高層建筑地下基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

王春彩　任永明

目前，我國高層建筑的基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要新型的設(shè)計(jì)方案。在保證施工質(zhì)量的同時(shí)，降低施工的時(shí)間成本與經(jīng)濟(jì)成本。下文研究分析了我國高層建筑地下基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的缺陷與問題，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，希望能為相關(guān)高層建筑地下基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)與缺陷

為了改進(jìn)我國現(xiàn)有的高層建筑基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須詳細(xì)地研究我國現(xiàn)有的基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)，了解其中的設(shè)計(jì)缺陷，并根據(jù)這些缺陷提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。傳統(tǒng)基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有以下四個(gè)特點(diǎn)：

1.破壞周邊建筑地基結(jié)構(gòu)

通常，高層建筑的基坑深度較大，且周邊常有現(xiàn)有建筑。因此在進(jìn)行高層建筑的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)，必定會(huì)危及周圍建筑物的安全。在城市中心修建高層建筑時(shí)，由于周邊建筑修建年代比較久遠(yuǎn)、基礎(chǔ)埋深較淺，若不對(duì)基坑進(jìn)行有效支撐，基坑出現(xiàn)較大變形或失穩(wěn)后，將危及周邊現(xiàn)有建筑。

2.地基結(jié)構(gòu)容易受降水影響

高層建筑的地基基坑深度較大，通?；拥装灞鹊叵滤坏?。為便于基坑及基礎(chǔ)施工，必須對(duì)基坑進(jìn)行人工降水。人工降水后，易引起周邊現(xiàn)有建筑的基礎(chǔ)沉降。

3.基坑支撐結(jié)構(gòu)施工影響大，必須提前規(guī)劃

一般的，高層建筑的施工范圍比較狹小，且施工工地往往在建筑群中間，人流密度較大。在進(jìn)行建筑的基坑支撐結(jié)構(gòu)施工時(shí)，必須提前做好規(guī)劃。施工前通知周邊的住戶，同時(shí)需要與有關(guān)部門取得聯(lián)系，避免基坑支撐結(jié)構(gòu)施工對(duì)地下公共設(shè)施的破壞。

4.地基施工工序復(fù)雜

高層建筑的基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須提前考慮施工順序。建筑群施工難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單體高層建筑的地基施工。因?yàn)椴煌慕ㄖ由疃纫膊幌嗤?，一般按照先深后淺的工序進(jìn)行。如果先進(jìn)行淺地基的結(jié)構(gòu)施工，在進(jìn)行深地基的施工時(shí)，容易對(duì)前期施工的地基造成較大的破壞，不符合地基施工要求。

高層建筑基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1.基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩種極限

國際上通用的高層建筑基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則主要有兩點(diǎn)依據(jù)：分別是高層建筑的地基承載能力的極限設(shè)計(jì)狀態(tài)與正常使用時(shí)的極限狀態(tài)。

（1）承載能力的極限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

地基的極限承載能力指的是地基的支撐結(jié)構(gòu)和被支護(hù)土體可以承受的最大當(dāng)量。只要地基上部的當(dāng)量不超過這個(gè)極限，建筑的基坑支撐結(jié)構(gòu)就不會(huì)被破壞，也不會(huì)出現(xiàn)基坑底失穩(wěn)和管涌等現(xiàn)象，更不會(huì)造成地基土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。常見的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞模式主要有以下幾種：擋土結(jié)構(gòu)受彎破壞、嵌入深度不足不夠造成的破壞、錨桿抗拉拔失效造成的整體失穩(wěn)以及地下水造成的坑底隆起或管涌等。

（2）正常使用極限準(zhǔn)則

正常使用極限準(zhǔn)則指的是在支撐結(jié)構(gòu)的變形很大的情況下，高層建筑仍然不會(huì)対周邊建筑的平衡結(jié)構(gòu)造成的破壞。

2.參照指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)

在進(jìn)行高層建筑的基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要參照實(shí)際地基基坑的安全等級(jí)以及其他的重要指標(biāo)。安全等級(jí)一級(jí)的破壞后果是支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞對(duì)基坑周邊環(huán)境影響很嚴(yán)重，γ0為1.10；安全等級(jí)二級(jí)的破壞后果是支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞對(duì)基坑周邊環(huán)境影響很小， 但對(duì)本地工程地下結(jié)構(gòu)施工影響嚴(yán)重，γ0為1.00；安全等級(jí)三級(jí)的破壞后果是支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞對(duì)基坑周邊環(huán)境及地下結(jié)構(gòu)施工影響不嚴(yán)重，γ0為1.00。

3.基坑支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟

根據(jù)上述基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩條準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，高層建筑的基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括以下四個(gè)步驟：確定建筑整體的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)建筑的基坑支撐形式進(jìn)行穩(wěn)定性校核；計(jì)算基坑支撐結(jié)構(gòu)在承受壓力、彎力、剪力時(shí)的穩(wěn)定性；對(duì)基坑支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)支撐進(jìn)行承載力校核；對(duì)安全等級(jí)較高的高層建筑的基坑支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平位移校核。

