0 引言
近年来，随着我国大型高层建筑工程的建设发展，高层建筑逐渐成为该行业的主流[1]。与其他建筑不同的是，高层建筑一般会配备对应的地下空间，例如地下车库、地下室等，不仅可以为人们提供便利，同时建筑下方的结构可以扩大整体楼房的承压深度，分摊外力，确保建筑内部环境的稳定与安全[2]。而桩基选型与安装是影响地下室建设的关键因素之一[3]。传统的桩基施工建设一般会采用定点标记的方式，虽然可以完成预期的施工目标，但是此种方法的局限性较强，对于建筑内部结构的分压效果也较弱，仅对建筑局部具有优化效果，建筑整体的施工仍存在一定阻碍[4-5]。
因此，本文结合实际的工程现状，对地下室桩基进行选型并实现优化设计。考虑到最终测试结果的真实性，可以选择较为真实的工程环境虚拟化测试施工。针对项目地质情况，提取出地下室桩基在选型、安装过程中存在的问题，结合相关的建筑技术，制定调整对应的桩基设计方案，加强对建筑结构的内控程度，逐渐促使自重应力与附加应力持平，进一步增强建筑的整体安全性与稳定性。
1项目概况及基础布设
1.1 工程概况
本文主要针对局部地下室偏置的项目，考虑上部刚度作用的影响，进行整体概念性受力分析，对埋深不同的地下室分类进行桩基优化，充分发挥实际桩基承载力，研究沉降差异平衡的效果，并且采集最终施工的测试结果佐证设计的精准可靠性，因此选择了局部增设2层地下室的典型综合住宅项目，作为验证的目标对象。
该工程位于广东省汕头市龙湖区新溪片区，中阳大道南侧，国瑞医院东侧。项目总用地面积约62413.00m2，总建筑面积约336767.87m2，其中包括10栋30~31层高层住宅及相应配套用房，地下一层满堂铺开作为车库及设备用房，局部二层增设地下车库。结构设防烈度8度（0.20g），地震分组为第二组，场地类别III类，Tg＝0.55s，基本风压w0=0.8kN/m2，地面粗糙度按B类。住宅为剪力墙结构，配套用房及车库采用框架结构，剪力墙抗震等级为一级、框架抗震等级为三级。为塑造小区综合品质，尽可能提高绿化率，减少地面车流量，同时又要满足住户日益提高的私家车停车位需求，该项目共设2173个停车位，分2层排布，地下室相关的建筑指标如表1所示：
表1 地下室建筑指标设定表
1.2 基础布设
为满足地下室设备用房就近布置、减少线路浪费原则，及人防区域的动线流畅要求，地下室的平面布置相对较为复杂，导致剪力墙与框架柱的布置不均匀，通过在计算软件中构建整体模型，得出地下室相关结构尺寸如表2所示。
表2 地下室等效尺寸
根据地下室剖面布置，初步估算出地下1层的
=42.5KN/m2，
=9KN/m2；地下2层的
=50.5KN/m2， 
=9KN/m2。计算结果均符合表2模型拟合的实际布置数据。
根据承压单柱的竖向导荷公式：
（1）
其中：
表示承压单柱的竖向导荷；
表示典型柱跨长度；
表示典型柱跨宽度表示单柱高度；
表示单位面积恒载质量；
表示单位面积活载质量。
估算得出单层地库单柱抗压约2288KN，单柱抗拔0KN，双层地库单柱抗压约2642KN，单柱抗拔约940KN。
通过软件对模型的数据统计分析可以得到楼层单位质量分布情况。
表3地下室楼层质量、单位面积质量分布
由表3数据，综合判断，地下室楼层刚心与质心难以重合，同时地下2层体型收缩，导致该层X向偏心率大幅增加，整体偏移量及位移角都要比常规项目大，地下整体扭转严重，底部受力结构的承压不易按照简化模型处理，应当综合考虑地下室布置的附加应力。
经过软件模拟，得到基底反力图，基本验证上述估算值。因此在住宅部分选用承台+防水板，在车库部分选用桩筏的基础形式，来调平上部结构的质量差异。至此，完成对工程的基础条件定性分析。
