厦门会展北片区超高层建筑TSC桩复合桩基适应性研究.doc

厦门会展北片区超高层建筑TSC桩复合桩基适应性研究地基基础工程福建建设科技2011.No.2厦门会展北片区超高层建筑TSC桩复合桩基适应性研究林树枝郭天祥.叶良应(1:厦门市建设与管理局厦门361003;2:江苏时代建筑设计有限公司厦门361012)摘要厦门会展北片区位于厦门本岛东部,厦门国际会展中心北侧,包括海峡交流中心二期,建发国际大厦,海峡国际社区等一系列标志性建筑群.根据本片区内地基土的土层分布特点和各土层的力学特性,本文对该片区超高层建筑采用TSC桩复合桩基进行了适应性分析,并通过某工程实例,对会展中心北片区超高层建筑TSC桩复合桩基进行了应用研究.本项研究对缩短建设工期,节省工程造价具有重要意义.关键词TSC桩复合桩基超高层建筑StudyontheAdaptabilityofCompositeTSCPileFoundationforhighriseBuildingsintheNorthregionofXiamenConvention&ExhibitionDistrictAbstract:BasedonthedistributioncharacterofsoillayerandthemechanicaIcharacteristicofeachsoiIlayerintheNorthregionofXiamenConventionExhibitionDistrict,theAdaptabilityofCompositeTSCPileFoundationforhighriseBuildingsisanalyzed.ThisregionislocatedintheeastofXiamenIslandandseveralprojectsincludingtheStraitsExchangeCenterII,KenfairInternationalBuilding.InternationalStraitandaseriesoflandmarkcommunitieswhichareunderconstruction.TheApplicationofCornpositeTSCPileFoundationforhighriseBuildingsinthisAreaisofagreatimportanceforshorteningconstructionperiodandsavingtheconstructioncost.Keywords:ISCpile;Compositefoundation;Hjghrisebuildings;1会展北片区水文地质条件1.1地质条件会展中心北片区,地貌单元属滨海滩涂,原始地形为村民改造的渔塘,虾池,后多经人工回填整平,其地貌如图1所示.多个项目的工程地质资料揭示,该片地基岩土层按时代,成因自上而下共划分为五个工程地质层,分别为人工填土层(Om),海相沉积层(Q),冲洪积土层(Q3al-),残积土层(Q)和风化基岩层(),而在不同项目所属地块,各地质层的岩土构成及其主要性状特征又有所区别.可以注意到:该片区内冲洪积土层,残积土层承载力较高(特征值约为220280kPa)且埋藏不深;如局部地段冲洪积土层的埋深仅1.3米,残积土层的埋深仅4.3米(以海峡国际社区为例).残积土层较厚,局部地段达3O米以上.不同地段岩层风化程度差别较大,海峡国际社区附近地段强风化岩层的埋藏起伏较平缓,而建发国际大厦和海峡交流中心二期(B地块)附近地段则强风化岩层的埋藏深度变化明显,受北西向断裂带形成的风化槽影响,强风化岩层厚薄差异大,局部强风化岩层厚度最薄处为3.2米,最厚处达到41米.片区土层中存作者简介:林树枝(1963.5-),男,福建厦门人,工学博士,教授级高工,教授,博士生导师,总工程师.长期从事高层建筑结构,结构抗震,结构优化设计,地基基础研究.郭天祥(1971.3-),男,山西原平人,工业与民用建筑专业,高级工程师,一一级注册结构工程师.在凝灰岩或花岗岩球状风化体(孤石),多分布在强风化岩层,个别揭露在残积土层中.图1会展中心北片区1.2地下水:据多个项目的工程地质资料揭示,该片区内场地地下水类型主要为上层滞水,孔隙承压水及基岩裂隙承压水.