高新NEWORLD项目 (图1) 位于陕西省西安市雁塔区团结南路与科技四路十字东北角, 西北电力设计院以东, 北临海泰科技, 是集商业、影院、餐饮、公寓为一体的大型建筑群。建筑包括3层地下室、5层裙房及1^#高层办公楼 (24层) 、2^#高层办公楼 (21层) 、3^#超高层办公楼 (39层) 。裙房采用框架结构, 1^#, 2^#办公楼采用框架-剪力墙结构, 3^#办公楼采用框架-核心筒结构, 裙房主要屋面标高为22.100m, 3^#楼建筑主要屋面高度为169.700m, 地下室3层连为整体, 地下3层地面标高为-15.300m。

　　 根据勘察报告^[1], 场地内未发现不良地质作用, 适宜建筑, 建筑场地类别为Ⅱ类, 可不考虑地震液化影响。根据《湿陷性黄土地区建筑规范》 (GB50025—2004) 并结合黄土地区的建筑工程经验, 综合判定拟建场地属自重湿陷性黄土场地;基底标高为-18.380m (392.40m) , 湿陷性土层已全部挖除, 故其地基均可按一般地区的规定设计。建筑场地地下水稳定水位埋深自然地面下20.40~21.30m, 高程387.60~387.92m, 平均变化幅度2m。本场地抗浮设防水位按390.00m考虑。各土层分布及特性见表1。

　　 变刚度调平设计的基本思路是以调整“桩土支承刚度分布”为主线, 根据荷载、地质特征和上部结构布局, 考虑相互作用的影响, 采取增强刚度与减弱刚度结合、减少沉降量与增加沉降量结合, 刚柔并济, 局部平衡, 整体协调, 实现差异沉降、基础内力和材料消耗的最小化, 具体包括超高层建筑内部的变刚度调平和主裙房之间的变刚度调平^[2,3]。对超高层主塔楼内部的变刚度调平, 主导原则是强化中央, 弱化外围。对于荷载集中的核心筒区域, 按照最小桩距为3d (d为桩径) 实施核心筒满堂均匀布桩, 适当增加桩数。对于外围框架, 减少布桩, 仅在框架柱下按荷载要求布置疏桩。这样整个主楼不仅上部荷载与桩土反力整体基本平衡, 也分别实现了核心筒区域和外围区域的荷载与反力的局部平衡。这种布桩方式传力直接, 可以有效地减小筏板整体弯矩和冲切力的作用, 从而减小筏板厚度。经计算, 主楼采用变厚度筏板基础, 核心筒区域的筏板厚度为3.0m, 外围框架区域的筏板厚度为1.0m, 框架柱下布桩的筏板部分加厚到2.9m, 筏板的混凝土强度等级为C40, 可以满足抗弯、抗冲切等承载力要求。对主楼与周边纯地下室和裙房的变刚度调平, 减小主楼与周边纯地下室和裙房差异沉降, 主导原则是强化主楼, 弱化纯地下室和裙房。有以下三点措施:1) 裙房和纯地下室采用天然地基;2) 绕主楼外一圈设置1 000mm宽沉降后浇带, 在主楼封顶后浇筑, 可以有效地释放主楼与裙楼和地下室之间的差异沉降引起的附加内力;3) 裙房部分和主楼外一跨的基础采用和主楼同样厚度的筏板 (1.0m厚) , 这样可以用来抵抗主楼与周边纯地下室和裙房差异沉降, 主楼外一跨以外部分采用厚度为0.6m的筏板加柱墩。

　　 本工程为框架-核心筒结构, 荷载和刚度分布非常不均, 核心筒的荷载集度高于外框架, 核心筒荷载占整个塔楼总荷载57.2%, 因此采用变刚度调平设计。根据工程特点和所处的地理位置, 选择3种桩径, 分别为800, 900, 1 000mm, 并以3种桩径组成多种桩型进行基础布置。用YJK 1.6.2.2软件进行了试算, 根据计算结果, 调整桩长和桩径, 使其满足设计和规范要求, 并形成多种桩型方案, 见表2~4。由表2和表3计算结果得出3种桩型方案的承载力、沉降量及沉降差均满足设计和规范要求。根据西安地区已有超高层桩基设计经验^[4], 实测沉降为50mm左右, 从3种桩型方案计算结果看, 沉降量均为50mm左右, 比较符合实际情况;差异沉降为11mm, 根据西安地区已有经验^[4], 核心筒部分的沉降比周边框架的沉降大5~10mm, 从计算结果看较符合实际。说明通过变刚度调平设计, 可减小核心筒与外框柱之间的差异沉降, 减小筏板的内力和配筋, 同时减小外框架与核心筒因支座沉降差引起的次内力, 使其更接近上部结构计算假定, 从而节约整个工程造价。

