某大跨度空間結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)選型及抗浮設(shè)計(jì)

羅仕偉

(成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司，四川成都 610017)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于大型公共文化旅游場(chǎng)所的需求不斷增加，大量大跨度公共建筑應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型相比，此類結(jié)構(gòu)對(duì)于基礎(chǔ)的要求更高[1]。選擇合理的基礎(chǔ)形式不僅能使基礎(chǔ)得到更大程度的發(fā)揮，還能節(jié)約成本，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。本文結(jié)合具體的工程實(shí)例，對(duì)于基礎(chǔ)的選型過程做了詳細(xì)的介紹，為類似工程的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

整個(gè)項(xiàng)目由娛雪樂園、水樂園和停車樓三部分建筑組成?？偨ㄖ娣e37.05×104m2，其中地上建筑面積31.12×104m2，地下建筑面積5.93×104m2。其中，娛雪樂園是為滿足新型綜合滑雪旅游產(chǎn)業(yè)的需求而特別定制的特大型休閑娛樂類建筑。為模擬自然的冰雪環(huán)境，娛雪樂園的公共區(qū)域接近無柱空間，跨度從174 m漸變到94 m，高度由35 m漸變至85 m。娛雪樂園平面尺寸長(zhǎng)428 m，為減小結(jié)構(gòu)單體長(zhǎng)度并簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性，共設(shè)置兩道兩條結(jié)構(gòu)縫，將整個(gè)建筑分為三部分：北側(cè)(低區(qū))、中部(中區(qū))和南側(cè)(高區(qū))(圖1)。

項(xiàng)目低區(qū)處于場(chǎng)地填方區(qū)域,無地下室,采用框架結(jié)構(gòu)；中區(qū)采用框架結(jié)構(gòu)形式,含一層地下室；高區(qū)結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)+鋼支撐及屈曲約束支撐,共兩層地下室。

圖1 娛雪樂園整體平面分縫示意

2 工程地質(zhì)概況

2.1 場(chǎng)地土層分布及力學(xué)性能

地勘資料顯示，場(chǎng)地上覆第四系人工填土，其下由第四系全新統(tǒng)河流沖洪積成因的粉土、砂及卵石組成，其各土層力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 力學(xué)性能指標(biāo)

2.2 地下水

勘察期間處于豐水期初，測(cè)得第四系孔隙潛水穩(wěn)定水位埋深在地表以下0.2～6.5 m；標(biāo)高693.42～696.42 m，平均694.89 m。根據(jù)場(chǎng)地地層條件、地下水位埋深、場(chǎng)平標(biāo)高、回填土性質(zhì)、回填情況和建設(shè)單位提供的黑石河水位觀測(cè)資料，擬建雪樂園的抗浮水位可按700.50 m考慮。

3 基礎(chǔ)選型

對(duì)于上部結(jié)構(gòu)為框架的基礎(chǔ)形式，一般根據(jù)土層不同可以選擇獨(dú)立基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)。勘測(cè)資料顯示該場(chǎng)地卵石層中含有大量漂石，漂石的穿透難度大，沉樁條件一般。本文主要從天然獨(dú)立基礎(chǔ)的角度分析基礎(chǔ)選型的思路。

3.1 基礎(chǔ)持力層及埋深的選取

本工程±0.000標(biāo)高為702.500 m，地勘資料顯示，場(chǎng)地的地下水水位標(biāo)高為693.42～696.42 m左右，整個(gè)場(chǎng)地水位呈現(xiàn)東北高，西南低的趨勢(shì)；場(chǎng)地大部分區(qū)域最高水位均低于696.000 m，場(chǎng)地地下水標(biāo)高分布詳圖2。

