696 岩土力学 27 年 建筑物名称 高度层数 层数 表 两幢大楼的桩筏基础的基本资料 Table Basic data of iled raft foundations for two buildings 筏厚 埋置深度 桩的总数 桩的长度 桩的平均荷载 / kn 桩的容许承载力 / kn 总荷

第 28 卷第 8 期 27 年 8 月 岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics Vol.28 No.8 Aug. 27 文章编号 7598 (27) 8 695 5 对 层上海环球金融中心桩筏基础性状的预测 龚 剑 赵锡宏 同济大学 地下建筑工程系, 上海 292 摘 要 根据上海金茂大厦 88 层的成功建筑经验 试图预测 层上海环球金融中心桩筏基础性状 例如桩的承载力和及 其随时间的增加 桩筏的荷载分担 筏厚 沉降和桩筏基础的设计理论等 最后 对两幢大楼桩筏基础性状加以评论 可供 研究上海超高层建筑的超长桩基的设计理论的参考 关 键 词 超高层建筑 超长桩 桩筏 预测 性状 中图分类号 TU 473 文献标识码 A rediction of behavior of iled raft foundation for Shanghai World Financial Center of -storey GONG Jian, ZHAO Xi-hong (Deartment of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 292, China) Abstract: Based on the successful exerience of Jinmao Building of 88-storey in Shanghai, this aer attemts to redict the behavior of iled raft foundation for Shanghai World Financial Center of -storey, such as the bearing caacity of ile and its increase with time, load-sharing between iles and raft, thickness of raft, settlement and theory of design of iled raft foundation. Finally, some comments on these two buildings have been made for heling the study of theory of suer-long ile foundation design for suer-tall building in Shanghai. Key words: suer-tall building; suer-long ile; iled raft; rediction; behavior 引 言 上海环球金融中心 SWFC, 见图 [] 是上 海的最高建筑 图略 该大楼位于上海市浦东区 其主楼为 层的钢筋混凝土巨型结构体系 高 492 m 和有 3 层地下室 5 层裙房有 3 层地下室 大楼的平面图和桩的布置见图 大楼旁边为上海 88 层的金茂大厦(JB) 高 42.6 m 平面图和桩的布 置见图 2 两幢大楼的桩筏基础的基本资料列于表 本文根据金茂大厦的成功建筑经验[] 预测上海 图 上海环球金融中心平面图 Fig. lan of Shanghai World Financial Center 环球金融中心的桩筏基础的性状 2 两大楼的土层特征 金茂大厦各层土的物理力学性指标列于表 2 平均地下水处于地面下.5 m 上海环球金融中心 各层土的物理力学性指标列于表 3 平均地下水也 处于在地面下.5 m 从表 2 和表 3 对比可见 环 图 2 金茂大厦平面图 Fig.2 lan of Jinmao Building 收稿日期 25-9-5 修改稿收到日期 25-2-2 作者简介 龚剑 男 96 年生 博士 教授级高级工程师 上海建工集团副总工程师 长期从事高层建筑施工与高层建筑与地基基础共同作用研究

