本项目位于福建省厦门市, 场地内地貌主要是坡残积台地, 该项目主要包括5幢高层办公大楼、周边裙楼及设置于两者下部的地下室。场地主要受力影响范围内土层自上而下为: (1) 杂填土未经专门的压实处理, 成分较复杂, 力学强度低, 属欠固结土; (2) 粉质黏土压缩性中等, 力学强度一般～较高; (3) 残积砂质黏性土压缩性中等, 力学强度一般～较高, 该层土泡水后易发生软化、崩解等现象, 属特殊性土; (4) 全风化花岗岩具有较低压缩性, 力学强度相对较高, 泡水后易发生软化、崩解现象, 且与上层残积砂质黏性土呈渐变关系; (5) 砂砾状强风化花岗岩压缩性低, 力学强度较高; (6) 碎块状强风化花岗岩具有很低压缩性, 力学强度高, 属于软岩～较软岩; (7) 中风化花岗岩力学强度很高, 基本为不可压缩。场地各土层物理力学参数如表1所示。

本工程1号办公楼上部结构荷载分布如图1所示。原设计方案桩基础采用人工挖孔桩, 施工后发现建筑物一侧中风化岩石直接出露, 桩基础无法施工, 直接采用天然地基将导致建筑物差异沉降过大。另外, 由于勘察失误, 在基底为砂砾状强风化花岗岩一侧基岩埋深较大, 桩端只进入碎块状强风化花岗岩而未能进入中风化花岗岩, 导致桩基承载力不足。

为解决上述问题, 基础采用可控刚度桩筏基础^[1,2,3,4], 桩型采用人工挖孔桩, 桩顶设置变形调节装置协调桩土支承刚度, 充分发挥地基土承载力, 解决差异沉降过大的问题。最终采用2.0m厚筏板, 按柱下及墙下布桩原则进行桩基布置, 筏板下共布置106根人工挖孔桩。

本工程基础底部岩土层分布极不均匀, 其中杂填土、粉质黏土、残积砂质黏性土、全风化花岗岩在地下室开挖过程中已挖除。在基坑开挖及人工挖孔桩施工过程中, 发现板底区域岩土层主要分布在以下3个区域 (见图2) 。

1) 区域Ⅰ该区域基础筏板底部位于砂砾状强风化花岗岩上, 而人工挖孔桩桩端持力层为碎块状强风化花岗岩 (经地质勘察单位补勘证实, 此区域内中风化持力层埋深约50m, 桩端未到达此持力层) , 此时桩基属端承型桩, 但由于桩端并未入岩, 可能产生较小沉降量^[5]。

2) 区域Ⅱ该区域基础筏板底部位于砂砾状强风化花岗岩上, 且建筑物基桩底位于中风化花岗岩持力层上, 因此为典型嵌岩端承桩, 桩基支承刚度较大, 桩端基本不产生位移量。

3) 区域Ⅲ此区域内基岩出露明显, 筏板底部直接位于中风化花岗岩上, 如设桩基, 此时桩基为墩基础, 支承刚度大, 桩端位移为0。

筏板底部不同支承刚度人工挖孔桩分布如图3所示, 可清晰地看出筏板下方分布3种桩, 墩基础刚度最大、嵌岩端承桩次之、摩擦端承桩最小。其中, 墩基础与嵌岩端承桩相差不大, 二者与摩擦端承桩支承刚度存在数量级上的差异。

本工程项目地质条件异常复杂, 筏板底部主要为出露的中风化花岗岩, 部分为砂砾状强风化花岗岩。在砂砾状强风化花岗岩区域出现2种分布形式, 部分桩基桩端到达持力层, 部分未到达。

