文/王卫东

中国已成为300m以上高的超高层建筑发展的中心之一，截止到2021年，全球高度前15栋已建和在建超高层建筑中9栋位于中国，建筑高度已突破600m。在超高层建筑高度不断突破的同时，地基基础面临高基底压力、复杂的风和地震作用、严格的沉降控制等问题。结合国内超高层建筑的建造需求与工程实例，总结了超高层建筑桩基础设计原则、主要深基础形式。阐述了钢管桩、嵌岩桩、大直径超长灌注桩等几种主要基础形式的特点与设计要点，并对应地介绍了上海环球金融中心、南京绿地紫峰大厦、天津117大厦等典型超高层建筑基础工程实践，分别涉及含砾中粗砂、中风化安山岩、粉砂等不同性质的持力土层，分别采用了不同的桩基础形式和针对性的设计与施工措施。

引言

超高层建筑在中国的发展始于20世纪90年代，经过二十多年的建设，中国超高层建筑数量不断增多。世界高层建筑与都市人居协会(CTBUH)将300m高作为超高层建筑与高层建筑的分界线，根据其最新统计，截止2020年底，全球已竣工的300m以上高的超高层建筑已达到176栋，其中中国84栋，阿联酋30栋，美国25栋。

中国超高层建筑的数量不断增多的同时，建筑高度也在不断突破。截止2021年底，世界高度排名前20的建筑中，中国占有12栋。其中632m高的上海中心于2016年竣工并已投入运营，它是目前已建成的中国第一高楼，也是世界第二高楼，仅次于828m高的阿联酋哈利法塔；588m高的深圳平安国际金融中心于2016年竣工；而与此同时，597m高的天津117大厦于2015年实现结构封顶，中国已成为世界上超高层建筑发展的中心之一^[1]。

在超高层建筑高度不断增加的同时，建筑技术也得到了不断的发展，建筑的功能、形式日趋复杂，促使结构形式、建筑材料、建造技术不断地发展和创新。超高层建筑深基础工程有别于常规的建筑，表现为高集度基底压力、严格的沉降控制、复杂的风荷载和地震作用、复杂的基础稳定问题、更深的基础埋深等。超高层建筑首先面临的是竖向承载力的问题，特别是塔楼范围内基底压力非常大，如上海环球金融中心主楼基础底板的平均压力高达920kPa，上海中心大厦核心筒区域平均压力达3 000kPa。另外，超高层建筑对风荷载和地震作用的响应较一般建筑显著，往往在基础产生较大的水平力和弯矩，使得基础的受力更为复杂，特别是对于处在基础系统中外围的地基或桩基，风荷载和地震作用也对基础抗滑移与抗倾覆等稳定性产生更加不利的影响。而随着超高层建筑高度的增加，其对变形也更加敏感，特别是由差异沉降引起的倾斜问题，将使结构顶部产生较大的水平变形，很可能会影响到电梯等设备的正常使用和人的舒适度，因此对超高层建筑的总沉降和差异沉降的控制要求更高。超高层建筑高度增加和主楼与裙楼地下空间的一体化开发，使得高层建筑的地基基础向超深、超大和更复杂的方向发展，给设计及相关的计算都提出了新的挑战。

超高层建筑深基础选型与设计

1.1 基础设计原则

根据超高层建筑的结构体系、基础受力变形等特点，其基础设计的主要内容包括以下几个方面：基础体系在竖向荷载、横向荷载、力矩荷载组合下的极限承载力及整体稳定性(基础抗滑移、抗倾覆)；风荷载(循环荷载)、地震作用等对基础承载力和基础位移的影响；整体沉降、倾斜、不均匀沉降(包括超高层建筑塔楼之间不均匀沉降，塔楼与裙楼之间不均匀沉降)；地震影响(包括基础体系在地震作用下的响应，基础下或周围砂土液化或震陷分析及处理措施)。基础体系设计，包括基础体系各部分(如桩基和筏板)的规格、承载力、基础布置、基础详细设计等。