696 岩土力学 27 年 建筑物名称 高度层数 层数 表 两幢大楼的桩筏基础的基本资料 Table Basic data of iled raft foundations for two buildings 筏厚 埋置深度 桩的总数 桩的长度 桩的平均荷载 / kn 桩的容许承载力 / kn 总荷载 / 6 kn 水浮力 / 6 kn 基础面积 2 基础底面压力 / ka 金茂大厦 42.5 88 4. 9.65 429 83 7 7 5 3. 3 59 852.5 上海环球金 融中心 492. 4.5 8.45 77 79 3 22 4 3 4.4.6 6 2 79.7 表 2 金茂大厦各层土的物理力学指标 Table 2 hysico-mechanical roerties of soils for Jinmao Building 土层编号 土层名称 厚度 层顶绝对标高 含水率 w/ % 重度 γ / kn m -3 孔隙比渗透系数 / cm s - 固结快剪 e k h / -4 k v / -5 c/ ka φ/(º) 填土.9 +3.8. 7. 2 粉质黏土 2.75 +2.9 35.3 8.5..5 7. 2.8 3 淤泥质粉质黏土 4.2 +.725 39.6 8...77.28.5 22. 4 淤泥质黏土 9.72-3.475 49. 7.3.37.6 4.24 7 4. 3.5 5 粉质黏土 8.59-3.95 34.4 8.5.98. 33 2.49 3. 2. 6 粉质黏土 3.25-2.785 23. 2..67 5. 2. 7- 砂质黏土 6.94-25. 3.2 8.6.9 4.3 32.7 7-2 粉细砂 28.32-3.94 26.9 8.9.8. 33.6 8 砂质粉土 32. 8.5.93 9- 砂质粉土 28.9 8.9.84 表 3 上海环球金融中心各层土的物理力学指标 Table 3 hysico-mechanical roerties of soils for SWFC 土层编号 土层名称 厚度 /m 含水率 w / % 重度 γ / kn m -3 孔隙比 e 渗透系数 / cm s - 固结快剪 k h / -4 k v / -7 c/ ka φ/(º) 填土 2.9 2 黏土夹粉质黏土.4 36. 8.5.2.7 37.3 6. 2. 3 淤泥质粉质黏土 4.2 39.7 8... 75 6. 2.3 4 淤泥质黏土.4 48.6 7.3.36.8 24.32.. 5 粉质黏土 7.6 32.7 8.8.92.23 4 2.5. 4. 6 粉质黏土 3.9 23.2 2..68.77 28 36. 2.7 7- 砂质粉土夹细粉砂 2.6 3. 9..83 5.36 3 9 2. 25.8 7-2 粉细砂 2.8 28.2 9.7.72 8.2. 26.8 7-3 砂质粉土 9.3 3. 9.3.82 2. 25. 9- 粉砂夹粉质黏土 5.7 27.7 9.5.76 2. 25. 9-2 含砾中粗砂 4.5 9. 2.9.53 4 2. 25. 9-3 粉细砂 54 24.3 2..68 粉质黏土 8.7 26.3 9.8.75 球金融中心除了没有第 8 层土外, 两大楼的地质条件很相似, 这样就提供了一个有利条件预测桩筏基础的性状 3 两大楼桩的承载力 3. 金茂大厦的桩荷载试验为了获得可靠数据进行桩筏基础设计, 施工前 在现场对 6 根钢管桩 94 mm 进行静载试验, 根据综合数据的分析, 取单桩容许承载力为 7 5 kn 3.2 上海环球金融中心的桩荷载试验为了在环球金融中心获得可靠数据进行桩筏基础设计, 在施工前在现场对 5 根钢管桩 7 mm 进行试验, 在 5 根中有 : 深度为 8 m 的 (H3~H9)7

