沉降控制理论在某高层建筑中的运用和探讨

关键词：沉降高层建筑结构理论

1工程概况

乐清市烟草公司综合楼工程的原设计单位是国内某建筑设计院，主楼地下1层(层高4.45m)，地上16层(总高59.1m)，裙房3层，框剪结构，柱下承台基础。桩采用450mm×450mm的空心预制桩，桩身混凝土C30，桩端进入⑥-2层(砂砾石混粘性土)持力层500mm，要求单桩承载力标准值800kN。由于在桩基的施工过程中，桩沉至③-1层(砂砾石混粘性土，厚度0.5～3.4m)时出现不能穿透到达原设计的⑥-2层，故工程建设单位邀请国内另一家建筑设计研究院的有关专家在对地质资料分析基础上，提出工程桩基的修改和处理办法：桩持力层为③-1层(砂砾石混粘性土)，主楼基础改为桩筏基础(桩距1800mm×1800mm)，要求单桩承载力标准值600kN(后经静载试验已达到要求)。

建设单位考虑到基础与上部结构要统一及便于现场施工服务，决定由本院统一进行设计计算，绘制施工图。根据原上部结构布置与另一家建筑设计院提供的桩位图，经本院的计算分析，结果是：持力层下卧层(⑤层淤泥质粘土)的强度仍然不够。

2工程地质及场地

地基土分布及工程特征为：场地地形平坦，地貌类型属河海相冲积-淤积平原。根据勘察揭露情况，将地基土划分为：

①层表部粘土：全场分布，直接出露地表，厚0.90～1.10m。饱和，软～可塑状，高中压缩性。上部0.3m为耕植土。属地表氧化壳，分布稳定，具有一定力学强度，但厚度小，经回填严实处理后可作为一般低层建筑物的天然浅基础支承持力层，其fk＝70kPa,Es＝3.5MPa,qs＝13.0kPa。

②-1层淤泥：全场分布，厚22.00～22.10，饱和，流塑状，高压缩性，高灵敏度，其fk＝40kPa,Es＝1.00MPa,qs＝5.0kPa；②-2层淤泥质粘土：全场分布，厚4.70～5.80m，流～软塑状，高压缩性，局部为软粘土，其fk＝70kPa,Es＝3.00MPa,qs＝10.0kPa。该两土层为低抗剪强度软弱土层，力学强度很差，是受荷后的主要压缩层，仅可作为桩周摩擦层使用。（参考《建筑中文网》）

③-1层粘性土混砂砾石：厚0.50～3.40m，饱和，稍密，低压缩性，其fk＝200kPa,qs＝24.0kPa，qp＝1300kPa；③-a层粉质粘土或粘性土混砂：为不良软弱夹层，呈透镜体状不稳定分布，厚0.50～1.10m。饱和，软塑状，高压缩性。往下渐变为粘性土混中细砂，其fk＝80kPa,Es＝2.7MPa,qs＝140kPa，qp＝500kPa；③-2层砂砾石混粘性土：厚1.00～4.20m，饱和，稍密，低压缩性，其fk＝250kPa,qs＝35.0kPa，qp＝2000kPa。③-1和③-2层，两者呈渐变过渡关系，力学强度较好，但砾、卵石含量变化大，力学强度均一性差，而且有不稳定分布的③-a软弱夹层存在，大幅度降低了③层的总体力学强度，不是理想的桩尖持力层。如果作为相对持力层，桩端承载力标准值要适当降低使用，同时须对下卧软弱层进行强度和沉降验算。

④层粘土：厚0.8m，饱和，软塑～可塑状，高中压缩性。不稳定分布，厚度小，力学强度一般，不宜作为桩尖持力层，其fk＝100kPa,Es＝3.20MPa,qs＝20.0kPa，Qp＝700kPa。