2桩基选型
桩基选型是基础设计过程中最为重要且关键的一个环节，对于后续的施工建设质量会产生直接影响。通常情况下，针对于不同的地质条件，对比桩侧阻力和端阻力的贡献比例，挑选具有针对性的桩型，结合实际孔点的施工条件，选用坚固性强、底部稳定的桩体，通过调节合适的桩长、桩径来增强整体建设效果。
该工程地下室1层底板设置绝对标高为1.1m，位于素填土区域，2层底板绝对标高为-2.5m，位于淤泥质土区域。
对应的承压截面厚度为7.12~12.36m，地下局部区域存在一定面积的软土层，液化严重，导致采用天然基础施工的风险增大。针对这一现象，首选PHC管桩，并计算出预设管桩的预应力，具体如下公式2所示：
（2）
公式2中：
表示预设管桩预应力，
表示管桩深度，
表示重叠深度，
表示混凝土截面厚度，
表示变化荷载值，
表示持力层受压次数。通过上述计算，最终可以得出实际的管桩预应力。根据得出的预应力，测算分析桩基的单桩承压荷载极限程度，利用特定的方式，穿越土层，分析该区域桩端持力层岩土的特性，并进行桩型的对比。
2.1 地基土参数统计及分析
根据岩土工程勘察报告所揭露的地层显示，结合原位测试和室内土工试验成果综合分析，地基土在勘探孔控制深度范围内划分为七个地质层，十八个地质亚层。典型地基土参数统计如表4所示：
表4 地基土参数统计总表
根据表4，根据地基土参数的分析研究，该项目存在局部软土区域，应选择单桩承载力大，坚固性较强，且力学性能更为耐久的桩基，同时因当地环保要求，要在是施工过程中采取有效措施消除大量泥浆带来的影响。为降低其对施工的负面影响，需要搭接辅助施工框架，避免桩体发生倾斜，降低后续的桩基搭接及承压难度。
2.2 桩基选型
经过对地基土参数的统计及分析，测定桩基的预埋深度，以平均桩长为39m，实际的桩径为0.6m，单桩竖向抗压承载力特征值2300kN，单桩竖向抗拔承载力特征值约为700kN。
选择桩型时，应考虑其成桩质量、施工工期、经济指标及对周围环境的影响。钻孔灌注桩对周边环境影响小，但桩身质量离散性较大，施工质量不易全面控制，同时排除泥浆如处理不当，也会对周围环境造成一定污染，且施工工期较慢；钢筋混凝土预制桩是一种成熟桩型，桩身质量可靠及工期容易得到保证，但预制桩挤土效应明显；PHC管桩，具有承载力大，桩身结构强度高，成桩质量有保证，运输方便，施工快等优点。经反复比较，选择PHC管桩作为该工程的桩基型号，完成桩基选型。以1层地下室为例，如表5所示。
表5 桩基选型参数表
3 桩基方案的全过程优化
3.1桩点重置
1. 由于住宅剪力墙的核心筒状结构体系与地下室车库框架柱结构体系的不调平，仅通过地下室相连的住宅与地下室相连处不可避免形成的刚度及荷载的不均匀性，两者沉降差异大。虽然在设计上通常会考虑主楼与地下室间设置后浇带的构造措施，来消除施工阶段的地基变形差（约为总沉降差的45%），但建筑物投入使用后仍将产生相当大的沉降差。基础桩基布置应按增强荷载敏感区，弱化荷载疏离区域的原则重置。
2. 为了尽可能的考虑居住建筑的采光节能要求，增大南向卧室的开间，缩小户内进深，以提高日照小时数，而导致北向卫生间、厨房间及楼电梯间、设备管道井的集中布置，使得剪力墙住宅南北向剪力墙布置间距的疏密差异，造成建筑物较大倾斜。应当对荷载分布相对集中区域采取变桩距，变桩长方式重置，同时适当弱化外围桩基。
3. 主楼与裙房连体处，二层地下室与一层地下室搭接处，还需要调整承台、筏板的厚度，来过渡上部结构重量对基础的要求，使得桩间土受后期沉降的牵连变形减小，确保土体能充分提供承载作用。