综合场地整体地质条件, 筏板下岩土层支承刚度分布不均匀, 给基础设计带来极大困难, 经计算常规设计方法无法保证建筑物安全。

根据地质勘察单位提供的各地层物理力学参数, 本工程Ⅰ, Ⅱ区域砂砾状强风化花岗岩地基承载力为450kPa, 该岩层承载性能良好, 如果得到充分利用, 此区域桩基础承载力不足问题可得到较好解决^[6,7]。地基土支承刚度严重不均匀, 区域Ⅰ由于人工挖孔桩未进入中风化岩层, 桩筏基础在充分发挥地基土承载力的基础上产生一定沉降;区域Ⅱ中人工挖孔桩与区域Ⅲ中墩基础支承刚度大, 桩筏基础沉降近似为0。按经验及初步估算, 区域Ⅰ与区域Ⅱ, Ⅲ存在2～3cm沉降差异, 易在筏板内产生巨大应力, 可能造成建筑物倾斜, 如图4所示。常规设计方法存在较大风险, 需进一步优化^[8,9]。

经多次论证, 本工程建筑物基础拟采用可控刚度桩筏基础, 为解决上述差异沉降问题, 在桩顶设置刚度可控的变形调节装置调节人工挖孔桩支承刚度, 具体方式如下。

1) 考虑充分利用砂砾状强风化花岗岩良好的承载性能, 在区域Ⅰ桩基顶部设置变形调节装置, 此举为优化调节桩基与地基土间支承刚度差, 达到桩土共同作用的目的。

2) 区域Ⅱ中桩基采用人工挖孔嵌岩桩, 区域Ⅲ中风化基岩出露区域采用人工挖孔墩基础形式;由于两区域桩基沉降近似为0, 为调节其与区域Ⅰ的沉降差, 在两区域所有桩基及墩基础顶部设置变形调节装置, 弱化桩基及墩基础支承刚度, 最终控制桩筏基础整体沉降差。

3) 区域Ⅱ与区域Ⅲ不考虑桩土共同作用, 此时两区域上部结构荷载完全由桩基及墩基础承担, 为减少地基土及出露基岩对变形调节装置的影响, 保证施工期间变形调节装置正常工作, 在筏板与地基间设置泡沫软垫层, 如图5所示。

本工程采用Plaxis 3D Foundation对可控刚度桩筏基础建模, 并进行三维数值分析, 弹性模量按当地工程经验采用地质勘察报告中压缩模量的2～5倍。

在数值分析建模过程中对上述3个区域进行细化处理, 区域Ⅰ砂砾状强风化花岗岩厚50m;区域Ⅱ上方砂砾状强风化花岗岩厚15m, 下方中风化花岗岩厚35m;区域Ⅲ中风化花岗岩厚50m。

高层建筑桩筏基础受荷影响范围主要取决于上部荷载大小、分布情况及岩土层条件等因素。一般根据岩土层相对硬度确定计算下边界。本工程筏板下部不同区域砂砾状强风化花岗岩与中风化花岗岩分布情况不同, 计算过程需充分考虑不同岩层分布对结果的影响, 经过多次试算分析, 最终确定计算区域为100m×50m×50m (长×宽×高) 。对计算区域涉及的岩土体及实体单元进行三维精细建模, 模型外边界采用侧向约束, 底部全部约束, 如图6, 7所示。

筏板采用实体单元, 人工挖孔桩采用弹簧单元, 其中摩擦端承桩、嵌岩端承桩及墩基础分别通过设置不同的支承刚度值k_s模拟。为保证模型计算过程与筏板实际工作性状吻合, 上部结构荷载均按实际情况通过线荷载与集中荷载输入, 弹簧单元严格按桩基平面布置图进行设置。

对上部结构荷载作用下可控刚度桩筏基础的受力性能进行模拟, 初始土层设置为砂砾状强风化花岗岩, 弹簧单元设置于筏板底部, 与筏板底处于同一工作面。共设4个分析步: (1) 通过K₀方式设置生成初始应力; (2) 激活区域Ⅱ, Ⅲ中风化花岗岩土层属性; (3) 重置位移为0, 以消除前2步产生的位移量, 对弹簧单元设置不同刚度值并激活 (区域Ⅰ刚度200 000kN/m, 区域Ⅱ, Ⅲ刚度300 000kN/m) , 同时激活筏板单元; (4) 激活所有点荷载及线荷载。