第 8 期 龚剑等 : 对 层上海环球金融中心桩筏基础性状的预测 697 根, 简记为 H3~H9(8 m), 以下表示相同 ;H(79 m) 根 ;H2,L2~L4(6 m)4 根 ;L,L5,L6 (48 m)3 根 典型桩 H(79 m) H2(6 m) H5(8 m) 和 L2(6 m) 4 根的极限承载力分别为, 9 6, 96 kn 和 7 52 kn 3.3 环球金融中心的桩承载力随时间的增长的分析 现场桩的荷载试验从 996 年 6 月 5 日至同年 9 月 7 日, 后因亚洲金融风暴的影响, 该工程停 工 23 年开始基坑施工 ;24 年基础施工, 因 此有必要考虑桩经历近 7 年的承载力增长问题 3.3. 上海桩的承载力随时间增长的概况 从 2 世纪 5 代始, 上海岩土界的研究人员和 工程师已经很重视桩承载力随时间的增长问题, 而 且已积累许多宝贵的试桩资料 对于打入桩随时间 的增长率, 视时间和土质情况而定, 其变化范围为 2 %~6 % 桩尖土越硬, 其增长率越大, 相反, 桩尖土越软, 其增长率越低 可以认为, 这是上海 的打入桩一种固有特性 ; 另一方面, 上海某些桩筏 基础的老建筑物在 7 年代到 9 年代间, 曾增加了 几层, 至今仍安全无恙, 使用良好 由此可见, 考 虑打入桩的承载力随时间的增长具有实践意义 3.3.2 上海环球金融中心的桩承载力随时间增长的 分析 根据 3.3. 的论据, 对于本工程经历 7 年的桩, 从应用角度考虑, 可取桩随时间增长率为 3 % 这 样, 桩的极限承载力减去相应埋置深度的极限摩擦 力, 再除以 2, 即为桩的容许承载力 对于 4 根典 型钢管桩 :H H2 H5 和 L2 的容许承载力分别 为 6 97,5 232,5 677 kn 和 3 92 kn 现与 Leslie E. Robertson Associate(LERA) 确定 的容许承载力作一对比, 见表 4 比较可见, 二者 确定的钢管桩的容许承载力相当接近 表 4 本文建议的和 LERA 的容许承载力的对比 Table 4 Comarison between allowable bearing caacities of iles roosed by this aer and LERA 桩号 桩长 建议的桩的容许承载力 () 本文 / kn (2) LERA / kn () (2) H 79 6 97 5 8.93 H2 6 5 232 4 3.27 H5 8 5 677 5 7.996 L2 6 3 92 3 2.223 4 两楼的桩筏的荷载分担 国内外的桩筏荷载分担的典型资料已总结于文 献 [2] 中, 笔者提出的 4 个计算桩筏或桩箱荷载分 担的方法, 现取两种方法用以分析金茂大厦和上海 环球金融中心两大楼的桩筏荷载分担 4. 金茂大楼的桩筏荷载分担的分析 4.. 简单实用方法 为桩的承担荷载 : [ (5 % %) ] A () w 式中 : 为总荷载 (3 MN); w 为水浮力 ; 为基础底面的平均压力 (/A),A 为筏底总面积 (3 59 m 2 ) () 如果考虑水浮力, 当埋深为 9.65 m 时, 为简化起见, 取为 9 kn/m 2, 筏承担荷载取总荷 载的 8 % 则 / =.697 7 % (2) 裙房底设置滤水层, 水的浮力不考虑时, 则 / = 92 % 因此, 水的浮力的考虑对桩筏荷载分担的影响 是一个重要问题 4..2 半理论 半经验方法 为桩的承担荷载 : SndE (2) C 式中 :S 为桩基沉降 (.48 m);n 为桩的总数 (429 根 );d 为钢管桩的直径 (.94 m)eo 为桩土模量 (33 Ma);C 为根据文 的 L/d S /d n 和表 -2 得到,C =2.93, 则 / =.77 = 7.7 % 因此按 两种方法计算的 / 几乎相等 4.2 上海环球金融中心的桩筏荷载分担的分析 [] 4.2. 简单实用方法 = 67 % 为简化计算, 取水浮力为 8 kn, 则 =.67 4.2.2 半理论 半经验方法 同样地, / =.77 = 77 %, / 值的大小 取决于考虑水浮力的程度 5 两大楼的筏厚 2 世纪 8 年代, 按照某国的习惯, 筏厚取每 层楼为 cm, 这种习惯影响着上海的筏厚的设计 例如, 某大楼 43 层, 取筏厚 4 m 然而,88 层的 金茂大厦, 由美国 SOM 的设计只有 4 m, 实践证 明这个设计是正确和先进的 现按照我国规范检 验, 上海环球金融中心的筏厚为 4.5 m 能够满足要 求 顺便指出, 从表 中一个 88 层金茂和 层 环球的基底压力对比可见, 前者的基底压力为 852.5 ka, 每层平均压力 9.69 ka, 后者的基底压力为

