高层住宅基础优化设计实例（加长版）

[摘要] 通过对浅层强风化炭质页（灰）岩进行深入的勘察检测和分析，将原设计的冲（钻）孔灌注桩优化为筏形基础。介绍了浅层地基土承载力的取值、筏形基础浅埋稳定性分析、基础沉降预测等关键问题思路和沉降实测数据反演结果。对软硬不均地基上的筏形基础，提出用统计方法预测沉降的思路。




Abstract: After detailed geo-tech investigation, site test and dataassessments for strong weathered rock stratum , the foundation of two blocks of high-rise residentialbuildings were optimized from bored piles to raft on strong weathered rock. Some criticaltechnical challenges and their practical solutions are demonstratedand discussed, such as evaluation of bearing stratum capacity,stability of raft with insufficient embedded depth required by thecodes of practice, as well as settlement estimation. Recordsof settlement survey arepresented, together with feedback analysis based on survey data.The statistic method to site investigation data is recommended forfuture settlement estimation.


湖南省郴州市某住宅小区共有37 栋高层住宅，由北方某设计院（下文称“原设计单位”）设计。其中21# 楼、22# 楼和23~24# 楼在基础施工时遇到很大困难，被迫停工。建设单位向我们咨询处理方案，其后邀请我们进行基础优化设计。文[1] 介绍了23~24# 楼人工挖孔灌注桩基础优化设计的情况，本文将介绍21# 楼和22# 楼的基础优化设计。
1 工程概况
21# 楼和22# 楼均为28 层剪力墙结构，结构总高度为80.5m ，建筑面积分别为14530 和14170m2 。设计使用年限为50 年，结构安全等级为二级，地基基础设计等级为乙级，抗震设防类别为标准设防类，基本地震烈度为6 度，设计基本地震加速度为0.05g ，设计地震分组为第一组，上部剪力墙结构的抗震等级为三级，100 年一遇基本风压为0.35kN/m2 ，建筑场地类别为I 类。地下水对砼结构无腐蚀，对钢结构有弱腐蚀性。
2 地质情况和原基础方案
岩土勘察报告指出：1 ）拟建场地东北侧约20m 有一区域性压扭断裂 F1 通过，此断裂活动年代较为久远，不属于全新世活动断裂，断裂本身对场地稳定性不构成影响；2 ）受断裂挤压及岩性影响，场地岩性杂乱破碎，只有部分钻孔揭露有稳定的第⑤ 层中风化泥灰岩，其埋深在均40 米以下；3 ）场地表面广泛分布有第③ 层强风化炭质页（灰）岩，层厚5.5~18.4 米，其物理性质似碎石土类，但成分不均、软硬不均、遇水后易软化，每0.50~2.50m 夹有中风化灰岩夹层，厚度一般在0.10~0.40m ，最大1.50m ，呈夹层状、透镜体状随机分布。
岩土勘察报告认为第③ 层强风化炭质页（灰）岩的承载力不足，建议采用冲（钻）孔灌注桩，设计参数见表1 ，地质剖面见图1a 和1b 。

原设计采 用冲（钻）孔灌注桩，以第⑤ 层中风化泥灰岩为持力层。施工单位在21# 楼 选3 根Ф800 桩试冲，结果并不成功：3 根桩在施工过程中都出现不同程度的塌孔现象，耗时7~15 天才完成1 根桩，灌注桩身混凝土充盈系数达2.1~2.7 。有关各方对桩终孔 原则 、施工进度、工程量结算等事宜产生了很大的分歧，工程被迫停顿下来。
3 基础优化设计方案
经过踏勘现场、与相关单位技术人员交流以及查阅原设计图纸和岩土勘察报告等技术资料，确认冲（钻）孔灌注桩不适合本工程的场地条件，需考虑其他基础形式。
能否利用浅层地基土的承载能力是我们考虑的重点。 结合有关文献经验数据，对岩土勘察报告进行研读、判断后，我们认为表1 中第③ 层强风化炭质页（灰）岩的数据偏于保守、尚有较大的承载潜力：1 ）内摩擦角 过小，一般应在 28 o 以上[2-4] ； 2 ）地基 承载力特征值 也偏小，按 N 120 =8.7 推算可取 640kPa[5-7] 、按文献 [8] 地基承载力弹塑性混合解估算可取 710kPa 。
在我们的建议下，建设单位委托了长沙某检测单位，选取有代表性的地段进行浅层平板载荷试验，检测点高程192.0m ，目的是评定第③ 层强风化炭质页（灰）岩地基承载力、提供地基的变形参数。
浅层平板载荷试验的数据见表2 ， p -s 曲线见图 2 。在试验最大荷载时 p -s 曲线仍处于线性段， 3 个试验点的沉降值均在规范容许范围内， s /d=0.015 所对应的荷载值均大于试验最大荷载的一半， 第③ 层强风化炭质页（灰）岩 f ak >1200kPa 。