上层滞水多分布在人工填土层(Ql)内,渗透性较大,但因补给有限,水量一般较小.孔隙承压水多分布在海相砂层,冲洪积砂层和残积粘性土层的孔隙中,以地下水侧向渗流为主要补给来源.砂层的渗透性较大,赋水性相对较好,属强透水层,层内水量相对较大;残积粘性土层的渗透性及赋水性均较弱,属弱透水层,层内水量相对较小.基岩裂隙承压水主要赋存于风化基岩层的裂隙中,受上部残积土层中孔隙承压水的下2福建建设科技2011.No.2渗和侧向地下水沿裂隙补给,总体来说,裂隙水承压性总体不大.但考虑到基岩风化的不均匀性,部分地段基岩裂隙承压水水量可能较大且具较大承压性.地下水的腐蚀性方面,根据地质报告,地下水对混凝土结构具弱中腐蚀性;对长期浸水环境下钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性,对干湿交替环境下钢筋混凝土结构中的钢筋具强腐蚀性;对钢结构具中等腐蚀性.具体如表1所示.表1会展北片区地下水腐蚀性评价腐蚀介质含量腐蚀性标准腐蚀类型性项目单位含量评价范围1O16.7弱S(mg/I50015001338.3中Mg一rag/!419.1<2000无2360.1弱环境类型NHmg/I<5.16<5OO无对n型砼()Hmg/I未检出43000无结构l2616无总矿化度mg/I,25461.420000弱地层PH6.757.41>6.5无渗透性B类侵蚀性C()2mg/I2.87l7.2O3060无对砼结构中钢筋CI+0.25(长期浸S();一mg/I2126.25000弱水)对砼结构中钢筋CIT0.256021.5(干湿交S()=;mg/I18662>5000强替)PH6.57311对钢结构7625由CLSO;mg/I15002500L2ISC桩的主要技术性能及其应用特点TSC桩全称是预制高强混凝土薄壁钢管桩,系采用Q235B或Q345B的钢板(钢带)经卷曲成型焊接制成的钢管内浇筑混凝土,经离心成型的空心管桩,混凝土抗压强度不小于80MPa,具有较高的竖向和水平承载力j.2.1TSC桩的轴向抗压承载力:目前,对于圆钢管空心混凝土桩,规范尚未给出确定的轴向抗压承载力的理论计算方法.对于空心圆钢管混凝土构件,文献2给出了基于承载力叠加法的轴向抗压承载力计算公式.而文献3则从钢管混凝土统一理论出发,给出了不限于圆形截面的空心钢管混凝土构件的轴向抗压承载力计算公式.在大量试验研究的基础上,文献1给出了预制高强混凝土薄壁钢管桩的桩身承载力设计值.以06001106的TSC桩为例,Q235钢材,其桩身承载力设计值达到6953kN,是同等直径PHC桩(PHC600110一A为3900kN)的1.8倍,接近大直径灌注桩的承载力水平(如直径1米的C30冲孔灌注桩的桩身承载力约为7800kN).可见TSC桩的轴向抗压承载力对荷载较大的高层建筑有很好的适应性.2.2TSC桩的水平抗剪承载力在水平荷载(风或地震力)作用下TSC桩受到水平剪力作用.文献3给出了空心钢管混凝土构件的受剪承载力计地基基础工程算公式:VoO.85Ahofh式中,u构件抗剪承载力设计值Aho空心钢管混凝土构件的组合截面面积f一空心钢管混凝土构件的组合抗剪强度以0600-1lo一6的TSC桩为例,Q235钢材,其桩身抗剪强度设计值为536kN,是同等直径PHC桩(PHC600110一A为183kN)的3倍,相当于大直径灌注桩的桩身抗剪强度水平(如直径800的C30冲孔灌注桩的桩身抗剪强度约为541kN).可见TSC桩的桩身抗剪强度对超高层建筑的抗震和抗风有很好的适应性.注:PHC桩和冲孔灌注桩桩身抗剪承载力(强度)计算系采用材料力学关于横截面抗剪计算公式导出.2.3TSC桩对地质条件的适应性:超高层建筑的基础荷载极大,对桩基础的单桩承载力提出了较高的要求.TSC桩的桩身材料是钢与混凝土的结合,其桩身强度高于PHC桩,而且TSC桩的塑性,韧性好,桩身抗击打能力强,可以穿越坚硬的夹层使得桩端进入理想持力层;采用lO00t静压桩机静压法施工或6.Ot以上柴油锤击桩机锤击法施工时,都可以保证桩端可以进入强风化岩层一定深度,可获得较高单桩承载力,具备了承担超高层建筑基础荷载的条件.