⑤层淤泥质粘土：全场分布，厚3.10～4.0m，饱和，软塑性，高压缩性，底部有不稳定分布的可塑状粘土。低抗剪强度软弱土层，力学强度较差，一般宜作为桩周摩擦层使用，其fk＝75kPa,Es＝2.8MPa,qs＝12.0kPa，qp＝400kPa。

⑥-1层粘性土混砂砾石：厚1.80m，饱和，稍密，低压缩性，力学强度好，其fk＝210kPa,qs＝26.0kPa，qp＝1400kPa。-2层砂砾石混粘性土：厚2.30～3.70m，饱和，稍密～中密，低压缩性，力学强度较好，其fk＝250kPa,qs＝35.0kPa，qp＝2000kPa。该两土层合并可作为拟建建筑物的桩尖持力层，但总厚仅2.70～3.70m，当选作桩尖持力层时要注意其厚度较小的特征。

⑦-1层粘性土含砂砾石：厚1.1～1.4m，饱和，高压缩性，砾卵石含量较少，力学强度较差，仅作为桩周摩擦层使用，其fk＝100kPa,Es＝4.0,qs＝18.0kPa，qp＝800kPa；⑦-2层粘性土混砂砾石：厚0.50～1.60m，饱和，砾卵石、砂含量较高，力学强度较好，但厚度小，分布不稳定，不宜作为桩端持力层，其fk＝210kPa,qs＝26.0，qp＝1400kPa。

⑧层粘土：控制厚度1.10～3.50m，未穿，控制深度40.5～44.5m，饱和，软塑状，高中压缩性，力学强度不均一，承载能力较低，为相对较弱下卧层，局部含砾砂，其fk＝90kPa,Es＝3.0MPa,qs＝18kPa，qp＝800kPa。

场内地下水主要为孔隙水，属潜水类型，受季节大气降水和人工排水等因素影响而变化，一般地下水位在自然地面下0.3～0.9m。

本场地未进行岩土波速测试，地基土上部为巨厚的高压缩性、高灵敏度淤积软土，对地震波有放大作用，其抗震性能差。该场地为软弱场地土，建筑场地类别为Ⅳ类。按全国地震带划分，乐清市位于东南沿海地震带东北段，为少震、弱震区，远程地震波的波及影响是本地区的主要震害特征，基本地震烈度6度。拟建为一类高层，其建筑抗震设计应按现行《建筑抗震设计规范(GBJ11-89)》有关规定进行。

3设计理论及方法

针对以上工程条件和现状，采取了四种措施，以满足建筑物的沉降变形和下卧层强度要求。

3.1应用沉降变形控制设计理论

先将桩一承台基础改为桩筏基础，充分发挥筏板和地基间、桩间土的承载能力。按沉降变形控制设计的桩基础(也称减少沉降桩基础、沉降控制复合桩基或疏桩基础，国外叫Creeppile，Frictionpiledfoundation，Piledraftfoundation等)是按控制地基沉降的原则设计的桩基础，也即在设计时由基础的沉降控制值来确定桩数和桩长。桩在基础中除承担部分荷载外主要起减少和控制沉降的作用，桩可视为减少沉降的措施，或作为减少沉降的构件来使用。它是现代桩土相互作用理论研究的重要成果之一。在实际工程中采用桩基础的原因主要有两个：一是因为地基承载力不够，需要采用桩将上部结构荷载传到深层土或支撑于坚硬持力层，二是因为地土将会发生较大的沉降变形，需要采用桩来减少沉降。因此，合理和恰当的桩基础设计应根据采用桩基的目的不同而分三种不同的情况处理：所有荷载由桩承担;桩和筏板基础分担上部结构荷载，桩既承担荷载，同时也起到减少沉降变形的作用：桩用于减少或控制沉降，基础的承载力主要由基础板(梁)承担。目前的桩基础设计理论都是建立在满足承载力的基础上，也即在桩基础设计时均按上述第一种情况处理，完全由上部结构荷载来确定桩数和桩长。显然，对于沉降过大而采用桩基础的情况来说，这种传统的桩基础设计方法是过于保守的并且在设计目的上也不明确。以沉降控制的基础设计方法，目前主要应用于层数小于8层的多层建筑，且多使用直径小于25cm的预制钢筋混凝士微型桩。某10层办公楼桩筏基础按变形控制设计理论，成功地将原设计的110根650钻孔灌注桩减少到76根。在国外，1986年，此理论已应用于11层的建筑物桩基础设计中，但尚未见桩箱(筏)基础与地基共同作用应用于超过18层的高层建筑桩箱(筏)基础的报道。高层建筑桩筏基础按变形控制设计理论的核心是认为高层建筑桩箱(筏)基础能否正常安全工作，主要是让建筑物的实际沉降量小于允许沉降量。对桩的承载能力没有很严格的要求，只要单桩荷载小于单桩极限承载力即可，并对24层的高层住宅作了加层的尝试，获得成功。

