山地建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計若干問題的分析及應(yīng)對措施

蔡程輝

（北京建誼高能建筑設(shè)計研究院有限公司廈門自貿(mào)區(qū)分公司）

1 項目概況

某項目位于莆田市城廂區(qū)泗華村溪邊西側(cè)，交通條件好，周邊環(huán)境良好，以高層、多層住宅為主，還設(shè)置了沿街商業(yè)裙房的住宅小區(qū)。其中高層共2 棟樓，上部層數(shù)18～24 層，多層共3 棟樓，上部層數(shù)6～7 層，均為剪力墻結(jié)構(gòu)。1#樓層高2.90m，24 層，建筑高度69.70m；2#樓層高2.90m，18 層，建筑高度52.30m；3、5、6#樓層高2.90m，7 層，建筑高度20.40m。西側(cè)1#樓設(shè)置一層地下室，其余5 棟均設(shè)置兩層地下室。工程所在地區(qū)為莆田市，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計特征周期為0.45s，設(shè)計地震分組為第三組，抗震設(shè)防類別為丙類，即標準設(shè)防類，根據(jù)地勘報告，場地類別為Ⅱ類，地面粗糙度為B 類。項目基礎(chǔ)形式擬采用獨立基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)等基礎(chǔ)形式。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

2.1 開敞地下室是否應(yīng)按大底盤超限結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題

該工程所在場地為山地，高差較大，外圍地面絕對標高16.05～25.80m，地下室頂板絕對標高16.20～25.80m，地勢呈西、北高，東、南低形態(tài)，設(shè)有兩層地下室，其中，東側(cè)及東南角部分（高層2#、高層3#、5#、6#樓相關(guān)范圍）負二層地下室均已露出室外地面，西南角（1#樓相關(guān)范圍）負一層為全埋置地下室，開敞地下室是否可按常規(guī)地下室嵌固端在頂板進行主樓結(jié)構(gòu)設(shè)計，地下室是否屬于裙房。

2.2 不規(guī)則項的判斷問題

若地下室無法當成常規(guī)地下室設(shè)計，則應(yīng)當成主體結(jié)構(gòu)的裙房，若按大底盤多塔超限項目進行設(shè)計，參照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011-2010（以下簡稱“抗規(guī)”）3.4.3 條文說明，項目存在塔樓偏置情況（單塔或多塔合質(zhì)心與大底盤的質(zhì)心偏心距大于底盤相應(yīng)邊長20%），則該項目應(yīng)屬于特別不規(guī)則項目。

2.3 上部結(jié)構(gòu)嵌固端選取問題

嵌固端的選取影響結(jié)構(gòu)分析計算，還影響主樓底部加強區(qū)高度，間接影響工程造價。根據(jù)抗規(guī)6.1.10 第3款規(guī)定：當結(jié)構(gòu)計算嵌固端位于地下一層的底板或以下時，底部加強部位宜向下延伸至計算嵌固端，若嵌固端取在基礎(chǔ)頂，則底部加強區(qū)應(yīng)延伸至基礎(chǔ)頂。

2.4 主樓建筑高度的確定問題

室外道路地面標高低于主樓基礎(chǔ)面標高，主樓建筑高度的確定應(yīng)從基礎(chǔ)面起算或從室外道路地面低點起算，建筑高度的確定影響建筑物抗震等級、底部加強區(qū)高度、結(jié)構(gòu)分析計算等，關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全、造價等方面，應(yīng)在方案階段確認。

2.5 山地建筑高層住宅基礎(chǔ)埋深不滿足規(guī)范要求的問題

1# 樓地勢較高，主樓范圍地下室頂板標高為25.80m，室外道路消防車道標高為18.00m，用地紅線外南側(cè)距離1#樓15m 處存在場地低點泄洪渠，渠面標高為15.50m。在負一層底板面標高處基本已處在中風(fēng)化凝灰?guī)r，根據(jù)分析計算，巖石地基基礎(chǔ)埋深可適當放松，天然基礎(chǔ)至少應(yīng)滿足69.70/18≈3.97m 深，故基礎(chǔ)面埋深無法達到《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 3-2010（以下簡稱高規(guī)）第12.1.8 條所規(guī)定的埋置深度。

若結(jié)構(gòu)要滿足規(guī)定埋深要求，需加大爆破深度，施工困難，且造價太高，故應(yīng)采取其他方式解決埋深問題。

2.6 復(fù)雜地基條件的基礎(chǔ)設(shè)計方案選擇

由于項目依山而建，場地地勢為山地，坡度較大，若采用筏板基礎(chǔ)，持力層巖面高差太大，對受力不利，局部高差較低的部位可以采用素混凝土回填，但高差太大回填將導(dǎo)致浪費；由于巖面爆破困難，基坑開挖費用太大，耗時耗力，故應(yīng)盡量淺埋，減少造價，縮短工期。