　　 从施工角度来看, 桩长和桩径越小越容易控制, 更倾向选择桩径为800mm的桩型。根据西安地区, 高度在150~200m超高层桩基, 桩径基本选择800mm, 而且通过试桩和实际观测, 均达到了预期的设计要求。从表4看出, 桩径为800mm桩型的混凝土用量比其他桩型的少, 且承载力效率比其他桩型的高, 桩径800mm桩型更经济。综合分析, 本工程的桩基选择桩径800mm, 桩长51m, 混凝土强度等级为C50, 桩端持力层为 (9) 粉质黏土层, 单桩竖向极限承载力标准值不小于15 000k N。本工程的桩位及基础平面布置图见图2。

　　 主塔楼为超高层结构, 自重及荷载很大, 常规桩型很难满足布桩要求, 由于场地桩端土为粉质黏土、粉砂互层, 土体适合后注浆。主塔楼下采用后注浆钻孔灌注桩, 桩长51m, 桩径0.8m, 共241根。灌注桩成桩2d后开始注浆, 不宜迟于成桩30 d后注浆, 注浆时先桩侧后桩端, 桩侧、桩端注浆时间间隔宜≥2h。注浆管直接绑扎在钢筋笼上, 注浆底管采用2根内径50mm焊管和侧管采用内径25mm焊管, 采用注浆管与注浆阀注入水泥浆, 促进桩身、桩底与土体的紧密结合, 水泥浆在压力作用下渗透到土体空隙, 使桩端土体和反浆高度范围内的桩周土体得到加固, 提高持力层压缩模量, 从而提高单桩竖向受压承载力, 减小桩基沉降。为保证注浆效果, 注浆压力控制在1.2~4MPa, 后注浆钢导管设置4段注浆面, 4段注浆面的标高分别为桩顶标高以下12, 24, 36m和桩底注浆面, 每根桩注浆量约为3.68t。采用桩底、桩侧后注浆技术, 单桩竖向受压承载力标准值可参考文献[2], 桩周土为粉质黏土夹粉土及粉质黏土粉砂互层, 桩端土为粉质黏土层, 按规范要求取侧阻力增强系数为1.6, 端阻力增强系数为2.2。经计算, 单桩竖向受压承载力标准值由注浆前9 396k N提高到注浆后15 609 k N, 提高幅度接近66%。经计算, 桩身强度设计值为10 196k N, 反算单桩竖向极限承载力标准值15 106k N, 因此本工程桩承载力由桩身强度控制, 桩身详图见图3。

