苏州中心广场项目 (图1) 位于苏州工业园区湖西CBD核心区域, 北邻苏绣路, 南到苏惠路, 西起星阳街, 东至星港街。该项目地块面积约20.9万m², 净地面积约13.9万m², 地上总建筑面积约73万m², 地下总建筑面积约40万m²。场地主要划分为A, B, C, D, E, H, P, Q, J共9个地块 (F, G地块为独立地块, 另行开发) , 分区示意如图2所示。本文结构桩基设计与优化以南区为例, 其中B, C地块为大型商业建筑 (除6#塔楼外) , 地下3层, 地上6层, 建筑高度为39.15m;6#塔楼为办公建筑, 地下3层, 地上21层, 建筑高度为99.8m。D, E地块以酒店、公寓为主要业态, 裙房地下3层, 地上3层, 建筑高度为18.3m;7#塔楼为酒店建筑, 地下3层, 地上37层, 建筑高度为156.2m;8#塔楼为公寓建筑, 地下3层, 地上47层, 建筑高度为181.6m;9#塔楼为公寓建筑, 地下3层, 地上56层, 建筑高度为209.6m。Q地块为3层的纯地下室。南区地下室长约360m, 宽约290m, 占地面积约6.19万m², 地下3层区域开挖深度14.35~16.25m, 地下室外墙采用两墙合一地下连续墙。6#~9#塔楼采用钢筋混凝土框架-核心筒结构, 裙房及地下室采用框架结构。

　　 根据本工程特点, 塔楼、裙房和纯地下室结构荷载差异很大, 一般情况下, 裙房和纯地下室的沉降值较小, 所以控制塔楼的绝对沉降量, 减小塔楼与裙房和纯地下室的差异沉降最为关键, 而桩基的设计是决定因素。本文根据《建筑桩基技术规范》 (JGJ94—2008) ^[1] (简称桩基规范) 提出的变刚度调平设计, 调整影响沉降变形的主导因素———桩土支承刚度分布, 使沉降趋于均匀以实现无缝设计。

　　 拟建场地位于太湖冲湖积平原区, 地势平坦, 地表水系发育, 第四系覆盖层厚度较大。根据岩土工程勘察报告^[2], 现场地面下142.30m深度范围各土层由第四系冲湖积相沉积物组成, 主要由黏性土、粉土和砂性土组成, 土层分布较稳定, 层面坡度小于10%, 呈水平成层的特点, 自然地面标高在1.73~4.15m, 场地地质条件见表1。

　　 孔隙潜水主要赋存于浅部土层中, 稳定水位标高1.21~1.55m, 年水位变幅为1.00m, 微承压水主要赋存于 (5) 粉土夹粉砂层。抗浮设防水位按室外地面以下0.5m考虑, 历史最低水位相当于1985国家高程基准0.01m。场地地下水对混凝土结构具有微腐蚀性, 在长期浸水和干湿交替作用下, 地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性;场地土对混凝土结构、钢筋混凝土结构、钢结构具有微腐蚀性。

　　 建筑标高±0.00m相对于1985国家高程基准4.20m, 结构抗震设防烈度按7度考虑, 场地属不液化场地。场地地面下20m深度范围内的土层等效剪切波速v_se为162.0~174.0m/s, 场地覆盖层厚度大于120m, 场地类别为Ⅲ类, 场地特征周期为0.55s。

　　 针对高层建筑桩筏传统设计方法带来的碟形差异沉降和主裙楼差异沉降问题, 桩基规范推荐采用桩基变刚度调平优化设计。其基本思路是:考虑地基、基础与上部结构的共同作用, 对影响沉降变形场的主导因素———桩土支承刚度分布实施调整, “抑强补弱”, 促使沉降趋向均匀。基本步骤如下:

　　 (1) 对高层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区, 实施增大桩长、桩数或调整桩径、桩距。对于外围区, 少布桩甚至不布桩, 以发挥承台的承载作用。

　　 (2) 对塔楼、裙房及地下室的变刚度调平, 主导原则是强化塔楼、弱化裙房和地下室。弱化裙房和地下室基础, 首选方案是天然基础或桩长相对较短、持力层较弱的桩基, 在塔楼沉降的同时, 带动相邻跨较弱的裙房或地下室基础产生部分沉降, 从而在高低层过渡区形成缓和沉降曲线, 减少沉降量突变造成的不良影响。