以超高层建筑桩基础为例，设计总体步骤如下：1)首先根据地质勘察信息，建立场地关键二维或三维地质模型，据此，初步评估塔楼的地基条件、判断工程地质特征及不同地层的特性、确定岩土设计参数。2)根据简化的地质模型和荷载要求，估算基础性能，初步确定桩基础的承载力、规格与成桩方式。开展试桩的设计、施工与检测，验证单桩承载力、沉降变形控制能力及施工工艺可行性。3)基于单桩设计结果和较为完整的上部荷载信息，确定桩数，并进行平面布桩设计。可根据上部荷载和桩顶反力进行筏板厚度的抗冲切与剪切验算，还可根据沉降控制、桩基承载力要求对桩位进行调整。4)将重新确定的筏板厚度和桩位布置再次进行计算直至满足要求，据此确定筏板厚度与布置、桩位布置与桩顶反力、基础沉降与筏板弯曲内力。

上部结构、基础和地基三者之间是相互影响的，采用协同作用分析方法符合整体结构的实际工作状态^[2]，使设计更为合理、经济。超高层建筑结构整体刚度大，对基础变形的约束和协调作用更明显，因此高层建筑与地基基础等设计规范均明确提出高层建筑基础设计需考虑上部结构与基础的共同作用，由于涉及结构、地基基础等多个专业领域，如何进行计算分析一直是超高层建筑基础工程的难点问题之一。在目前工程实践中，主要有两种设计方法：1)采用上部结构与基础共同作用的基础沉降实用分析方法^[3]，开展基础受力和变形计算，分析单桩承载力、桩身结构强度、基础沉降和差异沉降。该方法采用子结构法进行上部结构刚度分析；对基础筏板，采用考虑剪切变形的Reissner厚板理论进行刚度分析；采用Poulos解或Geddes解分析桩土刚度，并考虑群桩加筋效应对群桩刚度的影响^[4-5]。该方法可实现对不同地质分区、桩基与天然地基混合、承压桩与抗拔桩混合、不同长度桩基混合等工程问题的分析，计算效率高。2)采用上部结构和桩筏基础一体化三维分析方法，上部结构核心筒、巨型框架柱等采用三维实体单元进行模拟，基础筏板采用三维厚板单元或实体单元进行模拟，地基土和群桩刚度同于1)所述的基础沉降实用分析方法，可对基础底板应力以及基础差异沉降引起上部结构次应力进行精细化分析，计算更全面。

1.2 主要基础形式

超高层建筑基础的设计首先应综合考虑建筑物体型与功能特征、上部结构形式与荷载要求、场地土层条件，选择合适的持力层和基础形式。岩石地基由于承载力高、压缩性小，通常是超高层建筑的理想天然地基持力层。目前国内采用天然地基浅基础的最高的建筑是452m高的长沙国金中心，其持力层为中风化泥质粉砂岩；正在建造的518m高的大连绿地中心，其持力层为中风化板岩。受地基承载力和变形控制要求的限制，国内超高层建筑普遍采用的还是桩基础，表1列出了国内部分典型超高层建筑及其桩基工程概况。除20世纪90年代建造的上海金茂大厦和上海环球金融中心采用钢管桩外，21世纪初，随着灌注桩后注浆技术的发展，灌注桩的承载力和变形性能得到了提升和保证，其在近年来300m以上高的超高层建筑中得到越来越多的应用。当没有条件采用天然地基，且基岩埋深较浅时，可采用嵌岩桩基，并可采用人工挖孔工艺成桩。450m高的南京绿地紫峰大厦和588m高的深圳平安国际金融中心都采用了人工挖孔灌注桩基础。当基岩埋深较深，桩端嵌岩可行性较差时，或以上海、天津为代表的沿江沿海软土地区，基岩埋深超过200m，桩端不可能嵌岩时，往往要求桩基穿越深厚的土层进入相对较好的持力层以获得较高的承载力并控制变形，大直径超长灌注桩的应用成为趋势^[6-7]。

钢管桩基础

2.1 设计要点

钢管桩能承受较大的冲击力，穿透硬土层的性能好，能有效地打入坚硬的土层，获得较高的承载力。20世纪70年代后期，以宝钢为代表的重大工业项目开始采用钢管桩(桩径609～914mm)，入土深度超过60m。钢管桩在国内高层民用建筑基础中的应用始于20世纪80年代中期。1985年上海静安希尔顿酒店主楼工程，采用了440根φ609.6钢管桩，88层的上海金茂大厦和101层的上海环球金融中心皆采用钢管桩基础。