根據(jù)地勘條件，1#樓地基持力層中風(fēng)化凝灰?guī)r巖面存在較大坡度，若基礎(chǔ)為獨基或筏板基礎(chǔ)，當基礎(chǔ)進入持力層深度不足時應(yīng)考慮基礎(chǔ)沿著巖面滑移的可能性；2#樓地基持力層中風(fēng)化凝灰?guī)r巖面高差太大，若單純采用筏板基礎(chǔ)無法滿足，應(yīng)考慮采用混合基礎(chǔ)形式，局部采用樁基礎(chǔ)，為節(jié)省造價，采用獨基加樁基承臺的形式布置基礎(chǔ)，由于項目本身存在開敞地下室的情況，應(yīng)建議建設(shè)方避免采用自身抗剪能力比較弱的預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，而應(yīng)采用直徑較大的灌注樁基礎(chǔ)；3#樓建筑方案無地下二層，但考慮埋深因素，且樓棟建筑高度較低，埋深較容易滿足，應(yīng)建議將基礎(chǔ)標高降到滿足規(guī)范埋深的要求，基礎(chǔ)至地下一層底板之間增加一層空腔。由此產(chǎn)生成本增加，應(yīng)由結(jié)構(gòu)專業(yè)在方案階段向建設(shè)方提出。

3 結(jié)構(gòu)計算分析及采取的措施

3.1 開敞地下室是否應(yīng)按大底盤超限結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題

該工程地下室東側(cè)及東南角負二層地下室開敞（即無覆土），經(jīng)與建筑專業(yè)協(xié)商，在地下室外側(cè)商業(yè)部分設(shè)置封閉的鋼筋混凝土外墻（局部開門洞），以提高地下室側(cè)向剛度。

根據(jù)《福建省住宅工程設(shè)計若干技術(shù)規(guī)定》執(zhí)行標準第十一條：地下室頂板厚度不應(yīng)小于180mm（室內(nèi)）、250mm（室外），板底板面通長鋼筋，直徑不應(yīng)小于B12（180mm 板厚）、B14（250mm 板厚），間距不應(yīng)大于150mm。該項目頂板主樓區(qū)板厚180mm，頂筋為C12@150，底筋為C12@150，非主樓區(qū)域板厚250mm，頂筋為C14@150，底筋為C14@150，配筋板厚均滿足福建省規(guī)定。由于地下室頂板配筋及板厚相對于國家規(guī)范要求已經(jīng)有一定加強，故地下室頂板不再另作加強。

通過盈建科計算，滿足地下室位移角1/9999，地下室水平位移、豎向位移和轉(zhuǎn)角均接近為零，剛度滿足“高規(guī)”第5.3.7 條規(guī)定“地下一層與首層的側(cè)向剛度比不小于2”的規(guī)定，此時可以認為地下室剛度足夠大，在水平力作用下側(cè)向變形很小。

因此該工程可以按常規(guī)地下室設(shè)計，地下室不屬于主體結(jié)構(gòu)的裙房，上部塔樓不按多塔考慮。

3.2 不規(guī)則項的判斷問題

上部若無須按多塔結(jié)構(gòu)考慮，則根據(jù)“抗規(guī)”3.4.3條，各樓棟僅存在扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2 及凹凸不規(guī)則兩項不規(guī)則項，可不按超限高層建筑進行設(shè)計。

3.3 上部結(jié)構(gòu)嵌固端選取問題

在地下室剛度足夠大的前提下，上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力計算分析宜分兩個模型進行計算，一個計算模型按嵌固端取至基礎(chǔ)頂面，另一個計算模型按嵌固端取至地下室頂板，再對兩個模型計算結(jié)果取包絡(luò)設(shè)計，位移、剛度比等計算指標可按嵌固端取至地下室頂板的計算模型控制。

3.4 主樓建筑高度的確定問題

山地建筑室外地面常有低于室內(nèi)的情況，此時建筑高度起算點應(yīng)取各單體建筑所在位置的室外地面最低點。

3.5 山地建筑高層住宅基礎(chǔ)埋深不滿足規(guī)范要求的問題

為滿足埋深，經(jīng)與建筑專業(yè)協(xié)商，對建筑方案調(diào)整，1#樓基礎(chǔ)采用中風(fēng)化凝灰?guī)r作為持力層，基礎(chǔ)至地下一層底板之間增加一層空腔，室外地面最不利點（取樓棟東南角道路地面）標高為18.00m，地下室頂板標高為25.80m，地下二層板面標高為21.00m，筏板基礎(chǔ)頂標高為15.30m，筏板厚度取1300mm，埋深為18—（15.3—1.3）=4m，建筑高度為69.4+7.8=77.2m，規(guī)范埋深限值為77.2/15=5.15m；2#樓基礎(chǔ)面標高為15.30m，筏板厚度1000mm，室外地面最不利點標高為16.80m，埋深為16.8—（15.3—1.0）=2.5m，建筑高度為52.3+9=61.3m，規(guī)范埋深限值為61.3/15=4.09m，由此可見，1#樓、2#樓埋深均不滿足規(guī)范要求。

