超详细的基础选型分析报告（附计算过程）

——  查理·芒格

△ 项目实景  摄影：大白

按照此前的约定，大白再次排版后重新推送此文。

借此机会，恭祝各位读者朋友们：

新年快乐！！

本项目设计于2014年，并已于2017年底完成竣工验收。

这个项目如果现在来做，主楼基础选型还可以考虑可控刚度桩筏基础或大直径旋挖+超高强管桩植桩这两种新方案；

另外，纯地下室的抗浮锚杆，也会选择集中布置在板中，而不是柱下。

该项目的基础选型报告编写的较为细致，在工程实践中具有一定的参考价值，大白在此分享给大家。

工程概况

本工程位于厦门市，上部为7栋高层住宅，拟建地块范围内设置单层整体地下室。1#、4～7#为18层高层，2、3#为24层高层，带满铺单层地下室。

地块用地面积约2万m²，地上总建筑面积约6万m²，地下室建筑面积约1万m²。

抗震设计，丙类建筑，七度设防，设计基本地震加速度值0.15g，地震分组为二组，二类场地，特征周期0.40s，水平地震影响系数0.12，阻尼比0.05。

抗风设计，地面粗糙度为B类，基本风压0.80 kPa，体型系数暂按1.4。

地质条件

根据《****岩土工程详细勘察报告》，拟建场地地层结构较复杂，岩土层种类较多，岩土层的埋深、厚度及性能变化较大。

各拟建建筑物地质情况如下表所示：

岩土设计参数如下：

各栋典型地质剖面如下：

△ 1#楼典型地质剖面图

△ 2#楼典型地质剖面图

△ 3#楼典型地质剖面图

△ 4#楼典型地质剖面图

△ 5#楼典型地质剖面图

△ 6、7#楼典型地质剖面图

基础适用性分析

主楼天然筏板基础可行性分析

根据工程情况分析，2、3#楼为24层高层带单层地下室，上部为剪力墙结构。

经PKPM程序建模试算，上部总荷载加筏板自重标准值（F_k+G_k）为199862kN，建筑底层面积约为445m²，上部荷载标准组合下的平均基地反力F_L约为450kPa。

基底持力层坐落在残积土（3a）层，地基承载力特征值220kPa，显然天然地基的承载力难以满足设计需求。

其余各栋（1#、4#~7#）均为18层高层剪力墙结构，均带单层地下室，基底主要持力层为残积土（3a）层，地基承载力特征值为220kPa。

以4#楼为例，经试算，当筏板外挑出主楼的距离控制在1m～1.5m的情况下，拟用地基承载力特征值为350kPa，具备采用天然平板式筏板基础的条件。

基础布置方案详下图：

△ 4#楼筏板基础方案图

▽  地基承载力计算

根据地勘报告结果，基底持力层为残积砂质粘性土（3a），承载力特征值为fak=220kPa。

残积砂质粘性土层的天然孔隙比e=0.878>0.85，按GB5007-2011《建筑地基基础设计规范》要求，该土层无法进行基础深度和宽度修正。

故而，宽度修正系数ηd=0，深度修正系数ηd=1。

主楼结构地基承载力可考虑将纯地下室部分对地基土形成的超载换算成覆土深度作为基础埋深进行修正。

△ 主楼与地下室交界处示意图

纯地下室部分的平均荷载预估为F=40kPa（包含底板自重）。

天然筏板拟采用平板式筏板，初步估算筏板厚度1000mm，用于深度修正的基础埋深d=1.0-0.4=0.6m，该部分土均处于地下水位以下，浮重度取8kN/m³。

综上，主楼基底下修正后的承载力特征值为：

f_a=f_ak+η_bγ(b-3)+η_dγ_m（d-0.5）+F*η_d

=220+0x8x(6-3)+1x8x0.1+40x1

=260 kPa;

偏心荷载作用下，标准组合下基底边缘的最大压力应控制在：

Pkmax=1.2fa=312 kPa；

纯地下室筏板地基承载力修正如下：

筏板基底靠近地下室外墙部分覆土较厚，基底超载较大，承载力可做局部修正。

考虑基底以上覆土厚度5m，土层加权平均重度为9kN/m3；

纯地下室修正后的地基承载力特征值为：

f_a=f_ak+η_bγ(b-3)+η_dγ_m（d-0.5）

=220+0x8x(6-3)+1.0x9x(5-0.5)

=260 kPa;