圖2 場(chǎng)地地下水標(biāo)高分布

高區(qū)結(jié)構(gòu)共兩層地下室，地下室底板板底面標(biāo)高為694.000 m，對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)持力層大部分為中密卵石層；中區(qū)結(jié)構(gòu)含一層地下室，地下室底板板底面標(biāo)高為696.000 m，對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)持力層為稍密卵石層；低區(qū)由于無地下室，則不能根據(jù)地下室底板標(biāo)高來確定基礎(chǔ)埋深。根據(jù)GB 5007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.1.2條規(guī)定[2]，除巖石地基外，基礎(chǔ)埋深不宜小于0.5 m。考慮到上部結(jié)構(gòu)為大跨度空間結(jié)構(gòu)體系，在柱底會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩，基礎(chǔ)需要有足夠的埋置深度以避免結(jié)構(gòu)整體傾覆，此時(shí)基礎(chǔ)埋深不宜過小。但是如果基礎(chǔ)埋置深度過深，對(duì)于項(xiàng)目的綜合成本會(huì)產(chǎn)生較大的影響。綜合考慮，低區(qū)的基礎(chǔ)埋深選擇在地下水位以上0.5 m(696.500 m)。

3.2 基礎(chǔ)選型

由于建筑使用功能的要求，地上結(jié)構(gòu)在一個(gè)方向?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)體系，另外一個(gè)方向則呈現(xiàn)出排架結(jié)構(gòu)的受力特性。在排架方向上，柱底將會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩作用。

根據(jù)GB 50011-2010(2016版)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.4條，高寬比大于4的高層建筑，在地震作用下基礎(chǔ)底面不宜出現(xiàn)脫離區(qū)(零應(yīng)力區(qū))；其他建筑，基礎(chǔ)底面與地基土之間脫離區(qū)(零應(yīng)力區(qū))面積不應(yīng)超過基礎(chǔ)底面積的15 %。結(jié)合本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在基礎(chǔ)選型時(shí)按照小震作用下不出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，中震作用下零應(yīng)力區(qū)不超過15 %進(jìn)行控制，同時(shí)在大震作用下對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算。

3.2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)板與外排柱連接方式

低區(qū)結(jié)構(gòu)不含地下室，但由于建筑室內(nèi)功能的需要，在±0.000標(biāo)高位置需設(shè)置一層結(jié)構(gòu)梁板，該結(jié)構(gòu)梁板與主體結(jié)構(gòu)的外排柱之間相對(duì)關(guān)系有兩種(圖3)：(1)內(nèi)部框架與外排柱直接連接；(2)內(nèi)部框架在外排柱位置設(shè)置雙柱，相互不連接。

(a) 內(nèi)部框架與外排柱連接

(b) 內(nèi)部框架與外排柱不連接

當(dāng)內(nèi)部框架與外排柱直接相連時(shí)，外排框架與內(nèi)部框架共同受力，內(nèi)部框架作為外部框架的一個(gè)支點(diǎn)，此時(shí)，與外排柱直接相連的框架柱及框架梁承受較大的荷載，而外排柱承受的彎矩有明顯減小的趨勢(shì)；在兩者相互不連接時(shí)，內(nèi)部框架與外部框架自成體系，各自受力，結(jié)構(gòu)關(guān)系簡(jiǎn)單清晰；在不同連接情況下，典型結(jié)構(gòu)柱柱底內(nèi)力比較結(jié)果詳表2。經(jīng)過綜合比較分析，最終確定的結(jié)構(gòu)體系為兩者相互連接，后續(xù)的基礎(chǔ)選型也是基于此結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行。

表2 兩種不同連接方式下外排柱柱底內(nèi)力

3.2.2 外排柱基礎(chǔ)選型

內(nèi)部框架只有一層結(jié)構(gòu)板，結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小，基礎(chǔ)做法簡(jiǎn)單，此處的基礎(chǔ)選型就不再贅述，僅針對(duì)外排柱進(jìn)行分析。典型外排柱在不同工況下的內(nèi)力情況如表3及圖4。

表3 典型柱在不同工況下的內(nèi)力

(a) 軸力

(b) 彎矩

根據(jù)小震不出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)的原則進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，結(jié)果如表4。