对于会展北片区,风化岩层以上的覆盖土层为人工填土层,海相沉积层,冲洪积土层和残积土层,既易于沉桩,又可以提供稳定,均匀的侧摩阻力;风化基岩特别是强风化岩层是理想的桩端持力层,可以提供较高的端阻力.初步估算,该片区内06001106型TSC桩其单桩抗压承载力可达40004500kN.2.4T桩对地下水,土腐蚀性的适应性:高(超)高层建筑一般均设置有地下室,有的地下室层数达到三层以上.对于设置两层或两层以上地下室的高层建筑,其基础承台(筏板)均常年处于地下水位以下,桩基础不在地下水干湿交替范围,因此不需考虑地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋的腐蚀问题.但由于地下水对钢结构具有中等腐蚀性,因此采用TSC桩必须要考虑解决桩身薄壁钢管的防腐蚀问题.有资料4研究表明,TSC桩薄壁钢管内侧与混凝土粘结密实,内侧可不考虑腐蚀问题,腐蚀问题主要集中在薄壁钢管的外侧.应当注意到,勘察资料中地下水对钢结构的腐蚀性评价是基于氧可以自由融入水的地下水环境;实际上,由于TSC桩基础常年处于稳定的地下水位以下,桩身周边的水土环境中自由氧的含量很小.有资料表明,在没有溶解氧的水(海水)中,钢铁几乎都不受腐蚀.因此,对于地下水为中等腐蚀环境中的钢管桩,PHC桩以及TSC桩的防腐蚀措施,目前较统一的认识是,可以按照一定的年腐蚀速度对钢构件(包含焊缝)的断面尺寸(厚度)考虑腐蚀裕量,即采用腐蚀裕量法解决防腐蚀问题.对于TSC桩,可考虑加大外侧薄壁钢管的厚度.如钢管壁厚6mm的TSC桩满足承载力要求的情况下,将TSC桩的钢管壁厚加大为8ram.由勘察资料可知,地下水中CI+so#的含量较高,局部指标接近海水环境中一地基基lilT程福建建设科技2011.No.23CL+s(葺的含量,按照文献9,钢结构在泥下区的年腐蚀速度可按照单面0.05mm考虑,因此可按照保证构件正常使用5O年即2.5mm腐蚀裕量考虑TSC桩外侧钢管的防护.3I桩复合桩基应用理论分析3.1TSC桩复合桩基的适应性分析会展北片区内冲洪积土层和残积土层多浅层分布,对于设置二层至多层地下室的高(超)高层建筑来说,基础承台(筏板)底部已进入冲洪积土层或残积土层一定深度.对该片区内地质资料的分析发现,冲洪积土层(如粘土,粉质粘土层,中砂层)的地基承载力特征值为200240kPa,残积土层(如凝灰岩残积粘性土,花岗岩残积粘性土)的地基承载力特征值为200280kPa.目前该片区拟建和在建的超高层建筑,层数约425o层,建筑高度约2OO220米,估算基础底面荷载即基底压力约为800900kPa.显然,天然地基的承载力不能满足承载力和变形的要求,而采用常规的桩基础,不考虑利用天然地基的承载力,桩数较多,桩长较长,必然造成大的浪费.因此,桩土共同作用的复合地基就成为该片区超高层建筑可供选择的一种基础型式.3.2TSC复合桩基理论分析的可行性由前面的分析可知,TSC桩具有桩身强度高,韧性较好,成桩质量可靠且施工速度快,穿越坚硬土层的能力较强的特点.在会展北片区,拟建场地内残积土层和全风化层可提供较高的侧摩阻力,而强风化岩层可提供稳定且较高的端阻力.TSC桩属于刚性桩,对于刚性桩复合桩基,应采用摩擦型桩.荷载作用下刚性桩有一定的竖向变形,使得承台(筏板)下部土层参与承担荷载,形成复合桩基;也就是说摩擦型桩是形成刚性桩复合桩基的必要条件.通过分析地质报告,以片区内特房大厦工程钻孔XK63为例,采用600直径的TSC桩,桩周土层为较厚的残积土层和全风化岩层,桩端进入散体状强风化岩层1.5米,桩长约35米,根据文献Es关于均质土层中桩侧阻力的分担比算可知,该TSC桩的长径比为35/0.658,端阻力特征值为5000kPa,侧阻力特征值(加权平均)约为42kPa,则侧阻力分担比达到65,属于以摩擦为主的摩擦型桩.厦门湖里区汇金国际中心,采用400直径的TSC桩,以散体状强风化岩层作为持力层,桩长约3O米,静载试验最后加载至5600kN时,桩顶变形量为30.09mm,桩仍未达到其极限承载力.载荷试验Qs曲线为缓变型,结束加载时最大变形量达到30.09mm,受力性状为摩擦型桩,如图2所示.