698 岩土力学 27 年 79.7 ka, 每层平均压力为 7.3 ka, 根据国内外 统计资料认为, 这可能成为今后分析筏厚的一个依 据 6 两大楼的沉降 6. 金茂大厦的沉降与分析 6.. 金茂大厦的实测沉降 该大楼完工在 997 年 8 月 28 日沉降测量从 995 年 月 5 日起到 23 年 4 月 日, 共 49 次 其沉降测点布置和沉降剖面如图 3 和图 4 所示 图 3 沉降测点的平面 ( 单位 : mm) Fig.3 lan of settlement measuring oints (unit: mm) 图 4 沉降剖面 Fig.4 Section of settlement 核心筒中心 M7 的最大沉降为 82 mm, 而角点 M 为 44 mm. 根据 M~M3 的沉降, 沉降相当 对称, 形状如锅形 测点 M~M3 的平均沉降为 59.4 mm, 而在核心筒的测点 M7 M4 M6 M 和 M8 的平均沉降为 77.4 mm 根据 22 年 9 月 3 日到 23 年 4 月 日相隔 7 个月的沉降差只有 mm, 按照上海规范的稳定沉降规定, 可以认为基 本达到稳定状态 6..2 金茂大厦沉降的综合分析 采用简单理论的计算方法 半理论 半经验方 法和统计的计算方法计算沉降, 综合分析沉降的变 化范围为 9~22 mm, 实测沉降超过 82 mm 将 计算与实测沉降对比, 认为计算结果相当合理 6.2 上海环球金融中心的预估沉降 计算沉降的变化范围为 8~32 mm, 参考金 茂大厦的实测沉降, 可预测最大沉降将超过 82 mm 6.3 对两大楼沉降的评论 由于上海环球金融中心的桩长径比 L/D >, 承受的弯矩约为 28 6 kn m, 产生的角桩反力 相当大 特别是, 基础的面积超过金茂大厦的.7 倍 ( 表 ), 沉降的影响深度将大于金茂大厦 可以 预料, 上海环球金融中心的沉降将大于金茂大厦 7 采用桩筏基础共同作用的设计理论分析 上部结构与桩筏基础的共同作用理论已经用 以分析上海的超高层超长桩的共同作用 [], 为简化 计算, 这里仅考虑桩筏的共同作用, 桩筏荷载分担 不予考虑 ( 偏于安全 ), 对两大楼进行比较, 见图 5 和图 6 从表 5 可见, 金茂大厦的桩平均荷载小于 桩的容许承载力为 7 5 kn 对于角桩, 当不考虑 浮力时仅超过容许承载力的 3 %, 而上海环球金融 中心的桩的平均荷载也小于单桩容许承载力 4 3 kn, 对于角桩, 当考虑浮力时也不超过 % 从 表 6 可见, 当不考虑浮力时, 金茂大厦的最大弯矩 为 5 kn m, 相应的应力约为 5 6 ka, 而上 海环球金融中心筏板的弯矩, 即使不考虑浮力, 最 大弯矩为 5 kn m, 相应的应力约为 3 ka 从两大楼的群桩的荷载分布和筏板内应力的对比 荷载 / 3 kn 荷载 / 3 kn 2 3 4 5 6 7 8 9 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6. 3.2 5.9 8.7 x. 3.2 5.9 8.7.4 4.2 6.9 9.7 22.4 25. 27.9 3.5 不考虑水浮力 3 考虑水浮力 2 5 7 9.4 4.2 (a) 金茂大厦 x. 4.9 9. 3.3 7.5 2.7 25.9 3. (b) 环球金融中心 6.9 9.7 22.4 图 5 沿中心线的群桩荷载分布 Fig.5 Load on ile grou along center line 25. 27.9 3.5

第 8 期 龚剑等 : 对 层上海环球金融中心桩筏基础性状的预测 699 弯矩 / 3 kn m 弯矩 / 3 kn m (a) J 金茂大厦 (b) 环球金融中心 图 6 沿中心线的弯矩分布 Fig.6 Bending moment distribution along center line 表明, 上海环球金融中心的桩筏基础设计还是有些 保守 8 结语 () 金茂大厦的桩的容许承载力是比较合理 的 对上海环球金融中心的桩的容许承载力, 考虑 随时间的增长也是比较合理的 尽管 7 mm 钢 管桩的长径比 L/d>, 可能影响承受抵抗弯矩的 能力 根据初步设计 [], 风荷载等引起的弯矩为 28 6 kn m, 产生角桩的附加反力超过静荷载的 /3 