高层住宅基础优化设计实例

24#楼基础施工时遇到很大困难而被迫停工。建设

单位邀请我们咨询处理方案，并进行基础优化设计，本文将介绍21#楼和22#楼的基础优化设计。

1工程概况

该工程21#、22#楼均为28层剪力墙结构，结构总

高度80.5m ，建筑面积分别为14530m 2和14170m 2。设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，地基基础设计为乙级，抗震为标准设防类，基本地震烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g ，设计地震分组为第一组，上部剪力墙结构抗震等级为三级，100年一遇基本风压为0.35kN m 2，建筑场地为Ⅰ类。地下水对混凝土结构无腐蚀，对钢结构有弱腐蚀性。

2

地质情况和原基础方案

岩土勘察报告指出：①拟建场地东北侧约20m 处有一区域性压扭断裂F1通过，但因其活动年代较久

远，故对场地稳定性不构成影响；②受断裂挤压及岩性影响，场地岩性杂乱破碎，仅部分钻孔揭露有稳定的第〈5〉层中风化泥灰岩层，埋深均在40m 以下；③场地表面广泛分布有第〈3〉层强风化炭质页岩，层厚5.5~

18.4m ，其物理性质似碎石土类，但成分和软硬不均、遇水易软化，每0.5~2.5m 夹有中风化泥灰岩层，厚0.1~0.4m ，最大1.5m ，呈夹层或透镜体状随机分布。该报告认为第〈3〉层承载力不足，建议采用冲（钻）孔灌注桩，

设计参数见表1，地质剖面如图1。

原设计采用冲（钻）孔灌注桩，以第〈5〉层中风化泥灰岩为持力层。施工单位在21#楼选取3根f 800桩试冲，结果并不成功，施工过程中均出现不同程度的塌孔现象，导致每桩耗时长达7~15天，桩身混凝土充盈系数达2.1~2.7，有关各方对桩终孔原则、施工进度、工程量结算等产生较大分歧，工程被迫停工。

3

基础优化设计方案

经现场踏勘、与相关各方技术人员沟通及查阅

原设计图纸和岩土资料，我们确认冲（钻）孔灌注桩并不适合本工程场地条件，需考虑其他基础形式。

高层住宅基础优化设计实例

古今强1

侯家健1陈学伟2

（1、广州市嘉诚建设顾问有限公司

广州511400；2、WSP 科进有限公司

）

摘

要：通过对浅层强风化炭质页（灰）岩进行深入的勘察检测和分析，将原设计的冲（钻）孔灌注桩优化为筏形基础，介绍

了浅层地基土承载力取值、筏形基础浅埋稳定性分析、基础沉降预测等关键问题和沉降实测数据反演结果，对软硬不均地基上的筏形基础提出采用统计方法预测沉降的思路。

关键词：基础优化设计；筏形基础；基础埋置深度；地基稳定性；基床系数；沉降预测

Foundation Optimization for Two Blocks of High-rise Residential Buildings

Gu Jinqiang 1

Hou Jiajian 1

Chen Xuewei 2

（1、Guangzhou Jiacheng Engineering Consultant Co.，Ltd.

Guangzhou 511400，China ；2、WSP H.K.Ltd.

HongKong China ）

Abstract ：After detailed geo-tech investigation ，site test and data assessments for strong weathered rock stratum ，the foundation of two blocks of high-rise residential buildings are optimized from bored piles to raft on strong weathered rock.Some critical technical challenges and their practical solutions are demonstrated and discussed ，such as evaluation of bearing stratum capacity ，stability of raft with insufficient embedded depth required by the codes of practice ，as well as settlement estimation.Records of settlement survey are presented ，together with feedback analysis based on survey data.The statistic method to site investigation data is recommended for future settlement estimation.