可以得出结论,对桩长较长(长径比较大),桩周土层较均匀的工程桩,即便其持力层为较坚硬的散体状强风化岩层,仍然表现为典型的摩擦桩的受力性状,为摩擦型桩.因此,在会展片区采用TSC桩,以散体状强风化岩层为桩端持力层,与承台(筏板)下地基土共同作用形成复合桩基,在理论上是可行的.3.3TSC复合桩基的承载能力的计算思路目前,钢筋混凝土复合桩基承载力计算常用的计算思路主要有两种,其一为控制复合桩基总极限承载力(抗力)与上104j甜S均1:辩lJ:lI:4瑚23:3e艄41;I图2厦门汇金国际中心静载试验(t-s曲线部荷载(效应)的比值.即基于安全度控制的安全系数去_;其二为先考虑利用天然地基的承载力,不足部分由桩基础承担的承载力叠加法.3.3.1安全系数法将非线性工作性状的概念_6,引入摩擦型桩与桩周地基土的共同作用范畴,可以突破传统设计思路中如何将上部荷载定量的分配给桩和土的难题.在此基础上,在整体承载力和变形双重控制下引入安全度的概念,提出复合桩基设计的安全系数法.K=S/R2K.安全系数,小小于2S.复合桩基的整体承载力(地下水位以下可考虑水浮力的贡献)R.基础荷载(包括基础自重)P.单桩极限承载力标准值.桩数地基土承载力发挥系数,.地基土极限承载力标准值A.承台(筏板)扣除基桩面积之后的净面积一.荷载效应标准组合下,作用于承台顶面的竖向力.基础自重标准值(地下水位以下取浮重度)有研究表明_6,天然地基的承载力满足率(DO.5的情况下,复合桩基不仅有很好的经济性,又可以得到较高的可靠度;当(D<O.5的情况下,一般按照常规桩基设计.3.3.2承载力叠加法承载力叠加法是目前复合桩基设计的常用方法,其思路是先考虑利用一部分天然地基的承载力,不足部分由桩基础承担.即+盘RA+nP荷载效应标准组合下,作用于承台顶面的竖向荷载.幕础白重标准值(地下水位以下取浮重度)P桩承载力特征值桩数4福建建设科技2011.No.2地基土承载力发挥系数R天然地基承载力特征值A承台(筏板)扣除基桩面积之后的净面积3.3.3会展北片区采用TSC复合桩基的承载能力估算:对于会展北片区,基础承台(底板)底部的地基土承载力特征值为200-280kPa,按照基础埋深12米估算,地基承载力经深度修正后可以达到380450kPa.3.4TSC复合桩基的沉降变形估算:为减小挤土效应同时又能获得较高的承载力,TSC桩可按桩中心距45倍桩径考虑布置.根据文献E8第5.5.6条,第5.5.7条,对于桩中心距不大于6倍桩径的桩基,其最终沉降量计算可采用等效作用分层总和法.因此TSC桩复合桩基的沉降变形估算可按公式(1),(2)计算:s一?S一?P.,妻至型正二兰二J一11(1)s一?S一4?5fI?P0坐(2)i一1B式中符号物理意义详文献E8.4工程实例下面以会展中心北片区内海峡交流中心二期2号楼即特房大厦为例,进行T$C桩复合桩基的适应性分析.4.1工程概况该场地位于厦门市思明区会展中心北片区,建筑地面0.000米为黄海高程7.800米,此建筑由两座主楼(2号楼为特房大厦,3号楼为商务营运中心),裙楼,闽南艺术剧院及纯地下室(无上部建筑)组成.地下室底板建筑标高为一15.150米(相对标高),结构标高为一15.350米;特房大厦48层,高度215m,框架一核心筒结构,地基基础设计等级为甲级.4.2水文,地质条件该场地原始地貌为港湾滩涂,后经人工回填成现状,场地呈台阶状,各台阶地面较平坦,勘察测得地面高程为4.829.05m,其工程地质面如图3所示.钻探揭露该场地土自上而下为:厚度6.4012.60米的软弱土层,局部分布的粉质粘土层,中砂,厚度大,分布整体较为稳定的残积粘性土层,全风化花岗岩,强风化花岗岩,中风化花岗岩,场地内局部地段存在孤石.场地地下水对砼结构具弱腐蚀性;对钢结构具中等腐蚀性;对钢筋砼结构中钢筋在长期浸水条件下具弱腐蚀性,在地下水位干湿交替带具强腐蚀性.特别是注意到,该工程的西南部存在一北西向的风化槽沟,槽沟深在一90m(黄海高程),个别可能超过100m;槽沟宽度约40m,槽沟延伸走向为北西向.4.3TSC桩复合桩基方案的提出考虑到主楼处于风化槽范围内,地质情况较为复杂,给常规的桩基选型带来了相当大的难度.