根據(jù)“高規(guī)”12.1.8 條，“在滿足承載力、變形、穩(wěn)定以及上部結(jié)構(gòu)抗傾覆要求的前提下，埋置深度的限值可適當放松。基礎(chǔ)位于巖石地基上，可能產(chǎn)生滑移時，還應(yīng)驗算地基的滑移?！逼渲?#樓為巖石獨基，2#樓由于持力層存在較大高差，采用巖石混合基礎(chǔ)。故本工程仍需驗算1# 樓、2# 樓兩棟高層大震下抗滑移和抗傾覆能力，應(yīng)采取措施提高基礎(chǔ)抗剪能力。

3.5.1 1# 樓抗滑移計算分析

根據(jù)地勘，本工程持力層中風(fēng)化凝灰熔巖的基底摩擦系數(shù)μ=0.65，由計算模型可得結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為18650.939t，大震作用下地震剪力：X 向為17385.2KN，Y向為24239.6KN。

摩 擦 力 F=0.65 ×18650 ×10=121225KN ＞24239.6KN，可得結(jié)構(gòu)抗滑移滿足要求。

為增加結(jié)構(gòu)安全冗余度，基礎(chǔ)增加抗剪鍵，在巖石基礎(chǔ)上沿著x 方向采用切割方式割出兩條1000mm 寬、1000mm 深的抗剪鍵。

3.5.2 1# 樓抗傾覆計算分析

根據(jù)“高規(guī)”12.1.7、“抗規(guī)”4.2.4 規(guī)定，高寬比小于4 的高層建筑，零應(yīng)力區(qū)面積不應(yīng)超過基礎(chǔ)底面面積的15%。

根據(jù)盈建科計算結(jié)果，1#樓多遇地震下，零應(yīng)力區(qū)百分比A0/A=0%，說明結(jié)構(gòu)能良好地抵抗多遇地震下的傾覆彎矩。

罕遇地震下，零應(yīng)力區(qū)百分比A0/A=23%，總水平力標準值為X 方向17385.2kN，Y 方向24239.6kN，房屋高度H=69.4m，地下室埋深C=10.5m，重力荷載代表值G=25756t，X 方向B=15.0m，Y 方向B=41.8m，根據(jù)徐培?！稄?fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》公式2.1.21 計算可得，X方向抗傾覆力矩 Mr=5383003kN·m， 傾覆力矩Mov=986897kN·m，X 方向抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值為Mr/Mov=5.45；Y 方向抗傾覆力矩Mr=1931700kN·m，傾覆力矩Mov=1376001kN·m，Y 方向抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值為Mr/Mov=1.4。由此可見，結(jié)構(gòu)在罕遇地震工況下也可以滿足抗傾覆要求。

根據(jù)結(jié)構(gòu)零應(yīng)力區(qū)計算結(jié)果，罕遇地震工況下大部分拉應(yīng)力數(shù)值較小，通過在基礎(chǔ)南側(cè)及北側(cè)各增加兩排錨桿抵抗罕遇地震工況下的拉應(yīng)力（圖1），單根錨桿軸向拉力承載力特征值為150KN，錨桿進入持力層中風(fēng)化凝灰熔巖長度為1.5m，錨桿布置數(shù)量由罕遇地震工況下的筏板拉應(yīng)力與單根錨桿軸向拉力承載力特征值的比值得出。

圖1 1# 樓基礎(chǔ)平面布置圖

3.5.3 2# 樓抗滑移計算分析

2#樓基礎(chǔ)形式采用筏板基礎(chǔ)和樁筏基礎(chǔ)的混合基礎(chǔ)形式，基礎(chǔ)底進入完整中風(fēng)化巖面不小于300mm，14軸以東布置灌注樁，總樁數(shù)20 根，抗壓樁12 根，抗拔樁8 根，單樁豎向承載力極限值為14600kN，單樁豎向承載力特征值為7300kN；抗拔樁單樁豎向抗拔承載力極限值為1000kN。

根據(jù)地勘報告，本工程持力層中風(fēng)化凝灰熔巖的基底摩擦系數(shù)μ=0.65，由計算模型可得結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為14345.626t，大震作用下地震剪力：X 向為13301.85KN，Y 向為17160.89KN。

