地基基础承载力、变形是地基基础设计的两大基本问题, 特别是框架-核心筒、框架-剪力墙结构高层建筑以及主裙连体的大底盘基础, 在地基基础承载力满足要求的前提下, 控制主楼与裙房之间、内筒 (或剪力墙) 与框架柱之间的差异沉降是地基基础设计的关键。《建筑桩基技术规范》 (JGJ 94—2008) ^[1] (简称桩基规范) 第3.1.8条及第6, 7节中, 变刚度调平设计、灌注桩后注浆技术为这类问题提供了很好的解决方案。

　　 变刚度调平设计是指考虑上部结构形式、荷载和地层分布以及相互作用效应, 通过调整桩径、桩长、桩距等改变基桩支承刚度分布, 以使建筑物沉降趋于均匀、承台内力降低的设计方法^[1]。灌注桩后注浆技术是指灌注桩成桩后一定时间, 通过预设于桩身内的注浆导管及与之相连的桩端、桩侧注浆阀注入水泥浆, 使桩端、桩侧土体 (包括沉渣和泥皮) 得到加固, 从而提高单桩承载力、减小沉降^[1]。

　　 文献[2]分析了按照传统设计理念设计的高层建筑箱基和桩箱、桩筏基础变形、反力以及裂缝的实测资料, 研究了其碟形沉降和马鞍形反力分布的形成机理及其负面效应, 提出了变刚度调平概念设计。并通过大型现场模型试验对变刚度调平概念设计进行了验证, 也论证了该项技术在十余项工程中的应用效果。文献[3]提出了变刚度调平的原则, 并结合工程实例对变刚度调平设计中的具体强化指数和弱化指数的取值进行分析说明。文献[4]和文献[5]分别报道了采用变刚度调平原理设计的北京和上海的工程实例。

　　 变刚度调平设计、灌注桩后注浆技术在广奇财富中心二期工程中的应用, 是山西临汾市的首例。该工程应用这两项技术, 取得了良好的经济技术效果。

　　 广奇财富中心二期位于山西省临汾市尧都区, 总建筑面积85 048.22m², 其中地上建筑面积51 024.95 m², 地下建筑面积34 023.27 m², 使用功能主要为车库、商业、住宿、办公。该工程地上分为A, B座及商业三部分, 其中A, B座主楼地上22层, 建筑高度89.45m, 商业部分地上3层。整个工程地下2层, 位于同一大底盘基础之上。基础平面尺寸长123m、宽68m。A, B座主楼长、宽均为31.8m。A, B座主楼为框架-剪力墙结构, 地下室及裙房为框架结构。图1为该建筑物的首层平面图。

　　 该工程基础埋深约10m, 基础位于 (3) 层细砂, 基底以下土层的物理力学参数见表1。

　　 建筑物的竖向承重构件:高层部分 (A座、B座) 的中间为剪力墙, 外围为框架柱;裙房为框架柱。PKPM结构设计软件分析显示, 高层主楼与裙房的竖向荷载、基底压力差异显著, 高层主楼基底平均压应力 (标准值) 约为430k Pa, 裙房基底平均压应力 (标准值) 约为100k Pa。高层主楼内部剪力墙竖向刚度远大于外围框架柱, 竖向荷载主要集中于内部剪力墙, 其承担的竖向荷载约占主楼总竖向荷载的40%。由此可知, 本工程高层建筑与裙房之间、高层建筑内部的剪力墙与外围框架柱之间荷载分布差异很大, 导致这些部位的差异沉降问题十分显著。因此, 基础差异沉降的控制是本工程地基基础设计的重点与难点。

　　 本工程可选择的地基基础方案有:CFG桩复合地基、PHC管桩、23m普通灌注桩、35m普通灌注桩、后注浆灌注桩。根据初步分析计算, 以上5种地基基础方案具体如下。

　　 (1) CFG桩复合地基 (方案1)