　　 苏州地区超高层建筑常用的桩型主要有三种:钢管桩、PHC管桩和钻孔灌注桩, 桩型的选择主要由场地周边环境、沉桩可行性、上部结构荷载和造价等因素决定。PHC管桩受桩身强度与沉桩能力的限制, 很难穿越厚达8m的 (5) 粉土夹粉砂层 (标贯值N>30) 和厚达15m的 (9) ₂粉土夹粉砂层 (标贯值N>40) , 且本工程地下3层, 在无上部结构柱的情况下桩抗拔力会很大, PHC管桩抗拔承载力也无法满足设计要求。拟建场地位于苏州商业核心地带, 旁边有在建的东方之门和已建成的办公楼和住宅小区, 已运营的地铁1号线从地块中部穿过, 钢管桩属半挤土类桩, 钢管桩施工过程中的振动、噪声和挤土效应等对环境的影响非常突出, 不利于对轨道和建筑的保护, 且钢管桩的造价相对较高。因此, 本工程采用钢管桩桩型的制约因素较多, 且难以解决。

　　 苏州地区高层建筑早期采用钻孔灌注桩的工程并不多, 主要是由于钻孔灌注桩的施工质量控制较复杂, 单桩承载力往往得不到保证。随着上海地区数十项工程成功采用桩端后注浆灌注桩技术, 钻孔灌注桩施工工艺、设计方法和工程实践都较成熟。近年苏州地区超高层建筑如场地周边的东方之门、苏州润华环球大厦及金鸡湖东部的九龙仓均采用钻孔灌注桩, 其桩基设计参数见表2。相对钢管桩, 钻孔灌注桩施工工效高, 回避了振动、噪声和挤土效应等对环境的影响问题。采用桩端后注浆的大直径超长钻孔灌注桩实测承载力皆大于桩基规范承载力标准值的上限理论计算值, 平均提高系数大于1.2^[3], 并可减小桩基沉降, 且造价也远低于钢管桩。综合以上因素, 本工程选用钻孔灌注桩方案, 并采用桩端后注浆。

　　 本项目南区由4栋21~56层的超高层塔楼、3~6层的裙房和3层的纯地下室建筑组成, 塔楼竖向荷载很大, 对沉降量控制要求很高, 塔楼核心筒与外围框架柱、裙房柱以及纯地下室框架柱之间的差异沉降要求极高, 持力层的选择就必须充分利用变刚度设计。结合相邻地块的东方之门项目中直径1.0m的钻孔灌注桩试桩和沉降计算结果 (表3, 4) ^[4], 并考虑到本项目不设永久沉降缝, 对不均匀沉降要求极高, 本项目8#和9#塔楼采用直径1.0m钻孔灌注桩 (桩端后注浆) , 以 (13) ₁粉细砂层为桩端持力层, 7#楼采用直径0.9m钻孔灌注桩 (桩端后注浆) , 以 (12) ₂粉黏夹粉砂层为桩端持力层, 6#塔楼采用直径0.8m钻孔灌注桩 (桩端后注浆) , 以 (11) ₂粉土夹粉质黏土为持力层, 裙房及地下室采用直径0.7m钻孔灌注桩 (桩底不注浆) , 以 (10) ₁粉质黏土层为桩端持力层。

　　 本场地位于苏州世纪广场, 与东方之门、九龙仓距离较近, 属同一地质单元, 土层分布及土性特征虽有一定差异, 但总体相似。通过对比, 各工程主要层面埋深与土性特征基本接近, 其试桩方案对本工程试桩方案设计具有一定的参考价值, 九龙仓采用直径1.0m钻孔灌注桩, 并加大桩端后注浆量, 单桩注浆水泥用量达3.5t, 试桩时最大加载量达30 000k N时未发生破坏, 试桩结果表明, 加大注浆压力和注浆量可以提高桩端阻力和桩侧泛浆高度, 桩承载力提高效果明显, 8#和9#塔楼可参照九龙仓确定试桩方案, 其余楼可根据持力层和桩基进入持力层的深度, 确定桩长, 并对桩的极限承载力进行预估, 试压桩桩身混凝土强度应根据预估的极限承载力和桩身配置的钢筋满足桩身抗压和抗拔承载力的要求来确定, 具体的试桩方案见表5。