摩擦力0.65×14345×10=93242KN＞17160.89KN，可得結(jié)構(gòu)抗滑移滿足要求。

為增加結(jié)構(gòu)安全冗余度，基礎(chǔ)增加抗剪鍵，在巖石基礎(chǔ)上沿著x 方向采用切割方式割出兩條1000mm 寬、1000mm 深的抗剪鍵。

3.5.4 2# 樓抗傾覆計算分析

根據(jù)盈建科計算結(jié)果，2#樓多遇地震下，筏板部分零應(yīng)力區(qū)百分比A0/A=0%，說明結(jié)構(gòu)能良好地抵抗多遇地震下的傾覆彎矩。

罕遇地震下，筏板部分零應(yīng)力區(qū)百分比A0/A=19%，總水平力標準值為X 方向13301.85kN,Y 方向17160.89kN，房屋高度H=52.30m，地下室埋深C=10.3m，重力荷載代表值G=13881.17t，X 方向B=17.25m，Y 方向B=43.95m，根據(jù)徐培?！稄?fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》公式2.1.21 計算可得，X 方向抗傾覆力矩Mr=3050387kN·m，傾覆力矩Mov=600800.2kN·m，X 方向抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值Mr/Mov=5.08；Y 方向抗傾覆力矩Mr=1197250.9kN·m，傾覆力矩Mov=775100.2kN·m，Y 方向抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值Mr/Mov=1.54。由此可見，結(jié)構(gòu)在罕遇地震工況下也可以滿足抗傾覆要求。

根據(jù)結(jié)構(gòu)零應(yīng)力區(qū)計算結(jié)果，基礎(chǔ)應(yīng)設(shè)置錨桿以抵抗罕遇地震工況下的拉應(yīng)力，錨桿的相關(guān)參數(shù)及設(shè)置原則同1#樓（見圖2）。

圖2 2# 樓基礎(chǔ)平面布置圖

3.6 復(fù)雜地基條件的基礎(chǔ)設(shè)計方案選擇

針對1#樓的地基條件，通過對1#樓抗滑移計算可知，如果1#樓以中風(fēng)化凝灰熔巖為持力層，抗滑移滿足要求，可按持力層標高將筏板做成階梯狀筏板，但為提高結(jié)構(gòu)安全，仍將基礎(chǔ)做成筏板面標高統(tǒng)一的整塊筏板，不采用階梯狀基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)形式，以此提高基礎(chǔ)的抗滑移能力，減少基礎(chǔ)在巖面滑移的可能性。

針對2#樓的地基條件，由于持力層高差較大，采用混合基礎(chǔ)，前期方案階段為節(jié)省造價，采用分塊獨立基礎(chǔ)和樁基承臺，且由于地勘不夠詳盡，設(shè)計較為保守，前期根據(jù)地勘剖面圖在設(shè)計階段巖面標高與基礎(chǔ)底面標高高差大于5m 的范圍均采用樁基礎(chǔ)，后期施工過程發(fā)現(xiàn)此處巖面存在陡坡，實際巖面高度與基礎(chǔ)底部標高相差不足2m，后期出具重大變更以減少樁基數(shù)量，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況將筏板部分擴大，為提高基礎(chǔ)整體性，減少由于采用混合基礎(chǔ)形式所帶來的不均勻沉降影響，將筏板變更為筏板面標高統(tǒng)一的整塊筏板。

針對3#樓的地基條件，在條件允許下，增加一層地下室空腔，基礎(chǔ)面標高為14.00m，筏板厚度600mm，室外地面標高為16.10m，埋深為16.1—（14—0.6）=2.7m，建筑高度為20.4+9.5=29.9m，埋深規(guī)范限值為29.9/15≈2m，滿足規(guī)范對于基礎(chǔ)埋深的要求。

4 結(jié)語

⑴開敞地下室在地下室剛度很大，水平力作用下側(cè)向變形很小的情況下可以當成常規(guī)地下室設(shè)計，上部可不按多塔考慮，可不按超限項目進行設(shè)計。

⑵上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力計算分析宜分兩個模型進行計算，按嵌固端取至基礎(chǔ)頂面以及按嵌固端取至地下室頂板兩個計算模型的結(jié)果取包絡(luò)設(shè)計，計算指標按嵌固端取至地下室頂板的計算模型來進行控制。

⑶山地建筑建筑高度起算點應(yīng)取各單體建筑所在位置的室外地面最低點。

⑷基礎(chǔ)埋深不滿足規(guī)范要求時，基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)滿足罕遇地震工況下的抗傾覆、抗滑移穩(wěn)定性要求。