钢管桩的设计需重点考虑成桩可行性及配套构造措施，闭塞效应承载力计算，抗腐蚀要求与耐久性措施。超高层建筑一般采用敞口钢管桩，沉桩过程中桩端部分土将涌入管内形成“土塞”。“土塞”的高度及闭塞效果随土性、管径、壁厚、桩进入持力层的深度等诸多因素变化，不同的闭塞程度导致桩端产生土塞冲切破坏或桩端地基土冲切破坏两种不同破坏模式。钢管桩的防腐蚀措施主要有以下几个方面：选择耐腐蚀钢种、预留腐蚀厚度、采用防腐蚀涂层、喷涂金属层(热喷涂铝(锌)、电弧喷涂锌伪合金)、外壁包裹盖层(以玻璃纤维为骨架，以油漆、环氧树脂或不饱和树脂作填料和黏合剂)、水下采用阴极保护(外加电流阴极保护或牺牲阳极阴极保护等)。

钢管桩的常用桩径为600～2 500mm，壁厚8～25mm，工程常用的桩径有609，700，914mm三种，壁厚10～20mm，对于海洋平台等特殊工程，其桩径往往要更大一些。桩径与扣除腐蚀裕量的有效壁厚之比不宜大于100。根据承载力和施工的要求，对于分节施工的桩可选用不同的壁厚，上节壁厚可选得大些，但上、下节桩的壁厚之差不能超过4mm。钢管桩的分段长度一般不宜大于12～15m。钢管桩焊接采用“V”字形坡口，下节桩为平口，上节桩下端加工成45°坡口，钝边2mm，钢管内侧设固定定位块和内衬圈，上、下节之间焊接间隙为1～4mm。钢管桩桩端构造可采用敞口型和闭口型两种形式，其中敞口型又可分为带加强箍(带内隔板、不带内隔板)和不带加强箍(带内隔板、不带内隔板)两种形式，敞口型涌入“土塞”高度大，挤土量小，适用于持力土层厚、桩距小的工况。

高承载力钢管桩的施工需选用稳定性好、移动方便的打桩机和锤击力大的柴油锤或液压锤，以及相应的配套机具。锤的冲击能量应满足能将桩打至预定深度的要求，但应控制桩材的锤击应力小于桩材屈服强度的80%，单桩的总锤击数控制在3000击以内，最后贯入度不宜小于0.5～1.0mm/击。桩顶受到巨大的锤击力，管壁较薄，局部锤击应力过大会导致局部破坏，因此桩顶范围壁厚可加大，也可在桩顶、端外侧加设长度为200～300mm、厚8～12mm环形的钢板箍。钢管桩的底端也可增设加强箍，防止进入持力层时桩端变形损坏。

2.2 工程实例——上海环球金融中心

上海环球金融中心位于浦东陆家嘴金融贸易区，为多功能的摩天大楼。塔楼地上101层，建筑高度492m，高宽比8.49，地下3层。塔楼结构体系由四个角部的组合巨型柱与核心筒组成。塔楼采用了三重结构体系抵抗水平荷载，该体系由巨型型钢混凝土、钢筋混凝土核心筒及构成核心筒和巨型型钢混凝土柱之间相互作用的伸臂桁架组成。由于高强预应力混凝土管桩(PHC桩)进入密实砂层的深度能力有限，单桩承载力受到限制，结合邻近金茂大厦基础工程的设计与施工经验，上海环球金融中心塔楼采用钢管桩，其桩基础平面布置示意及剖面如图1所示。