Keywords ：foundation optimization ；raft foundation ；embedded depth of foundation ；subgrade stability ；coefficient of subgrade reac-tion ；settlement estimation

广东土木与建筑

GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING 2011年11月

第11期NOV 2011

No．1115

表2浅层平板载荷试验结果

测点编号

压板直径

d （m ）最大荷载

（kPa ）总沉降量

（mm ）回弹率（%）

变形模量

E 0（MPa ）承载力特征值

f ak （kPa ）Y010.8

2400

13.1025.88106.7>1200

Y0223.7819.2258.7Y03

24.7720.78

56.4

表1各岩土层力学性能指标及钻孔桩设计参数

注）f rc 为岩石单轴天然抗压强度标准值。

层

岩土名称圆锥动

力触探

〈〉〈2〉

粉质粘土

--19.0 4.9--241421060800~1200〈3〉强风化炭质页岩8.718.6--3630163201001500〈4〉中风化炭质页岩14.5----75----600180

2500

〈5〉中风化泥灰岩

--

--------

--

1500

f rc =10.1MPa *

重度

g

压缩

模量变形

模量粘聚

力内摩

擦角承载力

特征值桩极限

侧阻力桩极限端阻力

古今强等：高层住宅基础优化设计实例

能否利用浅层地基土的承载能力是我们考虑的重点，结合有关文献经验数据，并对岩土勘察报告进行研读、判断，我们认为表1中第〈3〉层强风化炭质页岩的数据偏于保守，尚有较大的承载潜力：①内摩擦角过小，一般应在28°以上；②地基承载力特征值也偏小，按N 120=8.7推算可取0kPa ，按文献［1］地基承载力弹塑性混合解估算可取710kPa 。

在我们的建议下，建设单位委托长沙某检测单位选取有代表性的地段进行了浅层平板载荷试验，测点高程192.0m ，以评定第〈3〉层强风化岩的地基承

载力并提供地基变形参数。其结果见表2，由p-s 曲线（图略）可见最大荷载时曲线仍处于线性段，各试点沉降值均在规范容许范围内，s d =0.015对应的荷载值均大于最大荷载的50%，第〈3〉层强风化岩

f ak >1200kPa 。该结果印证

了我们对浅层地基土承载力的判断，尤其是YO1试

点承载力明显较高，说明岩土勘察报告评价其“软硬不均”是符合实际的。单纯从地基承载力考虑，对28层剪力墙结构似可采用墙下基础，但考虑到第〈3〉层的特点，为避免发生局部地基不均匀沉降，并降低施工扰动对承载力的不利影响，最后决定采用

筏形基础，以第〈3〉层为持力层。

4基础优化设计

根据岩土勘察报告、浅层平板载荷试验报告以及

原设计单位提供的基础荷载数据，以基础顶面为界进行了基础优化设计。以ETABS 软件分别采用倒楼盖模型和考虑上部结构刚度的Winkler 弹性地基梁板模型进行分析对比，结果表明其内力分布规律较吻

合，但后者的内力需求略大且更符合结构实际受力情况，故按其分析结果进行筏板结构设计和沉降预测。

计算分析时，通过改变筏板外挑尺寸而调整其平面形心位置，进而控制上部竖向荷载偏心距e y 。当筏板大部分外挑600时，D+L 工况e y =0.244，0.035m ，均满足e y ≤0.1W A 的规范要求［2～3］。

采用厚1.5m 的平板式筏形基础，混凝土强度等级C40，选取不利位置进行筏板抗冲切和抗剪验算，其结果均满足规范要求，且富余度普遍超过20%。

根据ETABS 分析得到的内力分布进行筏板抗弯承载力计算，采用HRB335钢筋，双层双向Φ25@180配筋，在个别墙下底筋和跨度较大的板跨面筋配置附加筋。

筏形基础由3块矩形筏板块组成，其中2块斜交。基础配筋时各矩形筏板块内的钢筋按各自轴线方向布置；在斜交与正交板块相交处设置构造暗梁，斜交与正交板块的钢筋均伸入暗梁内锚固（如图2），简化了钢筋连接，方便施工。