以项目中住宅区块为例，以楼电梯间为核心区域，完成动态化桩点重置结构的设计与布设，确保达单桩抗压承载力达到1900kPa。调整对比如图1所示：
图1 动态化桩点重置图示
应当注意，动态化桩点重置应尽量保持桩径的一致性，减少极限端阻力的标定，实现承压量化分解。
3.2布桩效率系数复核
在完成动态化桩点重置之后，根据分区域地下室的面积，测算出桩基布桩效率系数，为后续的数理统计奠定基础。具体如下公式4所示：
（3）
公式3中：
表示布桩效率系数，
表示单桩承载力特征值，
表示荷载标准值。通过上述计算，最终可以得出各分区布桩效率系数。基本都控制在92%的有效利用率以上。
表6 分区布桩效率系数表
3.3预应力管桩施工措施
在完成对桩基布桩效率系数的计算后，根据实际的施工需求，会同工程部门共同编制预应力管桩施工方案，以保证设计效果。
1. 由于勘察点位间距不满足一孔一探，持力层标高有起伏不明情况，住宅部分由于桩距过近，容易产生群桩挤土效应导致入土阻力增加，若仍然采用规定功率判断可能发生个别桩长达不到设计深度情况。故实际施工时要求先采用回转钻孔机切入预钻孔取土，先施工沉桩困难的管桩，间隔布置应力释放孔，同时严格控制在软土层（淤泥质土区域及粉质黏土区域）的静压力集度，减缓沉桩速度，来减少密集打桩带来的超孔隙水压力产生对相邻桩推向一侧的影响。
（4）
根据公式4，得到
表7 PHC施工静压指标表
根据表7，在施工前完成对进尺等指标的设定，利用专业设备及装置，最大限度提高桩基的极限承载力。
2. 在一层地下室区域，采用管桩内孔填芯的施工方法，增加承台基础与管桩内孔粘结力、摩擦力，同时填芯钢筋也应伸入承台，通过填芯混凝土的微膨胀力使后续浇筑的承台与管桩之间形成有效、可靠的连接，不至于桩头移位脱落。
3. 在二层地下室区域，桩基处于抗拔工况，管桩内的填芯质量对于单桩抗拔承载力就更为重要，填芯质量不合格除了会导致承台与桩头分离脱落，甚至可能造成严重的质量事故。施工过程中，也要严格控制降水频率和地下水位的控制，避免特殊天气下雨排水不及时形成地下室的上浮力而对管桩产生拉裂缝。
4 模型模拟与沉降检测对比分析
根据Mindlin应力公式可知，在多个相邻建筑桩基础的共同作用下，土层中任意一点的竖向附加应力为各个建筑桩基础中每根桩的摩阻力和基底作用在桩间土的压力在该点处产生的附加应力的总和，
（5）
其中，
；
；
；
在YJK中输入地质基础参数后，得到模拟沉降值，可以看出：
1. 相邻建筑数量越多，沉降叠加效应越明显，土层中应力越大；
2. 建筑荷重对应力叠加影响大，荷重大，桩数多，土层中应力也大。
根据表8数据的对比，基本可以认为，在完成选型、动态化调整桩基布置、实现内部结构的优化后，桩基的极限承载力有了明显提高，表明实际的施工效果有所提升，可以广泛应用于其他项目。
表8 测试结果对比分析表
5 结论与建议
综上所述，便是对局部地下室偏置类型项目的基础全过程优化设计的应用研究。桩基作为高层建筑的基础支撑，自身的承载力需要达到一定的标准。同时，建筑内部结构和桩基的搭接，一定程度上可以提升建筑的承压面积，在复杂的施工环境下，保证地下室施工人员的人身安全。不仅如此，桩基的选型与施工设计，必须要遵循桩基施工相关技术规范，增强内部结构的整体性能，为地下室的建设提供安全保障，同时满足成本优化的要求。
参考文献
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撰写日期：2022-07
