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多方面解析超高层建筑的基础设计要点

来源:中建国际(深圳)设计顾问有限公司  作者:宋宝东 黄用军 李建新  日期:2015-1-14
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  提要本文通过工程实例对超高层建筑的基础设计进行了探讨,根据超高层建筑的特点,对几种基础型式进行了分析比较,并依据安全经济原则,选择了合理的基础方案,其设计经验可供类似工程参考。
  关键词超高层,基础设计,灌注桩,抗浮设计

  缺点:

  ①桩底沉渣难以清理,桩身泥土影响侧摩阻力发挥;

  ②在中风化岩层很难扩底,单桩承载力难以提高(如能满足一定扩底尺寸,单桩承载力可以达到人工挖孔桩的要求);

  ③为获得较高的单桩承载力,需要用较大孔径,意味着需要大直径的钻机,对施工设备要求较高(深圳地区最大钻孔直径可到2.5m);

  ④废弃泥浆不环保,施工场地环境较差:

  ⑤在冲击岩石(词条“岩石”由行业大百科提供)或孤石时速度慢;

  ⑥若桩位位于岩层面起伏较大部位易产生斜孔。

  4.2桩端持力层的选择分析

  根据地勘报告及本工程特点,塔楼大直径嵌岩灌注桩基础的持力层可选择中风化或微风化岩。

  1、以中风化作为持力层时,入岩深度0.5m,桩端阻力特征值qpa=5000kpa,采用扩底以节省桩身砼量,扩底直径满足以桩身承载力作为桩基承载力的控制要求。

  2、以微风化作为持力层时,入岩深度0.3m,桩端阻力特征值qpa=9000kpa,桩端不作扩大头。因微风化岩承载力高,单桩承载力由桩身强度(词条“强度”由行业大百科提供)控制。

  4.3地层情况分析

  根据岩土工程详勘报告,本工程所处场地基岩顶面起伏较大,中风化层厚薄不均。如:l#塔楼的14勘探孔,中风化层厚度>24米,微风化层未揭露;而2#塔楼的中风化层较薄,100号孔中风化厚度仅为1.1米,中风化岩层有裂隙承压水。当以中风化岩作为持力层时,桩长在20米~33.5米左右;当以微风化岩作为持力层时,桩长在28米~47.5米左右。

  4.4技术分析

  l、通过以上分析可以看出,无论采用哪种桩型,中风化岩层都很难穿越,施工进度会受很大影响。

  2、当选择以微风化做持力层时,因为中风化岩层有承压裂隙水存在,穿越时会有很大的涌水量,且桩长超长达28~48米,人工挖孔风险很大,因此不能采用人工挖孔桩,只能采用钻(冲)孔桩。

  3、当选择以中风化做持力层时,可以采用人工挖孔桩或钻(冲)孔桩。由于钻孔桩很难在中风化岩层扩底,只能加大桩身直径,故如果采用钻孔桩时会增加混凝土钢筋用量;如果采用人工挖孔桩,则可减少桩身直径加大扩大头,即满足承载力需要又能节约混凝土及钢筋用量。但因桩长在20~34米,部分桩长>25米,不符合广东省有关于限制使用人工挖孔桩的通知的规定,采用时应确保施工安全保障及通过相应的可行性论证和政府审批。

  4、本工程地下水量丰富,采用整体降水施工方案时,钻孔桩没有优势,人工挖孔桩因水量小也可行;若不采用整体降水方案,因施工时上部结构自重还没有压下来,桩身相应承受抗拔承载力。通过以上分析,本工程塔楼最终采用人工挖孔桩以中风化做持力层的方案,并在施工前对每根桩都进行了对口超前钻探,以便准确判断桩的持力层位置及桩长,为旌工提供依据;同时,为了保证旌工安全,施工采用了整体降水的施工方案。

  5裙房基础选型和抗浮设计

  裙房地上层数不规则,层数为2~5层,地下3层。基底均布恒载标准值为85KN/m2,地下水水头h=13.6米,则水浮力标准值为136l(N/m2,自重不能平衡水浮力,故裙房基础除考虑竖向承压外,还需进行抗浮设计。