NOV 2011No．11

2011年11月第11期

訳21#

楼

195.12

195.81

195.20

195.50

13.54

13.54

53.85

55.72

50.40

18.38

44.37

14.23

45.80

49.10ZK21-5ZK21-7ZK21-8ZK21-9强风化炭质页（灰）岩

中风化炭质页（灰）岩

中风化泥灰岩〈3〉

〈4〉

〈5〉

图1地质剖面图

194.78

195.20

195.80

中风化炭质页（灰）岩

强风化炭质页（灰）岩

填土

ZK22-1ZK22-2ZK22-3ZK22-4195.55

10.38

59.74

54.60

56.80

63.95

13.20

3.50

9.804.5015.32

14.43

〈3〉

〈1〉〈4〉

訴22#楼

〈2〉16

图2

筏形基础配筋示意图

訳21#楼

訴22#楼

筏形基础钢筋

筏形基础

钢筋

筏形基础

钢筋构造暗梁

构造暗梁

226007460

6009000

600

12300

600

600

12600

600

12600

600

9000

600

12300

600

600

筏形基础钢筋

构造暗梁

构造暗梁

筏形基础

钢筋

筏形基础

钢筋7800

11200

11200

2160010800

10800

600600

8400

600

600

1100

1100

8400

600

600

6005关键技术问题的处理和分析

5.1

平面形状不规则筏形基础的等效底面宽度在分析地基稳定性和调整基床系数等环节都用

到“基础底面宽度b ”这个计算参数，本工程基础为非矩形筏板，需要等效换算。用变形模量E 0手工估算地基平均沉降

［2，4］

时，将不规则平面划分为多个矩

形计算过于繁琐，故需要适当简化。参照文献［5］处理平面形状不规则桩基沉降计算的办法，按等面积、等长宽比等效换算为34.72m ×20.59m （21#楼）和35.74m

×18.16m （22#楼）的矩形筏板。根据以往多个工程的

计算对比，以等效矩形替代原基础底面，可满足工程精度要求。

5.2基础埋置深度

⑴问题的提出

原设计采用桩基础，承台面标高-2.8m ，承台厚度普遍在1.6m 以上，大体上满足桩基础埋深118建筑总高度的规范［2-3］要求。

优化设计后改用天然地基，若按规范要求115建筑总高度取基础埋置深度5.3m ，则基础顶面标高需降低至-3.8m ，由此可能引起以下问题：①增加首层墙的高度，不但可能降低其承载力，甚至还会改变上部结构计算简图；②原设计无地下室，建设单位为尽快复工、避免重新申报规划，决定优化设计后仍不设地下室，如机械地按规范要求决定基础埋置深度，则势必增加无谓的土方开挖回填量、基坑支护的造价，工期也增加较多。优化设计时，基础顶面标高仍取-2.8m ，相应基础埋深为4.3m ，略小于规范要求

5.3m ，因此进行地基稳定性验算以论证其可行性。

⑵分析的简化

采用“拟静力法”计算地震作用及其效应。现行设计规范［3］采用总安全系数法验算抗滑移、抗倾覆

和地基整体稳定性，故上部结构的地震效应采用弹

性中震工况［6］。基础宽度方向的水平荷载和倾覆弯矩较大，而基础底面边缘抵抗矩较小，故仅验算基础宽度方向的地基稳定性。

⑶偏心、水平荷载作用下抗滑移稳定性和抗倾

覆稳定性计算

k =（F k +G k ）m V yk ＞1.3

⑴k =F k y +G k y 0V yk h +M yk

＞1.6⑵

式中：F k 为D+L 工况上部结构传至基础顶面的竖向力标准值；G k 为基础自重和基础上的土重；m 为基底摩擦系数，偏于安全取0.2；V yk 、M yk 分别为上部结构传至基础顶面的水平力标准值和倾覆力矩标准值；

h 为基础厚度，本工程为1.5m ；y 、y 0分别为F k ，G k 至

基础外边缘点的距离。

⑷偏心、水平荷载作用下地基整体稳定性

按平面问题考虑，根据极限平衡理论的圆弧滑动分条法进行分析，采用理正岩土计算软件中的“等厚土层土坡稳定计算”分模块建模计算，自动搜索最不利滑动面并计算最小的整体稳定安全系数。计算简图如图3所示。