浅层平板载荷试验结果印证了我们对 浅层地基土承载能力的判断，同时 试验点YO1 明显比其他2 点显得“硬”，也说明岩土勘察报告评价该层“软硬不均”是符合实际情况。单纯从地基承载力考虑，对 28 层 剪力墙结构似可采用墙下独立基础，但考虑到第③ 层“成分不均”、“软硬不均”、“遇水后易软化”等特点，为适应可能发生的局部地基不均匀沉降、降低施工扰动对承载力的不利影响，最后决定采用筏形基础、以第③ 层为持力层。
4 基础优化设计
根据岩土勘察报告、浅层平板载荷试验报告以及原设计单位提供的基础荷载数据，以基础顶面为界进行了基础优化设计。以ETABS 软件进行计算分析，分别采用倒楼盖模型和考虑上部结构刚度的Winkler 弹性地基梁板模型（整体刚度+ 面弹簧法，参与工作的上部结构取4 层 [9-10] ，计算模型见图3 ）。经分析对比，2 种模型的内力分布规律与内力需求较吻合，后者的内力需求略大于前者，而且更加符合结构实际受力情况，所以按后者的分析结果进行筏板结构设计和沉降预测。



计算分析时，通过改变筏板外挑尺寸而调整其平面形心位置、进而控制上部竖向荷载偏心距 ey 。经试算，筏板大部分外挑600 时， D +L 工况 ey 为0.244m （21# 楼）和0.035m （22# 楼），均满足 ey ≤0.1 W/ A 的规范要求 [12-13] 。
采用厚1500 平板式筏形基础，混凝土强度等级C40 。选取不利位置进行筏板抗冲切和抗剪验算，验算结果均满足规范要求，且富余度普遍超过20% 。
根据ETABS 分析得到的筏板内力分布（见图4a~4d ）进行筏板抗弯承载力计算，采用HRB335 钢筋，双层双向 25@180 配筋，在个别墙下底筋和跨度较大的板跨面筋配置附加筋。







由于建筑使用的需要，筏形基础由3 块矩形筏板块组成，其中2 块斜交。基础配筋时各矩形筏板块内的钢筋按各自轴线方向布置；在斜交与正交板块相交处设置构造暗梁，斜交与正交板块的钢筋均伸入暗梁内锚固（ 图 5a~5b ），简化了钢筋连接，方便施工。


5 关键技术问题的处理和分析
5.1 平面形状 不规则筏形基础的等效底面宽度
在分析地基稳定性和调整基床系数等环节都用到“基础底面宽度 b ”这个计算参数，本工程基础为非矩形筏板，需要等效换算。用变形模量 E0 手工估算地基平均沉降 [13-14] 时，要将不规则平面划分为多个矩形进行计算过于繁琐，需要适当简化。
参照文献 [11] 处理平面形状不规则桩基沉降计算的办法，按等面积、等长宽比等效换算为 34.72m × 20.59m （21# 楼） 和 35.74m × 18.16m （22# 楼）的 矩形筏板。
等效矩形综合反映了原基础底面大小和形状对地基的影响，以其宽度作为原基础的等效底面宽度、用于 分析地基稳定性和调整基床系数等环节是合理的。根据以往多个工程的计算对比，用变形模量 E0 估算平均沉降时以等效矩形替代 原基础底面 ，可满足工程精度要求。
5.2 基础埋置深度
5.2.1 问题的提出
原设计采用钻（冲）孔灌注桩基础， 承台面标高 -2.80m ，承台厚度普遍在 1600mm 以上，大体上满足桩基础埋深 1/18 建筑总高度的规范 [12-13] 要求。

优化设计后改用天然地基，若按规范[12-13]要求1/15建筑总高度取基础埋置深度5.3m，则基础顶面标高需降低至-3.80m，由此可能引起以下问题：1）增加首层墙的高度，不但可能减低其承载力，甚至改变了上部结构计算简图，导致我们与原设计单位的责任界面模糊不清；2）原设计无地下室，建设单位为尽快复工、避免重新申报规划，决定优化设计后仍不设地下室，如机械地按规范