△ 图1 上海环球金融中心桩基平面布置示意及剖面图

基底地基土均属第四系河口～滨海相﹑滨海～浅海相沉积层，主要由饱和黏性土、粉性土、砂土组成。其中，②～⑥层为黏土层，含水率在23%～48%之间，土性较软弱；⑦层为中密～密实的粉细砂层和粉土层；上海地区通常存在的⑧层粉质黏土在本工程场地下缺失；⑨层为饱和密实的砂土层。以埋深达80m的⑨2层作为持力层时，从地下30m开始，要穿越50余米厚的砂层，按当时上海灌注桩施工技术，在厚层砂层中钻孔速度慢，且桩身泥皮和桩端沉渣难以控制，往往出现灌注桩承载力达不到设计要求的现象，而且当时钻孔灌注桩桩端后注浆技术的应用尚未成熟，因此否定了灌注桩的基础方案。建设时场地周边还处于开发阶段，周边并无很多建筑物和市政地下管线等建筑物及构筑物，有锤击打桩的条件。

中心区域采用桩长60.7m、桩型φ700×18的钢管桩225根，持力层为⑨2层含砾中粗砂层；外围区域采用桩长41.7m、桩型φ700×15的钢管桩952根，持力层为⑦2层粉细砂层^[8]。基础筏板采用变厚度设计，核心筒区域筏板厚4.5m，周边区域筏板厚4m。

嵌岩桩基础

3.1 设计要点

桩基穿过覆盖层嵌入基岩称为嵌岩桩，嵌岩桩具有单桩承载力高、群桩效应小等特点，是国内外高层建筑物主要采用的基础形式之一。

嵌岩桩承载模式和桩的长径比、桩端嵌岩深度相关^[9]。嵌岩桩的承载力一般由上覆土层侧阻力、嵌岩段侧阻力、桩端阻力三部分组成，应该从嵌岩段侧阻力与端阻力的发挥比例与总和综合认识嵌岩段的效率和承载能力。嵌岩桩端阻力的发挥随嵌岩深度的增加有降低的趋势。只有短粗的嵌岩桩，端阻力才有可能先于覆盖土层的侧阻力发挥出来或端阻力对桩的承载力起主要作用，属于端承桩，对于穿越深层土层进入基岩的嵌岩桩，侧阻力不容忽视^[10-11]。

目前规范关于嵌岩桩承载力估算主要分为两类。一类以现行的行业标准《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)和成都市、广州省、南京市、深圳市等地方标准为代表，通过建立嵌岩段侧阻力和端阻力与岩石单轴抗压强度的关系，计算嵌岩桩承载力。各规范嵌岩桩侧阻力系数ζ_s与端阻力系数ζ_p除了考虑因素不一样，其取值差异也较大，两个系数取值的合理性直接影响到嵌岩桩的承载力取值，也蕴涵了嵌岩段侧阻力与端阻力的承载性状，是嵌岩桩承载力计算的关键问题。另一类以国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)和北京市、浙江省、湖北省地方标准为代表，仍延用常规土层中桩基承载力计算方法。需要在地质勘察报告中提供嵌岩段的侧阻力与端阻力取值，很大程度上依赖于当地经验。

嵌岩段的侧阻力与端阻力之间呈现此消彼长的现象，侧阻力与端阻力并不能同时达到极限。基于武汉、南京等地20余根现场试桩试验成果，采用有限元数值模拟方法，对嵌岩桩的试桩试验进行了数值模拟，取得了合理的岩层、土层参数取值，通过有限元数值模型计算得到侧阻力和端阻力综合系数ζ_r的取值建议，见表2，可供嵌岩桩承载力估算采用。相比于现行的行业标准《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)综合系数取值表5.3.9，表2在不同岩石强度分类和嵌岩深径比两个维度上作了扩充与细化，计算结果与工程实测值更接近，适用性更强。将来在收集更多嵌岩桩工程实测案例的基础上，可对嵌岩桩嵌岩段综合系数的取值做进一步的完善。

工程实践表明：对于软岩，通过单轴抗压强度得到的桩端承载力往往偏低，究其原因为桩端岩石的强度一般由无侧限抗压强度试验测得，软岩取芯容易被扰动，且桩端岩石在高围压作用下的强度值要大于无侧限的情形。为了综合确定岩石的天然抗压强度，尽可能排除岩样中的裂隙对岩块抗压强度的影响，宜对岩块进行点荷载强度试验，以准确反映岩块的强度。必要时以深层平板或嵌岩短墩载荷试验作为桩端承载力取值的依据。