广东土木与建筑

NOV 2011No．11

2011年11月第11期

图3

地基整体稳定性计算简图

訳理正计算模型

訴宏观计算简图

q=V yk A

P min

P max

V yk

F yk

e y 圆弧滑动方向

地基

圆弧滑动方向

地基高层建筑

17

编号

k v ′k v Y0118320638411098399280Y021009252115995447954692Y03

961

203142

52301

52506

s

21#楼22#楼表3地基稳定性验算结果

栋号

抗滑移系数

抗倾覆系数

整体稳定系数

21#510525876925147712.412.0 2.0222

#

5186

255056247196

11.8

10.5

1.84

V yk

（kN ）M yk （kN ·m ）F k

（kN ）

由于地震工况下地基土强度较高，故采用静力状态下抗剪强度指标（c 、j 值）分析地基整体稳定性通常是偏于安全的，岩土参数按表1输入计算模型图3a 。验算时设定了滑动圆弧起点在外边缘点，土层分布选取最不利钻孔ZK21-7、ZK22-3（如图1），把基底压力和平均基底剪力输入计算模型，按瑞典条分法计算出整体稳定安全系数k s ，并应满足k s >1.2。

⑸地基稳定性分析结论

地基抗滑移、抗倾覆和整体稳定性等方面验算结果均满足要求（见表3），而且地基承载力有很大的富余量，基础埋置深度4.3m 是完全可行的。

⑹关于基础埋置深度的讨论

地基稳定性受地下水位、风荷载和地震作用、地质条件等诸多因素影响，基础埋置深度仅是其中之一。对天然地基，即使高层建筑的基础埋置深度小于规范要求，只要满足地基承载力和沉降控制要求，一般便可满足其稳定性要求［7～8］；对复合地基，即使地基承载力和基础埋置深度均满足规范要求，在高烈度设防地区、未加固区存在不良地质的情况下，其稳定性仍有可能不满足要求［6］。因此不宜拘泥于规范要求，有时又不能仅满足规范要求，应因地制宜、合理分析确定基础埋置深度，有充足依据时可突破规范要求。常用结构分析软件一般不具备验算地基稳定性功能，本文方法可供类似工程参考。

5.3基床系数取值与沉降预测

本工程根据浅层平板载荷试验数据（见表2）进

行推算［4，9］，试验的基床系数k v ′按下式确定：

k v ′=p s

⑶

因承压板直径d =0.8m ，需按下式换算成承压板

直径0.3m 的基准基床系数k v ：

k v =（2d d +0.3）2k v ′=（2×0.80.8+0.3

）2k v ′=2.12k v ′

⑷

根据实际基础尺寸按下式修正为k s 后方可用

于具体设计：

k s =［（b +0.3）（2b ）］2k v

⑸

式中：b 为筏形基础的等效宽度。

计算结果见表4，取k s =5×104kN m 3，它实际上只是平均基床系数，从总体上确定筏形基础平均沉降。

在上部结构与筏形基础相互作用下，实际地基反力呈两边大、中间小。用单一基床系数输入Winkler 地基模型不能反映上述地基反力的分布特点，因此根据规范［2］的地基反力系数分布规律、适当调整了筏板不同区域的k s 值。经计算，21#、22#楼最终平均沉降分别为8.9，9.4mm ，最大沉降分别为12.3，12.5mm ，最大沉降差分别为5.1，4.2mm 。

5.4沉降观测与反演

⑴沉降观测

为监测基础沉降进展以及验证沉降计算，在

21#、22#楼分别设置12个沉降观测点，从2010年9

月基础施工开始进行观测，原则上每层施工后测一次，结构封顶后每7层墙体砌筑后测一次，共进行了

30次观测，未发现异常沉降，平均沉降分别为2.53，2.93mm ，最大沉降4.0mm ，最大沉降差分别为2.4，2.0mm 。现该两楼均在装修阶段、荷载增加不大。利