　　 CFG桩桩长约21m, 以 (5) 层细砂为桩端持力层, 复合地基承载力可满足要求。但是, CFG桩数量多, 为满足布桩及荷载平衡要求, 主楼筏板基础范围需大于主楼投影面积外2m。CFG桩在主楼基础下满堂布置, 需要较大的筏板厚度。5种方案中, 该方案基础总沉降量最大、差异沉降亦难控制。而且该方案的地基处理与筏板基础的综合造价高于后注浆灌注桩方案。

　　 (2) PHC管桩 (方案2)

　　 PHC管桩桩长约21m, 以 (5) 层细砂为桩端持力层, 桩基承载力可满足要求。但是, PHC管桩数量多, 为满足布桩及荷载平衡要求, 主楼筏板基础范围需大于主楼投影面积外2m。PHC管桩在主楼基础下满堂布置, 需要较大的筏板厚度。此外, PHC管桩较密, 施工时土体挤压现象严重, 易出现地面隆起、浮桩等质量问题。5种方案中, 该方案基础总沉降量较大、差异沉降较难控制。该方案的桩基与筏板基础的综合造价高于后注浆灌注桩方案。

　　 (3) 桩长23m普通灌注桩 (方案3)

　　 普通灌注桩桩长约23m, 以 (5) 层细砂为桩端持力层, 桩基承载力可满足要求。但该桩的单桩承载力小于后注浆灌注桩, 桩数量较多。5种方案中, 该方案基础总沉降量较大、差异沉降较难控制。该方案的桩基与筏板基础的综合造价高于后注浆灌注桩方案。

　　 (4) 桩长35m普通灌注桩 (方案4)

　　 普通灌注桩桩长约35m, 以 (6) 层粉土、粉质黏土互层或 (7) 层细砂为桩端持力层, 桩基承载力可满足要求。单桩承载力、桩数与后注浆灌注桩方案相当。该方案桩数较少, 承台面积、厚度远小于方案1~3。5种方案中, 该方案基础总沉降量、差异沉降均很小, 能够满足规范要求。但是, 该方案桩基造价远高于后注浆灌注桩方案。

　　 (5) 后注浆灌注桩 (方案5)

　　 桩长约23m, 以 (5) 层细砂为桩端持力层。桩端、桩侧复式注浆, 不仅可大幅提高单桩承载力, 而且注浆加固桩端、桩侧土体亦可提高地基刚度。该方案桩数较少, 承台面积、厚度远小于方案1~4。在5种方案中, 该方案桩数少、基础总沉降量及差异沉降均很小, 能够满足规范要求, 且承台及桩基综合造价最低。

　　 对比分析5种方案可知, 后注浆灌注桩基础方案的经济性、可靠性均优于其他地基基础方案。因此本工程基础设计采用了后注浆灌注桩, 后注浆为桩端、桩侧复式注浆。

　　 本工程桩基设计等级为甲级, 桩基结构安全等级为二级, 桩基结构环境类别为二a类。桩身混凝土强度等级为C35, 桩径为800mm, 有效桩长为23.5m, 以 (5) 层细砂为桩端持力层。采用后注浆钻孔灌注桩技术, 桩端、桩侧复式注浆。

　　 后注浆灌注桩单桩竖向极限承载力按桩基规范中公式 (5.3.10) 计算。基桩承载力计算参数根据岩土工程勘察报告 (表2) 取值, 计算公式如下:

　　 式中:Q_uk为单桩竖向极限承载力标准值;q_sik, q_sjk, q_pk分别为后注浆竖向增强段第i土层初始极限侧阻力标准值、非竖向增强段第j土层初始极限侧阻力标准值、初始极限端阻力标准值, 数值见表2;l_j为后注浆非竖向增强段第j层土的厚度;l_gi为后注浆竖向增强段内第i层土的厚度;u, A_p分别为桩身周长和桩底面积;β_si, β_p分别为后注浆第i土层侧阻力、端阻力增强系数, 数值见表2。

　　 由理论计算得到, 后注浆灌注桩单桩极限承载力标准值大于7 100k N, 比普通灌注桩单桩极限承载力提高80%以上。本设计单桩承载力特征值取7 100k N的一半, 即3 550k N。灌注桩施工可采用旋挖钻机成孔或反循环钻机成孔工艺。