当基岩埋深较浅时通常采用人工挖孔嵌岩桩，并通过扩大桩端提高承载力。260m高的济南绿地普利门采用人工挖孔嵌岩桩，桩端直径由2.6m桩身直径扩大至4.6m，进入中风化闪长岩层，单桩承载力特征值达62000kN。人工挖孔凿进方式主要有风镐、风钻和爆破等方式，适应于地层稳定、不易塌方、无地下水或含水较弱、动水压力不大和无有害气体的地区。人工挖孔桩的孔径(不含护壁)不得小于0.8m，当桩净距小于2.5m时，应采用间隔开挖，相邻桩跳挖的最小施工净距不得小于4.5m。混凝土护壁的厚度不应小于100mm，配置直径不小于8mm的构造钢筋，竖向筋应上下搭接或拉接。

当没有条件进行人工挖孔时，通常采用钻孔、旋挖、冲孔等方式进行成孔，复杂土层可采用不同成孔机具组合进行针对性施工。475m高的武汉绿地中心大厦，采用了桩径为1 200mm的嵌岩桩，桩端进入中、微风化砂岩，有效桩长约22～33m，极限承载力达45 000kN。单桩承载力载荷试验表明，端阻力约占总承载力的55%左右^[12]。本工程在黏土层、砂层和强风化泥岩层采用了旋挖转机成孔，在微风化泥岩层和中、微风化砂岩层等硬土层则采用了冲击钻机成孔，提高了入岩的工效^[13]。

3.2 工程实例——南京绿地紫峰大厦

南京紫峰大厦位于南京市鼓楼区，建筑总高度450m，地上结构89层，为江苏省最高的超高层建筑。采用了带有加强层的框架-核心筒混合结构体系，设有4层地下室，塔楼区域基底埋深约23m，其桩基平面布置示意图和基底以下桩详图见图2。

△ 图22 南京绿地紫峰大厦桩基平面布置示意及基底以下桩详图

浅层至基底依次为填土层、粉质黏土层和残积土层。基底以上主要分布为全风化安山岩和强风化安山岩，已分别强烈风化为砂土状和砂土夹碎块状。基底以下为中风化安山岩层⑤2a(软完整软岩)、⑤2b(软完整软岩)、⑤2c(软破碎软岩)。地质勘察报告提供的⑤2a，⑤2b，⑤2c岩层试样的饱和单轴抗压强度分别为10.53，4.23，5.45MPa，考虑较完整岩乘以折减系数0.4、较破碎岩乘以折减系数0.2，⑤2a，⑤2b，⑤2c岩层桩端承载力特征值取值仅分别为4.2，1.7，1.1MPa，明显偏低，从计算角度需要很长的嵌岩深度才能满足承载力的要求。为了进一步确定合理的桩端基岩的承载力，本工程分别对⑤2a和⑤2c中风化安山岩开展了基岩承载力深层载荷板试验，根据试验得到的P-S(荷载-位移)曲线确定基岩的极限承载力，得到⑤2a和⑤2c基岩的承载力特征值分别为5.4，4.0MPa。可见两种方法确定的基岩承载力有较大差别，特别是对于⑤2c软破碎软岩，按单轴抗压强度确定的承载力明显偏低。

本工程最终采用深层载荷板试验确定的桩端阻力进行嵌岩桩的设计。桩基采用人工挖孔扩底桩，桩身混凝土强度等级C45，桩身直径2m，桩端扩底直径4m，桩端进入⑤2c中风化安山岩2m左右，单桩承载力特征值39 000kN，共87根桩，见图2。根据基岩的岩性和埋深变化情况，桩长在6～30m之间变化。桩顶设置筏形承台，厚3.4m。竣工后的监测结果表明主楼沉降较小，最大沉降量为20mm。

大直径超长灌注桩基础

4.1 设计要点

大直径超长灌注桩主要指直径大于800mm、桩长大于50m、长径比超过50的桩。理论研究和工程实践均表明，超长桩受长径比大、桩端埋置深、桩身穿越土层多且土性复杂、后注浆工艺等因素的影响，其受力性状有别于短桩和中长桩。因此，在明晰大直径超长桩的工作性状、施工难点和检测要点基础上，合理进行设计就显得非常重要。基于分析现场足尺试验量测结果，大直径超长灌注桩基本承载性状有如下特点^[14-15]：