  5.1抗浮设计方案比较

  目前工程设计中普遍采用的抗浮设计方法优、缺点分析评价如下:

  1、配重法:加厚底板垫层填加重型混凝土,用自重平衡水浮力。其优点是方法简单可靠,缺点是增加基坑深度,增加材料费用。本工程水浮力较大,不宜采用自重平衡。

  2、设计抗浮锚杆:其优点是可在底板下均匀布设,单根锚杆抗拔力可以调整,抗拔效率高,施工快捷。缺点是:①没有承压作用,需另设竖向荷载的基础。

  ②多用于临时支护结构,永久锚杆存在着长期失效的闯题。

  ③锚杆与底板连接处防腐(词条“防腐”由行业大百科提供)处理困难,容易锈蚀失效。

  ④锚杆对底板的约束机理尚不明确,实际工程有锚杆失效的先例。

  3、预应力管桩兼做抗拔桩:其优点是既可承压又可抗拔,充分发挥材料性能,节省造价。施工速度快。缺点是:①当桩长较长时,管桩接头处焊接板无法防腐,地下水腐蚀后导致失效。②接头可采用快速机械接头,但造价增加。③管桩在施打过程中,桩身可能会产生微裂缝(词条“裂缝”由行业大百科提供),地下水作用下会腐蚀钢筋,导致抗拔力失效。

  4、大直径灌注桩兼作抗拔桩:可以在承压得同时,兼作抗拔,节省投资,设计、施工都比较容易保证,安全可靠。

  5.2技术分析

  通过以上分析及本工程地勘报告可知,裙楼基础采用桩基础,既可承压又可抗拔,能够充分发挥材料性能,又可有效避免与塔楼的不均匀沉降问题,安全可靠,是合理的基础型式。但预应力管桩抗拔承载力比较低,本工程水浮力又较大,因此管桩数量布置得比较多;同时因为塔楼采用了人工挖孔桩基础,如果裙楼采用预应力管桩,存在着两种桩型不能同时施工,施工周期长以及两个施工队伍管理困难等问题。通过综合比较分析,预应力管桩方案并不经济,力层的基础型式。因为地下室埋深较深,水浮力大,计控制。

  6 结语

  因此本工程裙楼最终采用人工挖孔桩以强风化做持裙楼挖孔桩均为为抗压抗浮桩,桩身尺寸由抗浮设通过以上基础选型比较分析,可以得到以下几点经验,供工程设计人员参考:

  1、超高层建筑基础设计时,应详细分析地勘资料,结合当地工程经验慎重选择合适的基础型式,既要保证结构安全又要经济合理。

  2、当地质条件允许时,超高层建筑采用人工挖孔桩基础,是最安全可靠、经济适用的基础型式。可以准确直观地判断持力层的岩性,能够发现地勘资料不能覆盖的特殊地质情况,保证超高层建筑承载力的安全。本工程l#塔楼在桩基施工过程中,就发现个别桩位在作为持力层的中风化岩面上,夹杂部分强风化岩脉的情况,降低了部分承载力,这种情况在地勘报告及超前钻资料中均未能发现。设计根据具体情况采取了加大入岩深度,穿过弱岩脉的措施处理,当加深一定深度后弱岩脉没有消失的迹象,则修改扩大头尺寸,以提高承载力,保证桩基安全。

  3、对于超高层塔楼与裙房地下室共存的综合体建筑,一般都会设有3层左右的地下室,地下水浮力比较大,裙房也宜采用与塔楼相同的基础型式,这样既可避免与塔楼的差异沉降又提供了很可靠的抗拔承载力。

  参考文献

  [1] 建筑地基基础设计规范(GB 50007—2002),中国建筑工业出版社,2002

  [2] 建筑地基基础设计规范(DBJl5—3卜2003广东省地方标准),中国建筑工业出版社,2003

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