　　 采用P42.5级普通硅酸盐水泥配制的浆液, 水灰比为0.55左右。8#和9#塔楼桩端注浆的水泥用量约为4 000kg, 注浆压力控制在4MPa, 桩身均匀设置3根注浆管。6#和7#塔楼桩端注浆的水泥用量约为2 000kg, 注浆压力控制在3MPa, 桩身对称设置2根注浆管。注浆流量均不得超过75L/min, 注浆管采用钢管, 直径32.5mm, 壁厚3.25mm。注浆管上端宜高出地面0.2m, 下端与单向阀式注浆器相连, 桩端注浆器插入孔底以下0.2~0.5m。注浆导管与注浆器随钢筋笼同时下放, 并做注水试验以严防漏水。钻孔灌注桩成桩后的7~8h内, 采用清水进行开塞, 桩身混凝土强度达到设计强度的70%后注浆。注浆终止标准采用注浆量与注浆压力双控的原则, 以注浆量 (水泥用量) 控制为主, 注浆压力控制为辅:当注浆量达到要求时, 可终止注浆;当注浆压力超过设计值并持荷3min, 且注浆量达到要求量的75%时, 也可终止注浆。否则, 需采取补救措施。

　　 钻孔灌注桩正式施工前, 必须进行试成孔, 孔直径和深度同试桩, 测定其孔径、垂直度、孔壁变形稳定性及沉渣。要求二次清孔后, 沉渣厚度小于80mm。成孔的垂直度偏差不大于1/300。浇灌混凝土时, 要求充盈系数不得小于1.1, 也不得大于1.3。

　　 根据试桩方案和要求进行试桩, 表6列出了试桩载荷试验主要结果, 8#, 9#塔楼的桩达到加载值时, 除8TP1桩外, 其余桩均已发生沉降破坏, 其余楼号的桩达到加载值时均未发生破坏。

　　 根据试桩结果, 扣除试桩桩顶标高至筏板底的桩侧阻力, 表7列出了各楼有效桩长范围内的承载力特征值。

　　 确定本工程桩基数量时考虑水浮力的作用, 按正常使用阶段高水位抗浮和低水位抗压分别进行设计, 按最不利工况确定桩基数量。抗拔时考虑结构恒载, 地下水位按室外地坪下0.5m进行设计;抗压时考虑结构恒载和活载的不利组合, 地下水位按最低水位下2m进行设计。

　　 根据工程的具体情况, 裙房及地下室的沉降值较小, 主要是控制塔楼的绝对沉降量, 减小其与裙房、纯地下室的差异沉降。确定桩基的布置原则为:采用桩基变刚度调平设计, 考虑地基、基础与上部结构的共同作用, 塔楼区域通过调整桩数改变桩基支承刚度分布, 核心筒区域适当增加桩数, 相对弱化外围框架柱处的桩基刚度, 使建筑物沉降趋于均匀。裙房和B, C地块商业部分为大跨结构, 柱承受的荷载很大, 采用与6#塔楼相同直径和长度的钻孔灌注桩, 并采用后注浆以减小其与相邻裙房和地下室的差异沉降, 其余部分采用直径0.7m、桩长33m的普通钻孔灌注桩, 通过减小桩长、桩径、不注浆等来弱化裙房和地下室桩基支承刚度, 以减少差异沉降。

　　 由于塔楼与裙房和地下室的结构及基础设计成整体, 为解决施工阶段差异沉降, 在施工时用沉降后浇带把两部分暂时断开, 待塔楼结构封顶且沉降稳定后方可封闭。设置沉降后浇带, 既可减少各建筑因荷载不同所引起的不均匀沉降, 也解决了“地下室统一贯通建设, 上部结构分期实施”施工时因上部各单体施工时间不同步所引起的不均匀沉降。

　　 施工阶段由于施工降水, 不存在水浮力, 桩顶作用效应由结构自重及施工活荷载控制, 由于抗压设计时考虑最低水位下2m水浮力的有利作用, 桩基设计时须复核此工况下的桩基效应, 进行包络设计。

　　 基于以上设计原则, 可以初步确定各区桩基平面布置, 再采用基础分析软件JCCAD进行反复迭代计算, 直至差异沉降、桩基承载力、应力变化达到设计所需值, 并满足桩基规范要求。