(1)超长桩上部侧阻力先于下部侧阻力发挥作用，荷载达到一定水平后，下部侧阻力才逐渐发挥出来。随加载和桩土位移的增加，桩身上部桩侧阻力较早发挥至极限并进一步出现软化现象，其残余强度约为峰值强度的0.7～0.9倍^[16-17]。由于桩的长度大，桩身下部位移小，下部侧阻力存在不能充分发挥的现象。

(2)在工作荷载作用下，超长桩侧阻力常常呈现桩身中部大、桩顶和桩端小的规律，桩顶至桩身一定范围内呈近似线性增长，超过一定深度后，桩侧阻力因未得到充分发挥而沿深度减小或基本保持不变。

(3)超长桩端阻力的发挥有明显的滞后性，由于桩端沉降量小，桩端阻力很难得到充分发挥。端阻力在整个承载力中所占的比例明显小于侧阻力，主要表现为摩擦型桩的特点。

(4)桩侧阻力的发挥与桩端支承条件有关，当桩端软弱或沉渣较厚时，不仅端阻力低，侧阻力的发挥也会大打折扣，使得其在相对较小的荷载作用下便发生陡降破坏。桩端后注浆改善了桩端支承条件，桩端的嵌固作用加强，桩侧阻力可以发挥到较高的水平。

(5)超长桩桩身长径比大、刚度较小，桩顶荷载不易向下传递，承载效率较低，导致以较大的桩顶变形为代价来获取较高的承载力，极限承载力往往由桩顶变形和桩身强度来控制，很难达侧阻力与端阻力皆达到极限的理论状态。

(6)超长桩基础的沉降由桩身压缩和桩端下土体压缩两部分组成。单桩载荷试验时，桩顶沉降主要为桩身压缩。由于桩端沉降量不大，将大大影响超长桩端阻力的发挥，所以要选择合适的桩长及长径比L/D。

(7)群桩效应。超高层建筑荷载大，但主体建筑结构底盘小，在3倍桩径间距要求下，通常采用满堂布桩的方式才能满足上部荷载的需求。建筑工程的桩径范围约在800～1 200mm之间，长径比往往大于50，每个工程桩数都在数百根，群桩效应明显。

大直径超长桩在设计过程中应尽量避免或减少桩身上部侧阻力软化、下部侧阻力与端阻力不能充分发挥及桩身变形过大等不利效应。虽然超长桩在工作荷载作用下表现为摩擦型桩，但桩端特性对桩侧阻力发挥及其承载变形特性有很大影响。大直径超长桩持力层通常选择埋深大、土性较好的土层，如选用基岩、卵砾石层、砂层等为持力层，后注浆能有效地消除桩端沉渣、改善桩端土体承载性状，提高桩端阻力及桩侧阻力发挥水平，且有利于减小桩长，进而增加桩身刚度、降低桩基施工难度、增加成桩的可靠性。

现场静载荷试验是获得桩基竖向抗压特性最可靠的方法。工程桩单桩承载力的取值应根据单桩承载力载荷试验结合桩身强度和沉降控制要求等确定。宜采用C45或更高等级的水下混凝土，解决后注浆大直径超高桩桩身强度与地基土支承力不匹配的问题^[18]。由于超长灌注桩长细比大、桩顶受荷强度高，桩基沉降计算应计入桩身压缩量。

大直径超长灌注桩成孔深度大、施工时间长、泥浆比重大、含砂率高，导致桩身泥皮、沉渣与垂直度的问题较中、短桩更为突出，选择合适的成孔机具、工艺和辅助措施甚为关键。软土地区可采用回转钻机成孔，但在硬土地区，旋挖钻机成孔效率更高，采用旋挖钻机时，钻头的型式可根据孔深范围内不同土层、岩层性状进行选取。对于深厚砂层地区，应考虑采用人工造浆，提升护壁性能，并严格控制泥浆中的含砂率以减小沉渣。孔深较大时，宜采用泵吸或气举反循环工艺，上海中心大厦桩基成孔深度近90m，其在深部砂性土层中采用了泵吸反循环成孔工艺^[19]，天津117大厦试桩成孔深达120m，其成孔时则采用了气举反循环工艺^[20]。