用实测沉降曲线（图略）进行经验公式曲线拟合，推算出地基最终平均沉降值分别为3.11，3.55mm 。

⑵沉降经验系数y s

按规范［2，4］推荐用变形模量E 0估算地基平均沉降的方法，见下式（各符号意义见规范）：

s =y s p k b h n i =1

Σ（d i -d i -10i

）

⑹

式中经验系数y s 需要积累沉降实测数据进行统计分析，按本工程沉降实测数据反演，y s =0.167~

0.184，可供郴州类似工程参考。

⑶实际平均基床系数

根据基底平均压力p k 和最终平均沉降推算值s ，按k s =p k s 反算，实际平均基床系数k s 分别为142224，

132752kN m 3，与表4推算的数据相差很大，但经重新

复核，筏形基础结构承载力满足要求。

6

结论与讨论

通过研读岩土勘察报告、补充浅层平板载荷试

验，利用浅层地基土承载能力，将原来冲（钻）孔灌注桩修改为筏形基础，减少了施工难度，使本工程恢复

古今强等：高层住宅基础优化设计实例

NOV 2011No．11

2011年11月第11期18

正常施工。沉降实测结果显示，地基沉降不大且均匀，说明在软硬不均场地中采用筏形基础、地基承载力留有余地的思路是成功和有效的。本工程沉降计算值与实测值都很小，虽然相差超过50%，但问题并不突出。对地基土压缩性不低、承载力富余不大，或上部结构体形复杂、荷载悬殊的工程，若产生如此大的计算误差就可能会出现问题。

对岩土勘察报告和载荷试验报告进行深入研读后，我们认为原因在于：①第〈3〉层持力层中随机分布的“硬夹层”相当于“孤石”；②载荷试验承压板尺寸大体与“孤石”相当（甚至更小），压力影响深度小，承压板与其下“孤石”相对空间位置关系具有很大不确定性，对基床系数的试验结果影响很大，试验结果具有很大的离散性，单个试验结果具有极大的偶然性；③筏形基础尺寸相对于“孤石”大得多，且基底压力影响深度也大，地基软硬不均可忽略不计，上部结构刚度也起到调平不均匀沉降的作用，沉降观测结果印证了这个判断，“孤石”在持力层中的含量是影响筏形基础沉降变形特征的主要因素；④基床系数的规范［4］修正方法仅适用于匀质土，在软硬不均的地质条件下修正后的基床系数仍难以反映筏形基础的实际沉降变形特征。

对软硬不均地基上的筏形基础，如何提高沉降的预测精度，结合本工程实践提出如下建议：①在勘察阶段应适当增加钻孔数量，尽量查明硬夹层的含量比例；②适当增加载荷试验数量，尽量选用大尺寸的承压板，以增大试验的影响深度，减少与工程实际的差异，除选取偏“软”的点来测定地基承载力外，也应适当选取偏“硬”的点来综合判断地基变形指标；

③结合圆锥动力触探试验、旁压试验和标准贯入试验等手段对场地进行普查，统计分析场地“软”、“硬”的比例，与载荷试验对比、结合经验数据预估基床系数、变形模量等地基变形指标；④设计阶段应采用算术平均或加权平均来确定地基变形指标，不宜简单选用最低试验值；⑤收集本地区类似工程的沉降观测资料，反演总结地基变形指标的地区经验。

参考文献

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!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第21页）只要在整体结构布置时注意针对现浇

空心楼板结构常见的抗扭刚度较小等不足进行调整，则此项技术不仅适用于平面规则方正的大体量展馆、市场类多层建筑，也可以用于高层建筑地下室的各中间层楼板，还可应用于层高受限或需要较高净空的高层建筑标准层中，通过适当的节点构造处理，甚至还可以应用于与钢结构配合的临时建筑中，并且实现施工简便、节省模板、降低层高，减轻结构自重，节省钢筋和混凝土用量等众多良好的综合效益。

参考文献

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