　　 本工程按照变刚度调平原理进行桩基的平面布置。即布桩时综合考虑上部荷载与桩、土反力的整体平衡与局部平衡, 考虑上部结构以及基础刚度的分布。布桩时强化结构竖向刚度大、竖向荷载集中的主楼内部剪力墙区域, 弱化荷载分散的框架柱区域。主楼内部剪力墙区域按纯桩基考虑, 主楼的框架柱区域桩基设计时考虑桩间土分担荷载, 按复合桩基考虑。主楼以外的裙房区域采用天然地基。通过地基、基础与结构的协同计算分析, 以基础沉降差最小、筏板内力最小为原则, 优化基桩布置。图2, 3分别为A座主楼灌注桩平面布置图和工程桩详图。

　　 实际布桩状态下, 主楼内部剪力墙区域桩基强化指数、框架区域桩基弱化指数计算过程如下:内部剪力墙区域竖向总荷载标准值为235 300k N, 布桩80个, 单桩承载力特征值3 550k N, 强化指数ξ_j=

　　 框架区域竖向总荷载标准值350 200k N, 布桩90个, 单桩承载力特征值为3 550k N, 弱化指数ξ_k=90×3 550/350 200≈0.91。

　　 本工程灌注桩采用桩端、桩侧复式注浆。桩端注浆装置设置为每个桩沿钢筋笼周围对称设置2根注浆导管和桩端注浆阀。桩侧注浆装置设置为每个桩在桩端以上6, 14m处分别设置1道桩侧注浆阀。

　　 注浆作业需同时控制注浆量、注浆压力两个指标。单桩注浆量 (水泥质量) 为:内筒群桩周边两排基桩及外筒柱下基桩为3.0t, 内筒群桩其余基桩为2.5t, 试桩为3.0t, 锚桩为2.5t。桩端注浆终止注浆压力为3~4MPa。注浆采用水泥浆, 水灰比为0.45~0.60。注浆施工作业须满足桩基规范的相关要求。

　　 本工程共抽取5个试桩 (B-SZi (i=1, 2) 为B楼试桩编号, 试桩位置与A楼对应试桩位置一致) 做静载试验, 试验加载量均不小于前述单桩承载力特征值的2倍。5个试桩的静载试验Q-s曲线见图4。静载试验结果显示:加载量等于单桩承载力特征值时, 5个试桩的桩顶沉降量在2.53~3.4mm之间;加载量等于单桩承载力特征值的2倍时, 5个试桩的桩顶沉降量在8.56~11.96mm之间。5个试桩的桩顶沉降量均很小且沉降量数值接近, 说明本工程后注浆对提高桩基承载力及稳定性、减小桩基沉降效果显著。

　　 本工程于±0.000结构施工完成后布设沉降观测点, 并于2012年12月11日开始观测。2013年8月初主体结构封顶, 2014年5月中旬装修完成。主楼沉降观测点布置图见图5 (DS1, DS2为观测基准点位置示意) , 沉降随时间的变化情况见图6, 各次沉降观测时的施工进度见表3。

　　 由图6可知, 主体结构封顶后沉降开始收敛, 装修完成后不久沉降即达到稳定标准。从图6也可看出, 内筒剪力墙、外围框架柱的沉降量非常接近, 两者之间的沉降差极小, 内外竖向承重构件之间的沉降差小于0.02%。主楼的最大沉降量仅为1.4cm, 因此, 主楼与周围裙房之间的沉降差也很小, 远小于桩基规范中主裙楼沉降差的允许值。

　　 (1) 本工程采用地基基础变刚度调平设计、灌注桩后注浆技术, 使得建筑物基础总沉降、差异沉降远小于桩基规范的变形允许值, 结构因基础差异沉降产生的次应力可以忽略。

　　 (2) 与其他常规桩基技术相比, 变刚度调平、灌注桩后注浆两项新技术为本工程节约了近208万元, 经济效益显著。

　　 (3) 地基基础要重视概念设计, 设计时建议进行各种地基基础方案的技术经济对比, 选择技术先进、经济合理的地基基础方案。