　　 根据第4.3.5节布桩原则进行桩基的初步布置, 将与同类项目的桩基相比, 桩的单位面积造价偏高, 特别是抗拔桩。考虑到本工程采用变刚度调平设计, 以控制差异沉降为目的, 塔楼桩基优化的余地不大, 重点对裙房及地下室的桩基进行优化。具体优化措施如下:

　　 (1) 经与审图和勘察单位沟通, 抗压计算采用的设计水位由最低水位下2m调整为最低水位下1 m。

　　 (2) 根据桩基规范第5.2.4条, 对于按变刚度调平原则设计的桩基刚度相对弱化区的摩擦型桩基, 宜考虑承台效应确定复合桩基的竖向承载力特征值。

　　 (3) 对上部结构的恒载和活载进行细化、优化, 在抗浮布桩时考虑面层荷载的有利作用。

　　 (4) 对由抗压控制的柱下桩, 其桩身承担的上拔力较小, 可根据上拔力对桩型进行细分, 按细分结果调整桩身纵筋。

　　 (5) 桩身配筋分段长度根据土体的抗拔力进行调整, 抗拔桩按三段式配筋, 抗压桩按二段式配筋, 以降低桩身配筋总量。

　　 (6) 桩基箍筋的间距和直径按照长桩、短桩、桩顶、桩底等不同分类配筋。

　　 (7) 由于裙房中存在较多的大跨结构, 柱承受的荷载很大, 通过对直径0.8m和0.7m桩的造价进行对比, 确定当柱下直径0.7m桩超过7根时采用直径0.8m长桩替代, 以降低造价, 减小沉降, 更加符合变刚度调平设计。

　　 (8) 对周边距离地下连续墙1.5m的桩基, 按塔楼和裙房区分设计, 并根据计算需要确定桩间距。

　　 直径0.7m桩优化前后含钢量见表8, 可见, 优化后桩含钢量大幅减少。优化前后的南区桩基的桩数、桩型、造价对比见表9, 优化后的裙房及地下室桩基造价减小了3 856.4万元, 优化成果显著。优化后的南区桩位平面布置图见图3, 其中三桩、五桩和八桩采用三角形布桩, 二桩、四桩和六桩和九桩采用矩形布桩, 桩间距为3倍桩径。

　　 根据沉降观测单位于2015年6月 (此时全部结构已封顶) 提供的沉降数据, 9#塔楼核心筒最大沉降为32.24mm, 外框架柱最大沉降为30.37mm, 沉降差不到2mm, 核心筒与邻近裙房柱的沉降差为7.05mm。8#塔楼核心筒最大沉降为29.30mm, 外框架柱最大沉降为27.23mm, 沉降差为2.07mm, 核心筒与邻近裙房柱的沉降差为5.86mm。7#塔楼核心筒最大沉降为25.39mm, 外框架柱最大沉降为20.72mm, 沉降差为4.67mm, 核心筒与邻近裙房柱沉降差为2.53mm。6#塔楼核心筒最大沉降为15.07mm, 外框架柱最大沉降为16.02mm, 沉降差为0.99mm, 核心筒与邻近裙房柱沉降差为2.85mm。实测沉降数据表明, 本工程采用的变刚度调平布桩和桩底后注浆对减小差异沉降效果显著。

　　 (1) 对于含超高层的商业综合体项目, 其桩型的选择应由周边环境、沉桩可行性、上部结构荷载和造价等因素综合决定。并应加强对周边项目地基基础资料的收集, 这对工程设计具有很好的借鉴意义。

　　 (2) 后注浆可提高钻孔灌注桩的成桩质量, 改善桩端和桩侧土体的力学性能, 能有效提高桩的单桩承载力特征值, 减小基础沉降。

　　 (3) 采用桩基变刚度调平技术, 即考虑地基、基础与上部结构的共同作用, 强化主体、弱化裙房及地下室的桩基支承刚度, 并采取设置沉降后浇带等措施, 能有效地减小差异沉降。

　　 (4) 通过考虑最低水位和承台效应的有利作用及对上部荷载、桩配筋进行细化、优化等措施, 可减少裙房及地下室桩数, 更加符合变刚度调平思想, 节约桩基造价效果明显。

　　 (5) 采用变刚度调平设计布桩, 对后期减小筏板厚度、降低筏板内力均有积极作用。