曹安国际商城基础设计

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[摘要] 本文通过曹安国际商城基础设计计算实例，讨论与分析了高层建筑超长地下室设计方法，总结了该类地下室设计时的常见问题，并给出了相应的对策措施。

[关键词] 承压桩；抗拔桩；沉降；基础底板；地下室外墙；裂缝

1 工程概况

曹安国际商城北靠曹安公路，东靠定边路。商城地下为一层，地下室层高4.1米，东西长约390 m，南北宽约90m，地上分九层区、三层区、四层区，九层区建筑总高47.9m。

2 工程地质条件介绍

本工程地貌属于上海地区四大地貌单元中的滨海平原类型，场地基本平坦。场地内最大勘察深度65.30m，在此深度范围内揭遇的地基土主要由粘性土、粉性土和砂性土构成。按土性不同和物理力学性质上的差异可分为7个主要层次和分属不同层次的亚层，即①1、①2、②1、②3、④、⑤1、⑤3、⑤4、⑥、⑦、⑧1、⑧2。但由于所处场地大部分受第四纪全新世早期古河道切割影响，第④、⑥、⑦层土均出现了缺失或变薄。该区域定义为“古河道区”。场地浅部土层中的地下水属于潜水类型，实测取土孔内的地下水静止水位埋深在0.34～1.20m之间，相应标高为2.63～3.42m。

3 地基基础方案分析

本工程地下一层地上三层到九层，荷载差异较大，建筑物大部分处于“古河道区”。地下室按整体设计，采用梁板式筏基承台+桩基础的基础形式。考虑到需解决高低建筑因荷载差异引起的沉降差异问题，桩基采取了长短桩布置方案，高层建筑布长桩（PHC500管桩），低层建筑布短桩（PHC400管桩）。

4 桩基设计

4.1 承压桩设计

《高层建筑混凝土结构技术规程》【1】JGJ3-2002（以下简称《高规》）12.4.2第4条规定应选择较硬土层作为桩端持力层，桩径为d的桩端全截面进入持力层的深度，对于粘性土、粉土不宜小于2d。根据本工程的地质资料，⑤3层PS平均值为1.37，可作为短桩持力层，⑦层PS平均值为6.45，可作为长桩持力层。对照土层剖面图，找出最不利孔号，参照上述规范要求，确定桩底标高；结合地下室埋深及承台高度确定出桩顶标高。最终确定短桩长度24m，长桩长度40m。对位于古河道区域的桩，侧摩阻力按正常值的1/3取用。根据上海市工程建设规范《地基基础设计规范》【2】DGJ08-11-1999（以下简称《规范》），第6.2.4条来计算单桩竖向承载力设计值。公式：

过 值经查表6.2.4-2查得分项系数 ，

则由 ﹑ ﹑ 通过公式6.2.4-1求得

长桩 为1662KN，短桩 为506KN，位于古河道区域的短桩 为412KN。

由《先张法预应力混凝土管桩》【3】壁厚100的Ф500PHC（AB）管桩桩身抗压强度设计值为2560KN，壁厚80的Ф400PHC（AB）管桩桩身抗压强度设计值为1640KN，最终确定长桩单桩抗压承载力设计值 1650KN，短桩为500KN，位于古河道区域的短桩为400KN。

通过《规范》DGJ08-11-1999第6.2.1条的公式：

《规范》表4.3.6规定了建筑物沉降量和沉降差的限值，利用大致的桩位布置、准永久荷载组合下的单桩受力，结合地质报告中的土体物理力学性能，通过程序CFSS计算沉降，计算时按长短桩分类，将整个桩群分块进行计算。计算结果显示：三层区中心沉降为11.16cm，最大绝对沉降量为11.92m，最大沉降差3.08cm，差异沉降为2.5/1000；九层区中心沉降为10.29cm，最大绝对沉降量为12.78cm，最大沉降差为2.91cm，差异沉降为3.2/1000。均满足《规范》表4.3.6的要求。

桩基偏心按e/B≦1～1.5%来控制，计算偏心距时，将上部高低建筑分开验算。在JCCAD中输入桩位，计算结果显示三层区荷载中心为：X： 44362，Y： 43682；群桩中心为X： 45642，Y： 44872。ex=45642-44362=1280mm，三层区X方向宽度98m，1.28/98=1.3% 满足要求。ey=44872-43682=1190mm， 三层区Y方向宽度90m，1.19/90=1.32% 满足要求。同法可以求得九层区X向桩基偏心为1.46%，Y向为1.41%，均满足要求。通过承载力、沉降量、沉降差及偏心距验算，确定最终的承压桩桩位布置。