如选用冲,钻孔灌注桩或人工挖孔灌注桩,以碎裂状强风化或中风化花岗岩为持力层,风化槽范围桩长达65m851TI左右,不仅施工难度大,成桩质量不易保证,而且施工工期长,桩基造价高.考虑到T$C桩的技术特点,而残积粘性土层的承载力较高且埋藏较浅(处于基础底面标高),在这种地质条件下可以考虑采用地基基础工程图3II工程地质面图TSC桩复合桩基方案.初步考虑基础筏板厚度为3.0m,筏板下部土层为残积粘性土层;桩型采用6O011O一8型,桩端持力层为强风化花岗岩;对于风化槽位置强风化花岗岩埋藏较深处,可考虑以全风化花岗岩层的中,下部作为桩端持力层,有效桩长可控制3540111.另外注意到,场地中局部地段存在孤石,但孤石多分布在强风化花岗岩或全风化花岗岩层的中,下部,对TSC桩成桩的影响尚可控制,对整个复合桩基承载力的影响不大.4.3基础荷载分析及计算特房大厦采用框架一核心简结构,在恒+活标准组合下,核心筒总重量为1146186kN;外围框架柱总重量为68611lkN.特房大厦地下室底板面标高为15.35m,主楼筏板平面尺寸49.5mX49.5m,筏板厚度取为3.0m,筏板底部土层为残积粘性土层,地基承载力特征值为280kPa,经深宽修正后,地基承载力特征值可以达到460kPa,实际计算时取fa一450kPa.4.4TSC单桩承载力估算根据地勘报告和桩身强度,06OO一1106型TSC桩的单桩承载力及相关技术要求如表2所示.表200-1l06型TSC桩技术参数有效竖向极限竖向承桩身桩型持力层承载力标载力特承载桩长准值征值力60011063540米(散体状)8oookN4oookN6953kNQ235强风化注:单桩竖向承载力标准值,根据桩基类型按建筑桩基技术规范JGJ942008第5.3节的公式(5.3.3)(5.3.10)估算.考虑到地下水对TSC桩外侧钢管具有中等腐蚀性,因此采用6OO一1lO一8型TSC桩,壁厚加大2mm,采用腐蚀裕量法进行防护.对06001108型TSC桩,按照文献9,地基基础工程福建建设科技2011.No.25钢构件正常使用5O年后,外侧钢管壁厚的有效厚度为6.5mm,根据文献2并结合文献8,TSC桩的桩身受压承载力Q:Q一中(fyA+1.3fA);西:基桩成桩工艺系数,取0.86.则Q一0.85(215*10198+1.3*35.9*92394)一5530kN;显然,该桩身承载力与其单桩承载力特征值4000kN是相适应的.4.5复合桩基计算(安全系数法)4.5.1TSC桩数的估算在标准组合(恒+活)工况下,核心筒总重量为1146186kN,外围框架柱总重量为68611lkN.即Fk一1146186+6861111832297kN.OO一1008的TSC桩,Q235钢材,竖向极限承载力标准值为8000kN.在保证基础刚度中心和上部荷载作用中心基本重合的条件下,初步估算所需桩数n为:n一k(Fk+()一8fA一F浮)/P一f2*(1832297+25*49.5*49.5*3)0.8*900*234850*49.5*49.5)/8000277核心简位置处上部荷载极大,桩布置时应考虑基础变刚度调平设计的要求,核心筒及其周边一定宽度范围内应适当采取加大基础刚度的措施.如局部筏板厚度适当加厚,TSC桩的桩长可考虑适当加长;结合上部结构竖向构件的位置及其荷载大小,同时兼顾基础沉降量的控制,按照桩间距4.5d均匀布置,实际布桩361根.见图4.一旦_一生辔0oo0O0Oo0oO0O00O0O001卜0勺l.II一0oooo0I!oOiOoo00oO-ooo.l0I00nD00o00.I.l.0000o.目.l.l.一_.i.j0OOOooo0o00oooJ国._口.一OOoO审.PIlo.o0O电.七一奄D_奄图4复合桩基平面布置图4.5.2复合桩基的整体承载力承台下土体平均应力为450kPa,地基土承载力发挥系数取0.8.天然地基的极限承载力取f一2f一2450900kPa,则复合桩基总体极限承载力(地基承载力+桩基承载力+地下水的浮力)S:SnP-foA+F一361*8000+0.8*900*(49.5*49.5361*3.14*0.32)+5O*49.5*49.547O1239kN式中,为土体承压面积