采用桩、筏共同作用的优点是：充分利用和发挥了桩对控制基础沉降的能力，并使筏板底地基也充分发挥承载能力，大大降低了工程造价。本工程提出的计算公式：F+G≤γd(nPu+Afu)

式中F—作用于桩基承台顶面的竖向荷载设计值；

G—桩基承台和承台上土自重设计值；

Pu—单桩极限承载力;

γd—综合承载力系数，一般取0.5～0.6;

A—承台基础面积；

fu—基底土的极限承载力。

3.2措施

(1)通过将桩-承台基础改为桩筏基础和运用沉降变形控制理论设计方法，使γd(nPu+Afu)项比原来的设计(所有荷载由桩承担)值增大，充分发挥单桩和地基土的极限承载力。

(2)减少F:采用减轻上部结构重量方法,将框剪结构改为框架结构，将部分砖墙改为轻质隔墙。

(3)减少G:采用增加一层地下室，减少土体自重，增大地下水浮托力的办法，减少基底的压应力。这是本工程桩基设计中的重要一个环节，也是本文的创新点。为安全起见，G的减少量仅取0.8倍地下室有效土体重。

经过以上(1)、(2)和(3)三项措施处理后，经验算房屋的整体沉降、局部沉降及桩端下软弱下卧层的强度均可满足要求。

(4)运用实时调控的方法和技术进行半逆作法施工,为了防止出现不均匀沉降或整体沉降量过大，本工程还采用了预留的安全措施,即后补预制桩技术，使地基、桩筏和由于计算模型、计算方法及各种参数的不确定性因素也得到解决和检验，具有实时检验和控制作用。在建筑物的四角和对沉降控制敏感的区域，巧妙合理地预设倒锥形孔位，为将来需要时补压预制桩，预先作好考虑和准备，做到万无一失。

4展望

本文介绍的设计方法，虽属于为了工程处理目的，但经过进一步深入研究和实践考验，相信可以推广应用。目前该工程已进入基础开挖阶段。

但由于某些计算理论的不成熟和缺乏实际工程的实践经验，为了较详细地了解其真实受力、变形过程，与设计计算值比较，并为研究同类问题提供借鉴和经验，在施工和使用的规定时期内除了常规的检测外，有意识地设置了部分仪器和测点，进行沉降观察和压力测试。最后的结果要等到大楼结顶和投入使用一段时期后才能得到和验证。

通过这一工程的设计和处理，虽然运用了目前先进的变形控制理论和实时调控方法，但要推广使用，仍有许多问题值得研究。如增加一层地下室，虽可减轻一层土体重量，但对基坑开挖和支护增加了难度和费用;对18层建筑，将原框剪结构改为框架结构后，结构的抗侧刚度和侧向变形较难处理：对较高地震设防区，在地震发生时是否会引起不均匀沉降和倾斜甚至倒塌(即如何考虑地震效应);另外，如果在建筑物邻近处挖深坑，到底会产生多大的影响等等，欢迎大家共同探讨。