4.2 抗拔桩设计

本工程抗拔桩选用与承压桩相同的桩型和桩长。根据《规范》DGJ08-11-1999，第6.2.7条计算单桩竖向抗拔承载力设计值。公式：

按上式计算得到R’d=315KN，本工程采用PHC400 AB型桩做为抗拔桩，查《先张法预应力混凝土管桩》图集可知400管桩预压应力5.3MP，预压力为240KN。连接节点抗拉承载力为422KN，最终确定单桩抗拔承载力设计值为240KN。可先计算出每平米建筑物永久荷载及水浮力，本工程建筑物永久荷载包括1150厚覆土，200厚顶板及500厚底板，水浮力为3.95m的水压力。根据《规范》DGJ08-11-1999，第5.7.9条，在验算抗浮时，基础及上覆土的自重分项系数及地下水对基础的浮力作用分项系数均取1.0；则每根柱下所需的抗拔桩根数为：

（A×水浮力-永久荷载）/

求得桩数后，将抗拔桩均匀的布置在抗浮区域中。

5 筏基设计

《高规》12.3.3条规定基础顶板、底板及墙体的厚度，应根据受力情况、整体刚度和防水要求确定。可用合理的简化方法计算箱体基础的承载力。本工程顶底板厚500，外墙厚300，顶板厚200，均满足上述要求，基础各构件分别采用以下简化方法计算：

1）、承台按常规的桩基承台设计，柱底荷载取值由SATWE结构计算软件得出，承台高度先按每10KN轴力对应1mm有效高度进行估算，再由程序TSSD进行精确计算。

2）、地下室底板按倒楼盖法进行计算，底板为梁板式，在PMCAD中建单层模型，板面荷载按经验公式：

板面荷载=25%×上部荷载设计值/底板面积+每平米水浮力-1.0×每平米底板自重，然后由SATWE分析计算。

3）、地下室外墙分两种情况计算，一种是上部没有顶板的外墙，这种情况采用底部嵌固的悬臂板计算模型，另一种是上部有顶板的的外墙，由于顶板比底板薄很多，故这种情况采用底部嵌固上部铰接的板计算模型。两种情况计算时均采用一米长板段，荷载包括土体自重，地面荷载，地下水压力，地下水位以下取土体浮重度，按静止土压力系数折算竖向荷载。

4、地下室顶板和上部结构一起在PMCAD中建整体模型，参照建筑使用功能和《荷载规范》要求输入各楼层荷载，然后由SATWE分析计算。

箱体各构件配筋时既要满足强度要求，也要满足裂缝要求，与土壤接触的一侧裂缝宽度不大于0.2mm，不接触的一侧裂缝宽度不大于0.3mm。

6 基础构造措施

地下室整体超长，为防止裂缝开展，采取的主要措施有：（1）在混凝土中渗入适量微膨胀剂，以混凝土的膨胀值来抵消混凝土凝结时的收缩值。（2）按间距约55m的原则设置后浇带，东西向一条，南北向六条，来释放混凝土出初凝期的短时期约束力。（3）增加地下室顶板、底板及外墙水平温度筋，以提高钢筋混凝土的抗拉能力。（4）地下室外墙扶壁柱与墙板处增加配筋。（5）加大外墙迎水面一侧的保护层厚度，并配置钢筋网片。（6）地下室外墙中部设一道水平暗梁抵抗拉力。（7）适当加强高低建筑交界处的地基梁及底板的配筋，以抵抗差异沉降所引起的应力。

7 结论

高低建筑之间的沉降差控制以及超长地下室的裂缝控制是本工程设计的难点和重点。从施工期间实际沉降监测数据来看，实际沉降量都在3cm左右，尽管在建筑物投入使用后，随着荷载的逐步增加，沉降量会缓慢增加，但一般初期的沉降量会至少占到最终沉降量的50%，照此推测，最终沉降量和沉降差基本不会超过计算值，故而可以认为采用长短桩的桩基设计方案是切实有效的；对于裂缝控制则是采取了多项常规措施，实际使用中并未出现明显裂缝。

参考文献：

[1] 《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）. 中国建筑工业出版社.2002.

[2] 《地基基础设计规范》（GJ08-11-1999）.上海现代建筑设计（集团）有限公司主编.1999.

[3] 《先张法预应力混凝土管桩》图集（2000沪G502）.上海市建设和管理委员会.上海铁路城市轨道交通设计研究院主编.2000.

[4] 《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）. 中国建筑工业出版社.2002.