表4 小震作用下基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)中震零應(yīng)力區(qū)不超過15 %進(jìn)行控制，計(jì)算分析得到的基礎(chǔ)尺寸如表5。

表5 中震作用下基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果

從前文給出的內(nèi)力可以看出，外排柱在柱底將產(chǎn)生較大的彎矩作用，對(duì)于這種大跨度結(jié)構(gòu)，在大震作用下將會(huì)產(chǎn)生更大的彎矩，結(jié)構(gòu)的整體抗傾覆將直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全。因此，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段就需要對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，在驗(yàn)算過程中，不考慮土體約束對(duì)于結(jié)構(gòu)的有利作用，這種有利作用作為一種安全儲(chǔ)備(圖5)。

圖5 傾覆驗(yàn)算示意

通常將抗傾覆彎矩Mw與傾覆力矩Mcr的比值定義為抗傾覆安全系數(shù)，用該系數(shù)的大小來衡量結(jié)構(gòu)的安全度?；A(chǔ)抗傾覆驗(yàn)算簡(jiǎn)圖如圖5所示。上部結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)頂面的荷載(軸力N、彎矩M、剪力F)可以通過上部結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算模型得到。假定基礎(chǔ)為方形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)邊長(zhǎng)為b，基礎(chǔ)高度為h，結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩大小為：

Mw=(N+W)·b/2+25·b2·h·b/2

(1)

傾覆力矩大小為：

Mcr=M+F·h

(2)

抗傾覆安全系數(shù)：

(3)

在求解基礎(chǔ)尺寸時(shí)，基礎(chǔ)厚度主要受軸力大小的影響，可先假設(shè)基礎(chǔ)厚度與中震作用下的基礎(chǔ)厚度一致；然后根據(jù)預(yù)先假定的抗傾覆安全系數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)平面尺寸大小。在確定出基礎(chǔ)平面尺寸之后，再進(jìn)行基礎(chǔ)的承載力驗(yàn)算。GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]對(duì)于擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性的規(guī)定，抗傾覆安全系數(shù)不小于1.6，按照前文式(1)～式(3)計(jì)算出本項(xiàng)目在大震作用下，在不同抗傾覆安全系數(shù)下得到的基礎(chǔ)尺寸結(jié)果以及對(duì)應(yīng)的零應(yīng)力區(qū)驗(yàn)算結(jié)果(表6)。

表6 大震作用下基礎(chǔ)抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果

通過對(duì)基礎(chǔ)小震、中震和大震作用下的分析，可以看出，在承受較大彎矩作用下的的基礎(chǔ)尺寸由抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果控制。

4 抗浮初步設(shè)計(jì)

4.1 有效水浮力計(jì)算

地勘資料顯示，娛雪樂園的抗浮設(shè)計(jì)水位標(biāo)高為700.500 m。低區(qū)處于場(chǎng)地的填方區(qū)且無地下室，暫不考慮抗浮。中區(qū)地下室底板底面標(biāo)高為696.00 m，水頭高度為h=4.5m；高區(qū)地下室底板底面標(biāo)高為694.000 m，水頭高度為h=6.5m。經(jīng)計(jì)算，各區(qū)域有效水浮力詳表7。

表7 水浮力計(jì)算匯總 kN/m2

4.2 錨桿設(shè)計(jì)

在確定錨桿在底板布置方式前，首先假定單根錨桿的抗拔承載力特征值Nak，在確定抗拔特征值之后再根據(jù)不同柱跨計(jì)算各柱跨布置的錨桿根數(shù)n。本項(xiàng)目單根錨桿的抗拔承載力特征值為Nak=280kN。

該項(xiàng)目擬采用直徑為150 mm的錨桿，錨桿桿體的截面面積根據(jù)GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[3]確定：

(4)