　　 原设计桩径800mm, 桩长51m, 混凝土强度等级为C50, 如图3所示。在试桩时, 将混凝土强度等级提高为C60, 将单桩竖向受压承载力标准值提高为18 000k N。根据《高新NEWORLD 3^#楼钢筋混凝土灌注桩实验报告》^[5] (简称钢筋混凝土灌注桩实验报告) , SZ1, SZ2和SZ3的单桩竖向极限承载力标准值分别为18 000, 16 200, 18 000k N, 满足其差值不超过平均值的30%, 取三桩平均值的桩竖向极限承载力标准值为17 400k N, 其承载力和变形见图4。成桩质量满足规范要求。低应变及声波透射结果表明桩身完整性满足要求。根据试桩结果, 业主想优化原有桩长, 使其满足设计要求的单桩竖向受压承载力标准值达到15 000k N。根据《高新NEWORLD岩土工程勘察报告书 (详勘) 》^[1], 各土层侧阻力和端阻力基本相同, 试桩结果除以计算结果:17 400/15 159=1.1, 此系数计算需要满足设计承载力的理论桩长为51/1.1≈47m。根据西安地区已有的150~200m超高层桩基设计经验, 桩径800mm, 桩长50m左右, 单桩竖向受压承载力标准值基本为15 000k N左右, 其沉降基本满足设计要求。随着深度增加, 侧阻力贡献越大, 结合施工现场和土层的不确定因素, 桩长不宜减小太多, 综合分析, 认为桩长减小1~2m左右较为合适。业主召开了高新NEWORLD 3^#楼桩长问题专家论证会, 专家根据钢筋混凝土灌注桩实验报告及相关单位对建设项目的情况介绍, 得出了初步结论:1) 针对该项目3#楼桩长问题进行了循环成孔工艺、化学泥浆护壁及后压浆灌注桩方案, 设计方案合理可行;2) 确定将原设计桩长减小1m, 设计为50m, 单桩竖向受压承载力标准值为15 000k N;3) 工程桩施工时, 应严格控制施工质量;4) 建议适当增加声波透射法检测数量。根据以上意见, 施工图做相应调整。

　　 根据《高新NEWORLD 3^#楼钢筋混凝土灌注桩工程桩检测报告》^[6], 单桩竖向受压承载力标准值为15 000k N, 满足设计要求, 其承载力和变形见图5。本工程试桩承载力特征值对应变形为5.0~7.3mm左右, 标准值对应变形为17.2~23.7mm左右;本工程检测桩承载力特征值对应变形为4.0~4.7mm, 标准值对应变形为12.2~14.4mm左右。试桩的桩长为51m, 检测桩的桩长为50m, 桩长减小了2%, 但特征值对应的变形减小了27%, 标准值对应变形减小了33%。其原因是, 试桩检测时, 只施工了极少部分桩, 而工程桩检测时, 其桩基已施工完, 此时桩基对地基有加固作用, 因此工程桩检测对应的沉降比较小。因工程尚在施工中, 还没有最终观测报告。根据西安地区已有统计经验^[4], 预估沉降是试桩承载力特征值对应变形的6倍左右, 本工程试桩承载力特征值对应变形为5.0~7.3mm左右, 其预估沉降为30.0~43.8mm左右。裙房、地下室的实测沉降约为10mm左右^[4], 其沉降差大约在20.0~33.8mm, 本工程在裙房和地下室设置了沉降后浇带, 考虑其释放70%左右的不均匀沉降, 主楼与裙房和地下室连为整体后的差异沉降仅为6.0~10.2mm左右, 减小了主裙楼之间的沉降差, 同时减小主裙楼基础和上部的内力。说明桩端、桩侧复式注浆后注浆技术对土体的加固作用, 也使持力层压缩模量有明显提高, 从而能有效减小主楼沉降, 通过设置主楼与裙房和地下室的沉降后浇带, 缩小主楼与裙房的差异沉降, 是主裙楼变刚度调平和减小主裙楼差异沉降的重要手段, 同时也说明本工程采取这些措施是行之有效的。

　　 (1) 高新NEWORLD 3^#办公楼框架-核心筒结构超高层的桩筏基础采用了变刚度调平设计, 本着“强化核心筒, 弱化外框”和“强化主楼, 弱化裙房”的原则, 通过平面合理布置桩位和桩数、选择合适的桩长和桩端持力层等措施, 调整桩土支承刚度分布, 减小差异沉降, 使基础的内力和上部结构的次内力显著降低, 从而减小筏板厚度, 使基础设计更趋经济合理。

　　 (2) 主楼采用桩底、桩侧后注浆钻孔灌注桩, 有效提高了单桩承载力, 并明显改善了桩底和桩侧土的物理性能, 从而减小了主楼沉降, 达到控制差异沉降的目的, 是变刚度调平的重要手段之一。

　　 (3) 对超高层建筑来说, 基础造价高昂, 因而设计中应处处运用技术经济的手段进行功能成本分析, 以期降低成本、提高使用功能, 获得较好的功能价格比。

　　 (4) 参考类似工程的经验, 以规范为准则, 充分试算, 多方求教讨论, 尽力做到结构设计安全可靠。