偏心荷载作用下，标准组合下基底边缘的最大压力应控制在：

Pkmax=1.2fa=312 kPa；

▽  模型计算

现以4#楼为例，采用PKPM程序进行建模计算；

上部荷载均按实际考虑，将4#楼地质资料输入JCCAD；

由程序根据上部结构情况及土层情况进行地基反力计算及沉降计算。

根据上部计算出的基底总反力为147866.4kN，基础面积为577.16m²。

筏板上、下边外挑1.5m，筏板左右边外挑1～1.5m，平均基底反力为256.2kN/m²，地基土反力值最大值约400kPa，最小值为173kPa。

基底反力由筏板两侧至中间、上边向下边逐渐减小。

如下图所示：

△ 4#楼平筏地基反力图（KPa）

根据沉降值反算出的基床系数平均值为39269.8kPa/m，与地勘报告提供的数值较为接近；

地基上覆土层较厚、基础下可压缩土层深度较薄、基底附加应力值小，故主楼沉降量较小。

筏板平均沉降6.14mm，最大沉降量为9.8mm，最小沉降值为2.6mm。

如下图所示：

△ 4#楼平筏沉降图（mm）

▽  结果分析

以4#楼为例，主楼基底修正后的地基承载力特征值为260 kPa ，刚好满足上部平均基底反力的要求。

但由于高层风荷载引起的倾覆弯矩较大，筏板边角处的基底反力为400kPa，远大于偏心荷载作用下，标准组合下基底边缘的最大压力控制Pkmax=1.2fa=312kPa 。

虽然可通过扩大筏板基础面积的方式来满足偏心荷载的要求，但经济性较差。

由沉降计算分析所得，由于主楼基底下可压缩土层较薄，地基沉降较小，根据地质剖面，土层起伏较大，基床反力系数变化较不规则，但由于地基沉降较小，主体沉降差不大，地基沉降处于可控状态。

地下室中庭部分几乎无沉降，主楼与地下室可设后浇带减小沉降差异影响，并通过合理构造方式使主楼和中庭地下室刚性连接。

1#、5～7#楼（均为18层）基底持力层与4#楼相同，且筏板下可压缩土层厚度较4#楼薄，故预计基底反力与4#楼相近，地基沉降基本可控。

经上述分析，1#、4～7#楼均为18层剪力墙高层建筑，基底平均反力与修正后的地基承载力较为接近，且地基沉降基本可控，具备一定的条件采用天然筏板基础。

综合上述情况，建议业主采用原位平板载荷试验，对筏板基底标高以下的承压板下应力主要影响范围内的地基承载力和压缩模量进行原位测试。

具体试验要求详我方提供的《****地块平板荷载试验任务书》。

主楼桩基础可行性分析

根据地质勘查报告，结合厦门地区比较成熟的工程桩设计施工经验，本工程可选桩型为：

1.  人工挖孔桩

2.  冲钻孔灌注桩

3.  旋挖桩

4.  预应力管桩

各桩型相应岩土设计参数见勘察报告。1#、4～7#楼经现场原位平板载荷试验后，可能存在试验得到的地基承载力特征值无法达到设计要求，或压缩模量值无法满足上部结构沉降量和沉降差要求的情况。故对以上户型均提供桩基选型方案。

选桩原则按照安全、可靠、经济和节约工期的原则做取舍。

各栋适用桩型比选如下：

▽  基桩承载力特征值确定

估算冲孔桩或人孔桩基桩抗压承载力按“经验系数法”，大直径灌注桩考虑桩尺寸效应系数（中风化层不考虑尺寸效应系数），分项系数2.0。

根据地勘报告，选取各适用桩型分布范围内的典型孔点，采用Morgain程序计算各种桩型、桩径的单桩竖向承载力特征值。

估算预应力管桩抗压承载力按GB5007-2011 8.5.6-1式，根据地勘报告，选取各适用桩型分布范围内的典型孔点，采用Morgain程序计算单桩竖向承载力特征值：

Ra ＝ q_pa·A_p + u_p·∑q_sia·l_i          8.5.6-1

▽  桩身强度计算

桩身强度控制，相应于荷载效应基本组合时的单桩竖向力设计值 Q ≤Ap·fc·ψc　

其中工作系数ψ_c：冲孔桩取0.7，人工挖孔桩取0.90；

桩身强度控制，单桩竖向承载力特征值 Ra ＝ Q / γ_z；

其中单桩竖向承载力设计值与特征值的比值取γ_z 取1.30。

▽  各桩型桩径选用：

• 人工挖孔桩

根据地勘选桩建议及配合基础选型分析，人工挖孔桩的适用范围为1#～7#楼，桩的性状由单桩承载力和桩间距控制，人工挖孔桩布桩间距为3.0d，各直径桩基的单位承载能力分析如下：

