地基設計參數(shù)

CFG 樁及抗浮樁與地層相對位置關(guān)系見圖3，平面布置見圖4。

圖4 CFG 樁及抗浮樁平面布置示意圖

4 沉降變形分析

基于CFG 樁及抗浮樁設計成果，進行沉降變形分析復核。

本工程沉降變形計算采用國際巖土有限元軟件PLAXIS 3D 進行模擬。其中抗拔樁采用程序自帶Embedded Pile 單元，基礎(chǔ)底板采用Plate 單元，梁采用Beam 單元。各土層巖土物理力學參數(shù)基于表1。

目前關(guān)于CFG樁復合地基變形計算的數(shù)值方法大致有兩種，一種為基于規(guī)范[4]傳統(tǒng)的復合土層法，一種為樁體置換法。前者將樁間土和增強體綜合考慮為復合土層單元，用復合土層的參數(shù)進行模擬計算；后者在模型中考慮了褥墊層，建模過程中采用特定的結(jié)構(gòu)單元模擬復合地基中的增強體[12-14]。本項目中CFG樁復合地基的數(shù)值模擬采用復合土層法。

最終方案的計算模型見圖5。計算結(jié)果見圖6。

圖5 有限元計算模型

圖6 沉降變形云圖

根據(jù)沉降計算結(jié)果，建筑物最大沉降量為40 mm，發(fā)生在北側(cè)框架柱下；核心筒下整體沉降變形較均勻，平均沉降量24.8 mm。主樓框架柱與純地下柱之間差異沉降量計算值最大約為0.092%l；核心筒與外框柱之間的差異沉降最大約為0.050%l。最大沉降量小于結(jié)構(gòu)設計允許值（50 mm），差異沉降滿足設計及規(guī)范不大于0.1%l的相關(guān)要求。

5 工程檢驗

5.1 復合地基

已有工程案例表明，當樁端持力層賦存地下水且具承壓性時，易導致樁端部混凝土澆筑不密實或因擾動形成樁底虛土[2]。

在各方密切配合下，本工程所檢測的CFG 樁單樁完整性檢測滿足設計要求；CFG樁復合地基工程樁單樁Q-s曲線見圖7。加載至單樁承載力極限值時，各CFG 單樁樁頂累計沉降量為9.73～15.16 mm，加載至單樁承載力特征值時樁頂沉降為2.44～4.28 mm，達到設計要求。

圖7 單樁靜載試驗Q -s 曲線圖

CFG樁復合地基單樁復合檢測p-s曲線見圖8。最大加載量860 kPa 時，沉降量16.49～20.14 mm；最大加載量1240 kPa 時，沉降量15.83～19.62 mm；加載至復合地基承載力特征值430 kPa 時，沉降量4.36～6.07 mm；加載至620 kPa 時相應的復合地基沉降量3.31～6.53 mm，均達到設計要求。

圖8 單樁復合靜載試驗p-s 曲線圖

5.2 抗浮樁

根據(jù)檢測報告，所檢測的抗浮樁均為Ⅰ類樁，檢測所得U-δ曲線見圖9。最大加載量1400 kN 時對應的上拔量4.07～6.23 mm。加載至單樁抗拔承載力特征值700 kN 時，樁頂上拔量為1.38～1.49 mm，滿足設計要求。

圖9 抗浮樁U-δ 曲線圖

5.3 沉降觀測

本工程沉降觀測因故從主樓地上2 層開始。根據(jù)沉降觀測數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)封頂后約300 d（第15 期）測量到沉降等值線圖見圖10，其中最大沉降量在A1樓核心筒東南角，為15.0 mm；從地上2 層開始到封頂后約500 d（第16 期），未破壞的觀測點沉降曲線見圖11，最大實測變形量15.4 mm，沉降速率≤0.83 mm/100 d（J10 觀測點），滿足規(guī)范[11]1 mm/100 d的穩(wěn)定要求。

圖10 沉降觀測等值線圖（單位：mm）

圖11 施工過程沉降觀測曲線圖（單位：mm）

假定基礎(chǔ)底板到地上2 層產(chǎn)生的變形與地上2層到沉降穩(wěn)定呈線性發(fā)展關(guān)系，推測出基礎(chǔ)底板到地上2 層施工期間的變形約為5.6 mm，則總最大變形量約21.0 mm，小于核心筒處預測平均沉降量24.8 mm。

6 結(jié)論

通過地基基礎(chǔ)設計、計算和協(xié)同分析，最終采用了科學合理的結(jié)構(gòu)剛度和地基剛度，在兼顧抗浮的前提下控制了差異沉降，減小了結(jié)構(gòu)底板次內(nèi)力，確保了工程安全，并提高了經(jīng)濟效益。主要結(jié)論包括：

（1）在主樓與純地下荷載集度差異較大、且純地下結(jié)構(gòu)存在抗浮需求時，進行地基基礎(chǔ)的整體考慮、協(xié)同分析，有利于合理發(fā)揮有利要素，消除或規(guī)避不利因素，從而制定出科學、經(jīng)濟、合理的地基基礎(chǔ)方案。

（2）可以通過對CFG樁復合地基采用變樁間距、變?nèi)靿|層厚度等措施達到變剛度調(diào)平設計的目標。

（3）工程檢驗及沉降觀測成果資料表明，本工程設計安全、合理。