在这样的情况下, 设计应考虑高安全度 例 如, 水的浮力只考虑 6 %, 认为是比较适当的 (2) 对于金茂大厦, 裙房设置滤水层, 认为 没有必要考虑水的浮力 然而, 桩筏荷载的分担却 受到影响 ; 对于上海环球金融中心, 为安全起见, 有必要考虑 6 % 的水浮力 本文提出的计算桩筏 荷载分担的方法, 不但可以减少桩的数量, 也可以 提供判断桩筏基础安全度和确定筏厚的一个参考依 据 4 4 8 8 2 2 6 6 2 2 4 4 6 6 8 8 2 x / 年..2.3.4.5 x / 年..2.3.4.5 (3) 对于金茂大厦的筏厚,SOM 的设计为 4 m, 既安全又先进 对于上海环球金融中心的筏厚, 现缺乏超过 4 m 的现场监测数据, 在这种情况下采 用 4.5 m 的筏厚是必要的和适当的 为了进行合理 的筏厚设计, 超高层超长桩的筏厚 4~6 m 的现场监测研究正在进行中 (4) 根据金茂大厦的实测沉降和综合分析, 预测上海环球金融中心的沉降约为 mm. (5) 桩筏基础设计理论 [] : 根据对两大楼的超高层超长桩的桩筏基础设计的分析, 认为有必要控制在弹性的应力状态 在这种情况下, 上部结构与地基基础共同作用的理论能够用以设计桩筏基础 在第 7 节两大楼的对比, 表明, 本文提出的理论是合理和实用的 如果桩筏荷载分担能够考虑的话, 桩筏基础设计将会获得很大的经济效益 根据以上的综合分析, 金茂大厦现处于良好的工作状态, 而上海环球金融中心的桩筏基础具有较大的安全度, 预测的结果是 安全 的 编者按 : 该论文投稿是 23 年 6 月, 而上海环球金融中心于 23 年底开始基坑施工,24 年基础施工, 现在上海环球金融中心 93 层已经完成, 总重量已超过 9 %, 将于 27 年 9 月 9 日结构封顶, 可见 4 年前预测沉降与实测沉降相当接近证明预测沉降是成功的 参考文献 [] 龚剑. 上海超高层及超大型建筑基础和基坑工程的研究与实践 [ 博士论文 D]. 上海 : 同济大学,23. Gong J. Research & ractice on Foundation & Excavation Engineering for Suer-Tall Building & Suer-Big Structure in Shanghai, Tongji University Doctoral Dissertation (in Chinese), 23, Shanghai, China. [2] Hooer J A. Observations on the behavior of a iled raft foundation in London Clay[J]. roc. ICE, 973, 55(2), 855 877. Zhao XH. et al. Theory of Design of iled Raft and Box Foundation for Tall Buildings in Shanghai (in Chinese, 989; Enlarged edition in English, 998), Shanghai Tongji University ress, 998. [4] Zhuang G M, Lee I K, Zhao X H. Interaction Analysis of Behavior of Raft-ile Foundation[A]. roc. Inter. Conf. on Geotechnical Engineering for Coastal Develoment-theory & ractice on Soft Ground-(GEO COAST 9), Jaan: Yakohama, 99: 759 764. [5] YANG Ji-bao, ZHAO Xi-hong. Otimum design of iled raft (box) foundations for tall building, st China/Jaan/ Korea Joint Symosium on Otimization of Structural and Mechanical Systems, Xi an, China Oct.3 Nov.4, 下转第 728 页