• 2、3#楼  24层

Ф1000，D=1400，R_a＝7000KN  间距3m, 7000/（3x3）=777kN/m²；

Ф1200，D=1800，Ra＝10500KN 间距3.6m，810 kN/m²；

由以上分析可知，两种人工挖孔桩承载力相差不大，考虑桩长、上部荷载和平面布桩等因素，优先选用Ф1000直径的桩。

2、3#楼人工挖孔桩基础布置方案详下图：

△ 2、3#楼人工挖孔桩基础平面布置图

• 1#、4～7#楼  18层

Ф1000， Ra＝5600KN  间距3m,  5600/（3x3）=622kN/m²

Ф1200， Ra＝7800KN  间距3.6m，601kN/m²

1#、4～7#楼为18层高层，剪力墙结构，根据计算模型分析结果，最大剪力墙轴力约为2500kN/m，选用Ф1000桩径（不扩孔）能够满足承载力要求；

4#楼人工挖孔桩基础布置方案详下图：

△ 4#楼人工挖孔桩基础平面布置图

• 冲（钻）孔灌注桩

根据地勘选桩建议及配合基础选型分析，冲孔灌注桩的适用范围为1#～7#楼，但考虑1#楼、4～7#楼存在做筏板天然基础的可能性，故仅对2、3#楼进行冲孔灌注桩的选型分析。

桩的性状由单桩承载力和桩间距控制，冲孔灌注桩布桩间距为3.0d，各直径桩基的单位承载能力分析如下：

• 2、3#楼  24层

Ф1000，Ra＝4000KN  间距3m,  4000/（3x3）=444kN/m²；

Ф1200，Ra＝5400KN  间距3.6m，416 kN/m²；

2～3#楼为24层高层，剪力墙结构，根据计算模型分析结果，最大剪力墙轴力约为3500kN/m，考虑该区域楼号下桩长较短、结合上部荷载和平面布桩因素，选用Ф1200桩径的桩基；

2、3#楼冲钻孔基础布置方案详下图：

△ 2、3#楼冲（钻）孔桩基础平面布置图

综上可见，各栋采用人工挖孔桩基础与冲（钻）孔灌注桩基础方案均可行，需进行造价对比，以确定具体实施方案。

▽ 经济性比对

• 1、2，3#楼人工挖孔桩和冲钻孔管桩桩相比

根据经济性对比，人工挖孔桩和冲钻孔管桩桩相比，其单桩承载力高，成桩质量好，施工速度快，经济性好，且桩长未超过15m，故2、3#楼均建议采用人工挖孔桩基础。

• 4~7#楼天然地基与人工挖孔桩经济性比对

以4#楼为例：

天然筏板基础经济指标如下：

人工挖孔桩经济指标如下：

天然基础与人工挖孔桩相比，其施工速度快，经济性好。

后经现场原位检测发现，场地的残积土层的地基承载力无法满足设计要求，故1、4～7#楼均建议采用人工挖孔桩基础。 

中庭部分地下室基础选型分析

▽ 基础选型

中庭部分地下室为一层，竖向荷载较小，单层地下室开挖深度约5.75m，大部分地下室位于残积土（3a）层上，设计拟采用天然基础，竖向抗压承载力能够满足要求。

▽ 水浮力分析

标准区隔7.8x6.6（5.0）m，顶板覆土按1m计。

正负零按黄海高程22.6，抗浮水位按地勘建议值黄海高程22。

地下室底板顶标高按黄海高程17.3；梁板式筏板基础高度0.9m，平板式筏板基础高度0.4m。

抗浮计算面积：

A=（6.6+5）/2x7.8=45.24m²

以梁板式筏板基础为例

结构自重：

1440（顶板、覆土自重）/45.24+0.4x25+0.5x0.5x25x（7.8+5.8）/45.24（梁板式底板自重）=43.75kPa

水浮力：

[22-（17.3-0.9）]x10x1.05=58.8 kPa

以平板式筏板基础为例

结构自重：

1440（顶板、覆土自重）/45.24+0.4x25（底板自重）+2.7x2.7x（25x0.8-0.8x10）/45.24（柱帽有效自重）=43.80 kPa

水浮力：

[22-（17.3-0.4）]x10x1.05=53.55 kPa

根据地勘报告，场地周边市政道路的路面标高变化较大（黄海19.64～22.50），地下室抗浮水位为室外地面以下500mm，地下室各区水浮力考虑周边路面标高，采用内插法确定。