高層建筑的基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)工程施工實(shí)例進(jìn)行綜合分析，基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的注意點(diǎn)：

（1）基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不允許出現(xiàn)明顯的頂部形變。

（2）如果高層建筑的地基基坑周邊存在距離較近的低層建筑群，在進(jìn)行基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，建筑地基不允許有明顯的水平位移。研究表明，此種情況下的支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的水平推力應(yīng)按靜土壓力計(jì)算。

（3）基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的支撐結(jié)構(gòu)造成的水平壓力不應(yīng)該過小，保證在進(jìn)行基坑施工中，樁頂不產(chǎn)生水平位移。

（4）如果基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中允許出現(xiàn)適當(dāng)?shù)乃轿灰?，伴隨著水平壓力的不斷增加，樁側(cè)的土壓力會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

（5）如果支撐結(jié)構(gòu)的水平位移繼續(xù)增加，勢(shì)必影響到主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，基坑支撐結(jié)構(gòu)變形應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)的變形相協(xié)調(diào)。

實(shí)例應(yīng)用

1.工程概況

擬建工程位于河南省鄭州市中心區(qū)，規(guī)劃總用地面積112 300 m2，總建筑面積375 600 m2（包括地下室建筑面積85 000 m2）。該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)類型為框架、框剪結(jié)構(gòu)，地下室2 層，采用樁基礎(chǔ)。本次勘察得知48 m 深度范圍內(nèi)，巖性以黏性土、淤泥為主，該區(qū)的擬建場(chǎng)地為濕潤地區(qū)弱透水環(huán)境，場(chǎng)地環(huán)境類型為Ⅱ類。據(jù)勘察，地下水水位為0.30～2.40 m.

2.支護(hù)方案的選定

通常根據(jù)基坑周邊環(huán)境的嚴(yán)峻程度，結(jié)合基坑開挖深度、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件來確定支護(hù)方式，支護(hù)方式的確定也要考慮不同環(huán)境條件約束下的基坑或基坑各邊不同的“安全度”。此外，支護(hù)結(jié)構(gòu)要密切與施工相配合，以期整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)效益最大化。結(jié)合工程分析，本工程負(fù)一層選擇采用單排混凝土灌注樁加預(yù)應(yīng)力水平旋噴土錨，坑外設(shè)雙軸水泥土攪拌樁進(jìn)行止水，坑底加固采用水泥土攪拌樁。負(fù)二層采用豎向兩道支撐、水平面四道支撐的支護(hù)形式，一道支撐上設(shè)棧橋。具體為：一道支撐設(shè)置在負(fù)一層基礎(chǔ)底板上（底板上設(shè)牛腿），二道支撐設(shè)置在地下二層。負(fù)一、二層交界處采用鉆孔灌樁結(jié)合地下一層底板拉錨進(jìn)行支護(hù)，坑外設(shè)雙頭水土攪拌樁進(jìn)行止水。該支護(hù)系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支（外伸）梁或超靜定（外伸）梁，擋土效果好，土體變形可得到有效限制。

3.支護(hù)效果及質(zhì)量檢驗(yàn)

主要包括在基坑開挖前后和支護(hù)施工過程中，對(duì)基坑邊坡的水平位移和豎向沉降的監(jiān)測(cè)，以及對(duì)土釘及預(yù)應(yīng)力錨索受力性能的測(cè)試。

（1）位移監(jiān)測(cè)

運(yùn)用坐標(biāo)法對(duì)基坑周邊位移及護(hù)坡樁樁頂位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，沿立柱頂共布設(shè)24 個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，基坑底沿20 m 間隔均布設(shè)置豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)周期為：在基坑開挖期間，每天監(jiān)測(cè)一次；開挖結(jié)束后以7 d 為增量加大監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔，具體要結(jié)合邊坡變形情況而定。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總分析，坡頂水平位移最大值為12.1 mm，樁頂水平位移最大值為4.3 mm，地面及基底豎向位移均在10 mm 以內(nèi)，基坑整體變形量微小。

（2） 預(yù)應(yīng)力樁錨抗拔試驗(yàn)

按照規(guī)范進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索的抗拔試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其受力狀態(tài)及施工質(zhì)量。預(yù)應(yīng)力樁錨共試驗(yàn)4 根，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

試驗(yàn)結(jié)果表明，土釘及預(yù)應(yīng)力錨索極限抗拔力均高于其設(shè)計(jì)拉力，在試驗(yàn)過程中均未發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，說明其力學(xué)性能發(fā)揮正常，支護(hù)效果良好。

結(jié)語

通過以上分析可知，高層建筑基坑支護(hù)方案應(yīng)根據(jù)基坑的地質(zhì)條件、周邊建筑影響程度、地下水情況等綜合確定，基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則應(yīng)根據(jù)破壞影響后果和變形要求確定，基坑支撐結(jié)構(gòu)變形必須與主體結(jié)構(gòu)的變形相協(xié)調(diào)。