4.2 工程实例——天津117大厦

天津117大厦位于天津市高新区，总建筑面积约37万m²，建筑高度约为597m，地上共117层，另有3层地下室，埋深约25m。117大厦塔楼楼层平面呈正方形，首层平面尺寸约67m×67m，采用三重结构体系，由钢筋混凝土核心筒(内含钢柱)、带有巨型支撑和腰桁架的外框架、构成核心筒与外框架之间相互作用的伸臂桁架组成。该大厦结构复杂，自重荷载约7 700MN，对地基基础承载力和沉降要求高。

天津市区地处海河下游，场地最大勘探深度196.4m范围内的土层划分为15个大层及亚层，主要以粉质黏土、粉土、粉砂三种土层间隔分布，以粉质黏土为主。由于不存在深厚的密实砂层，其桩基持力层的选择是桩基设计中的难点。

天津117大厦主塔楼共采用了941根灌注桩，桩径皆为1 000mm，桩端埋深约98m，有效桩长约76m。根据桩顶反力大小与分布，单桩承载力特征值分别为16 500，15 000，13 000kN。桩基承台筏板呈正方形，面积约7 500m2，板厚6.5m。该工程桩基平面布置示意及剖面见图3。开展了分别以⑩5粉砂层(埋深约100m)和 ⑫1粉砂层为持力层(埋深约120m)的4组试桩。试桩桩径皆为1 000mm，采用桩端桩侧联合后注浆工艺。试验结果表明，4组试桩最大加载值皆达到42 000kN，桩顶变形约30～45mm，荷载-位移曲线呈缓变形，并未加载至承载极限。120m长的试桩并未表现出比100m长试桩更好的承载与变形能力，因此工程桩选用以⑩粉砂层为持力层^[21]。

△ 图3 天津117大厦桩基平面布置示意及剖面图

桩基施工采用了回转钻机气举反循环工艺。泥浆采用膨润土人工造浆，并在新浆中加入PHP胶体。在钻进过程中，根据不同的地层，泥浆比重、黏度、含砂率分别控制在1.1～1.2g/cm3，18～22s，4%。采用机械除砂、静力沉淀等多手段结合，控制泥浆含砂量，防止泥浆内悬浮砂、砾的沉淀。

建立了该工程上部结构与桩筏基础一体化分析模型，包括基础筏板、地下3层结构、地上6层结构。基础底板最终计算最大沉降约129mm，差异沉降约45mm。本项目于2015年9月结构封顶，封后4年半实测基础沉降见图4。由图可见筏板总体呈现盆式沉降，中间核心筒区域沉降大，周边沉降小。最大沉降约100.6mm，最小沉降约31.6mm，差异沉降约69mm。

△ 图4 结构封顶4年半实测基础沉降/mm

结语

超高层建筑深基础技术的进步来自工程建设迅速发展的迫切要求，其技术的发展需密切关注绿色、环保与可持续发展等需求。

(1)要重视现场试验，获取可靠的地基土、桩基等承载力与变形参数，需要发展高精度、高加载能力的勘察与检测测试装置。

(2)基础的内力与沉降计算一直是设计中的难题，也将在很长一段时间内成为研究的热点与难点。一方面，需要加强超高层建筑建设过程中基础沉降的全面量测，为了解沉降变形分布与发展规律提供宝贵数据；另一方面，在深基础的抗震性能评价与分析，地基基础与上部结构协同作用的分析理论、方法和配套软件等方面还待深入研究，并根据实测沉降数据不断进行修正和完善。

(3)超高强度混凝土、钢筋、复合筋材等新材料，预制桩植桩绿色成桩技术，高承载力新桩型，适于复杂地层的可靠高效施工机械与工艺、可控的灌注桩后注浆技术等都将是超高层建筑基础工程的发展方向。

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作者简介

本文刊登于《建筑结构》2021年第17期，题为《超高层建筑桩基础的设计与工程实践》，作者：王卫东、吴江斌，单位：华东建筑集团股份有限公司、华东建筑设计研究院有限公司。敬请查阅！

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