地下室应进行抗浮设计，以下就抗拔措施进行详细分析：

▽ 预应力管桩的可行性

根据地勘报告，1#、2#楼之间和5#楼ZK42附近范围中风化花岗岩埋深较浅，无法满足最小桩长6m的要求；地下室位于残积土上，可采用天然地基；室外地面标高变化较大，可通过结构配重减少或抵消水浮力；且地下室区域局部存在孤石，从探明的孤石情况上看孤石较为分散。

综合以上因素，不建议采用预应力管桩作为抗拔措施。

▽  反梁式筏板基础+区隔内覆土配重+抗浮锚杆的可行性

考虑梁区隔内覆土提供的配重效率有限，仅在梁板式筏基截面尺寸满足设计要求的情况下，适当减少抗浮锚杆的设置，仅在梁板区隔内填土，拟覆土厚度0.5m。

区隔内面积：

45.24-0.5x（7.8+5.8）=38.5 m².

配重：

38.5x0.5x18/45.24=7.65 kPa。

所需抗浮力：

58.8-43.75-7.65=7.4 kPa

总水浮力为7.4x45.24=335kN，仍需设置抗浮锚杆。

根据地勘报告，地下室底板下残积土层覆盖厚度变化较大，厚度从0～9.1m；残积土的极限摩阻力标准值较低，故采用小直径的锚杆进行设计较为经济。

抗拔锚杆按9m长，D=150mm进行估算，取不利钻孔P6-P6剖面 ZK32孔

岩土体与锚固体粘结强度特征值详地勘报告

N_ak=πDf_rbL_aλ_i

= 3.14*0.15* （8.25*0.7*30+0.75*0.6*70）

= 96.4kN

取N_ak= 90kN。

标准柱网下底板结构布置方案详下图：

△ 反梁式筏板基础+区隔内覆土配重+抗浮锚杆方案

▽  平板式筏板基础+柱下柱帽+抗浮锚杆的可行性

平板式筏板基础厚度0.4m，柱帽尺寸2.7x2.7m。

所需抗浮力：

53.55-43.80=9.75 kPa

总水净反力为：

9.75x45.24=441kN，仍需设置抗浮锚杆。

抗拔锚杆按9m长，D=180mm进行估算，取不利钻孔P6-P6剖面 ZK32孔

岩土体与锚固体粘结强度特征值详地勘报告

N_ak=πDf_rbL_aλ_i

= 3.14*0.18* （8.25*0.7*30+0.75*0.6*70）

= 115.7kN

取Nak= 115kN。

标准柱网下底板结构布置方案详下图：

△ 平板式筏板基础+柱下柱帽+抗浮锚杆方案

综上可见，中庭部分地下室采用反梁式筏板基础+区隔内覆土配重+抗浮锚杆与平板式筏板基础+柱下柱帽+抗浮锚杆两种方案均可行，需进行造价对比，以确定具体实施方案。

▽ 经济性对比

现以典型柱网7.8mx6.6（5.0）m为范围，最不利水头黄海22.0计算，对独立地下室基础选型进行造价比较。

• 反梁式筏板基础+区隔内覆土配重

反梁筏板厚度为400mm，地基梁截面尺寸为500x900。

共需混凝土用量：

7.8x（6.6+5.0）/2*0.4+0.5x（0.9-0.4）x（7.8+5.8-0.5）=21.4m³

梁板式筏板基础造价约为21.4x995=21293元

由水浮力分析可得，每个柱网内需要4根150锚杆，长度9m，造价约为4x9x160=5760元

区隔内覆土造价约为：

38.5x0.5x23.93=460.7元

土方开挖造价较平板式筏板基础增加约：

[7.8x5.8x0.5-2.7x2.7x0.8]x30=504元

合计造价约为：

21293+5760+460.7+504=2.80万元

• 平板式筏板基础+柱下柱帽

底板厚度为400mm，柱帽尺寸2.7x2.7x1.2m。

共需混凝土用量：

7.8x（6.6+5.0）/2*0.4+2.7x2.7x0.8=23.93m³

平板式筏板基础造价约为：

23.93x1064.9=25483元

由水浮力分析可得，每个柱网内需要4根180锚杆，长度9m，造价约为4x9x180=6480元

合计造价约为：

25483+6480=3.20万元

由以上造价分析可知，在标准区隔范围内梁板式筏板基础造价约比平板式筏板基础造价节约0.4万元；

考量到区隔内覆土配重，施工较不方便；地下室层高较平板式筏板基础高，人防口部墙体、砌体填充墙高度增加的费用未计入，故前者的综合造价并不经济。

综合以上情况，建议单层地下室范围采用平板式筏板基础+柱下柱帽的基础形式。

各区域基础选型结果汇总于下图：

△ 地块基础选型示意图