在上部结构荷载作用下, 计算得到桩筏基础整体沉降。通过在位于区域Ⅱ, Ⅲ中的基桩顶部设置刚度可控的变形调节装置, 此部分基桩支承刚度削弱至300 000kN/m。计算结果显示, 筏板整体沉降趋势呈典型“碟形”分布, 最大值位于筏板中部, 约为25mm;最小值位于筏板4个角点处, 约为16mm。差异沉降不到1cm, 取得较为理想的沉降控制效果, 成功避免建筑物整体出现倾斜。说明通过在区域Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ桩顶设置变形调节装置主动优化并控制桩筏基础整体支承刚度是合理的。

计算得到土体沉降并由地基沉降云图可以看出最大沉降出现在筏板中部区域, 且存在2种不同的分布趋势:在区域Ⅰ中地基土沉降向四周扩散并逐渐减小, 主要由于此区域下部砂砾状强风化花岗岩的存在;而在区域Ⅱ, Ⅲ中沉降并未出现向四周扩散的趋势, 这与下部铺设泡沫软垫层有关, 由于泡沫软垫承载力低, 筏板与下部岩土层隔开, 此时基础沉降主要由桩顶变形调节装置产生, 因此不会向四周土体扩散。

由于模型采用弹簧单元替代桩基, 弹簧所受荷载值即为桩顶反力值。由于桩数较多, 仅列出2个典型剖面上的桩顶反力值, 如图8～10所示。可以看出, 建筑物基桩表现出良好的工作性能, 计算结果均未超过设计的桩基承载力。深入分析可以看出, 区域Ⅱ, Ⅲ桩顶反力值显著大于区域Ⅰ, 主要由于区域Ⅰ考虑了桩土共同作用, 上部结构荷载中部分被砂砾状强风化花岗岩分担, 因此基桩承受荷载较小是合理的;而区域Ⅱ, Ⅲ中上部结构荷载均由桩基承担, 没有考虑桩土共同作用。

可以确定, 将桩基简化为弹簧单元是合理的, 通过对不同区域内弹簧设置不同支承刚度, 保证其协同工作共同承担上部结构荷载, 计算得到的桩顶反力及沉降均满足要求, 说明采用可控刚度桩筏基础方案是可行的。

项目于2017年6月正式实施, 至2018年3月初上部结构施工至14层, 施工过程中, 现场各参建单位严格控制各施工环节, 保证施工质量。

监测单位对建筑物进行全过程信息化监测, 建筑物沉降监测结果及预测如图11所示, 可以看出, 沉降随着施工层数增加基本呈线性增长, 沉降约为20mm, 随着荷载进一步增加, 可预测建筑物最终沉降约为30mm, 与设计值基本吻合, 验证了可控刚度桩筏基础在不均匀地基中的适用性。

1) 本工程项目地质条件异常复杂, 经多次论证, 采用可控刚度桩筏基础解决施工难题, 在区域Ⅰ桩顶设置变形调节装置调整人工挖孔桩支承刚度;区域Ⅱ桩基采用人工挖孔嵌岩桩;区域Ⅲ中风化基岩出露区域桩基采用人工挖孔墩基础形式。

2) 通过在区域Ⅱ, Ⅲ设置基桩顶部刚度可控的变形调节装置, 削弱该区域部分桩基支承刚度, 成功避免建筑物发生倾斜, 区域Ⅰ中地基土承载力得到充分发挥, 桩顶反力均满足设计要求, 通过变形调节装置达到主动优化并控制桩筏基础整体支承刚度的目的。

3) 本工程施工过程中建筑物沉降监测与设计值基本吻合, 在不均匀地基中采用可控刚度桩筏基础的设计理念可取得显著经济效益。