式中：As為錨桿鋼筋截面面積；Kb為錨桿桿體的抗拉安全系數(shù)；Nak為錨桿相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)錨桿所受軸向拉力；fy為鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

錨桿的長(zhǎng)度需同時(shí)滿足以下兩種情況：(1)按照注漿體與土層粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算的長(zhǎng)度：

(5)

(2)按照注漿體與錨桿桿體粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算的長(zhǎng)度：

(6)

式中：frbk為巖土層與錨固體極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；fb為鋼筋與錨固砂漿建的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。本項(xiàng)目中，土體與錨桿體的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frbk如表8；鋼筋與錨固砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fb取2.4 MPa。經(jīng)計(jì)算，該本項(xiàng)目錨桿的長(zhǎng)度約為9 m，錨桿需要的鋼筋為1 517 mm2，錨桿大樣如圖6。

表8 土體與錨固體極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

圖6 錨桿大樣(單位:mm)

4.3 錨桿現(xiàn)場(chǎng)基本試驗(yàn)

錨桿設(shè)計(jì)完成之后，需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試錨施工并進(jìn)行基本試驗(yàn)檢測(cè)，以驗(yàn)證錨桿設(shè)計(jì)的可行性。本工程在整個(gè)場(chǎng)地的不同位置上共選擇了6組錨桿，每組錨桿由3根錨桿組成。在每組錨桿施工過程中分別考慮注漿液體稠度、注漿壓力、添加早強(qiáng)劑和速凝劑、二次注漿、添加級(jí)配碎石等的影響。錨桿直徑D=150mm，錨桿長(zhǎng)度9 m，預(yù)估承載力特征值為280 kN。

試驗(yàn)采用穿心式千斤頂、手動(dòng)油泵進(jìn)行加載，數(shù)據(jù)從壓力表中讀取；按照規(guī)范規(guī)定的加載方式進(jìn)行分級(jí)循環(huán)加載、卸載。當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)可以判定錨桿破壞:(1)錨頭位移不收斂，錨固體從巖土層中拔出或錨桿從錨桿體中拔出；(2)錨頭總位移量超過設(shè)計(jì)允許值；(3)土層錨桿試驗(yàn)中后一級(jí)載荷產(chǎn)生的錨頭位移增量超過上一級(jí)載荷位移增量的2倍。

分別對(duì)每根錨桿按照預(yù)先設(shè)定的分級(jí)進(jìn)行循環(huán)張拉試驗(yàn)，每根錨桿均加載至破壞，按照規(guī)范規(guī)定，取破壞前一循環(huán)作為抗浮錨桿的極限承載力，得到錨桿的極限承載力約為778 kN，且不同錨桿施工工藝對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不大。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，錨桿試驗(yàn)得到的承載力比按照地勘資料計(jì)算得到的承載力偏高。經(jīng)過分析認(rèn)為，試驗(yàn)時(shí)間在雨季尾期，逐漸進(jìn)入枯水期，地下水位明顯下降，較勘察時(shí)期地下水位明顯下降1.5～2 m，導(dǎo)致試驗(yàn)錨桿施工時(shí)地下環(huán)境明顯改善，水泥漿充盈系數(shù)明顯得到改善，從而使錨桿的承載力有顯著提高。

5 結(jié)論及建議

地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)必須根據(jù)上部結(jié)構(gòu)條件(如安全等級(jí)、結(jié)構(gòu)類型等)和工程地質(zhì)條件，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)工期、造價(jià)、施工條件等因素，合理選擇地基基礎(chǔ)方案。對(duì)于無地下室的大跨度結(jié)構(gòu)，要特別注意基礎(chǔ)的抗傾覆驗(yàn)算?？垢″^桿設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別注意設(shè)計(jì)采用的地質(zhì)資料與實(shí)際施工時(shí)地質(zhì)條件的差異，合理選取錨桿的抗拔承載力設(shè)計(jì)參數(shù)，以保證建筑物的安全和正常使用。