某商業(yè)裙房土巖組合地基分析

盧化松

(成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)股份有限公司，四川成都 610011)

1 工程概況

該項(xiàng)目位于廣西省南寧市五象新區(qū)平樂大道上。項(xiàng)目地上分為5個(gè)樓棟子項(xiàng)， 32號、35號樓為超限高層辦公，33號、34號樓為高層辦公，36號樓為多層獨(dú)立大型商業(yè)。本文主要介紹36號樓的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。36號樓為框架結(jié)構(gòu)，地下3層(局部4層)，地上4層(局部5層)，房屋高度22.900 m；地下室均為車庫，層高從上至下分別為4.0 m、3.45 m、3.45 m、3.45 m，地上1層為半開敞空間，層高6.5 m，地上2～5層層高依次為5.8 m、5.4 m、5.3 m、6.7 m。建筑效果見圖1，一側(cè)剖面如圖2所示。

圖1 建筑效果圖

本項(xiàng)目的安全等級為一級，設(shè)計(jì)使用年限50年；抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為7度(地震加速度為0.10g)，設(shè)計(jì)地震分組第一組。本場地類別為II類，場地特征周期為0.35 s，基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2(50年重現(xiàn)期)，地面粗糙類別為C類。

2 結(jié)構(gòu)布置

2.1 塔樓結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)建筑物的總高度、抗震設(shè)防烈度、建筑的平面布置及用途等情況，本工程裙房結(jié)構(gòu)體系采用框架結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)的豎向荷載通過水平梁傳到框架柱，再傳到基礎(chǔ)；水平作用力通過混凝土框架承擔(dān)。

2.2 平面布置

裙房標(biāo)準(zhǔn)柱跨為8.1 m，最大柱跨為26.8 m。標(biāo)準(zhǔn)柱截面為700 mm×700 mm；標(biāo)準(zhǔn)框架梁截面300 mm×800 mm，標(biāo)準(zhǔn)次梁截面300 mm×700 mm，最大梁截面800 mm×1 200 mm。裙房2～5層結(jié)構(gòu)平面如圖3～圖6所示。因方案和建筑功能要求，本裙房形狀較為異形，柱跨變化較大，為特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

2.3 樓蓋體系

本項(xiàng)目采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋體系,結(jié)合本工程特點(diǎn)，對幾部位樓板進(jìn)行加強(qiáng)：

(1)地上結(jié)構(gòu)嵌固部位(地下室頂板)樓板板厚取180 mm，采用雙層雙向拉通配筋，最小配筋率 為0.25%。

(2)凹凸不規(guī)則處樓板板厚取為150 mm，采用雙層雙向拉通配筋，最小配筋率為0.25%；并按照應(yīng)力分析結(jié)果復(fù)核配筋。

(3)大開洞周邊樓板厚度取為120 mm，采用雙層雙向拉通配筋，最小配筋率為0.20%。

2.4 計(jì)算嵌固端的選取

本工程地下室頂板無大洞口，設(shè)計(jì)時(shí)采用現(xiàn)澆梁板樓蓋體系，并采取措施來實(shí)現(xiàn)頂板嵌固：

(1)樓板厚取為180 mm，采用雙層雙向拉通配筋，且每層每個(gè)方向的配筋率不小于0.25%。

(2)計(jì)算考慮裙樓相關(guān)范圍內(nèi)側(cè)壁的有利貢獻(xiàn)。

采取以上措施計(jì)算的地下1層相關(guān)范圍與首層的剪切剛度比：X向γx=2.17，Y向γy=2.70均不小于2，可滿足首層嵌固的要求。

2.5 整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本項(xiàng)目根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)[1](以下簡稱《抗規(guī)》)進(jìn)行計(jì)算。塔樓的彈性分析選用北京盈建科軟件股份有限公司編制的YJK軟件(1.9.3.2版)和MADIS/GEN(2019版)軟件進(jìn)行對比計(jì)算，考慮偶然偏心地震作用、雙向水平地震作用及豎向地震作用、扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)以及施工模擬加載的影響，且考慮最不利地震

圖2 36號樓側(cè)剖面

圖3 二層結(jié)構(gòu)平面

圖4 三層結(jié)構(gòu)平面

圖5 四層結(jié)構(gòu)平面

圖6 五層層結(jié)構(gòu)平面

作用方向。

YJK與MADIS/GEN小震彈性計(jì)算結(jié)果見表1。

3 基礎(chǔ)布置

3.1 場地地層結(jié)構(gòu)及特征

根據(jù)鉆探揭露情況、結(jié)合地質(zhì)調(diào)查，本場地上覆人工填土、第四系殘積紅黏土，下層為石炭系(C)石灰?guī)r。巖土層的

表1 YJK與MADIS/GEN計(jì)算結(jié)果對比

2、表中層號指模型層號。

分布及特征分述：

(1)人工填土①(Q4ml)：以粉質(zhì)粘土、碎石和細(xì)砂為主，夾雜塊石，局部含少量腐殖質(zhì)，土質(zhì)不均，新近堆填，屬高壓縮性土。該層在場地內(nèi)大部分區(qū)域有分布，厚度變化大。

(2)紅黏土②(Q3el)：為硬塑狀態(tài)，屬中等壓縮性土。

(3)較破碎灰?guī)r③-1：風(fēng)化強(qiáng)烈，呈碎塊狀，塊徑基本在15～75 mm， RQD約50，局部夾含有黏土，屬較硬巖。

(4)較完整灰?guī)r③：巖芯多呈短柱狀，大致長60～250 mm， RQD約80。巖體較完整，屬較硬巖。該層在場地全部鉆孔揭示，屬穩(wěn)定分布地層，本次勘察未鉆穿該層。

(5)溶洞③-2：為灰?guī)r層中的溶洞，洞內(nèi)內(nèi)填充有黏性土，內(nèi)部有溶蝕現(xiàn)象，鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)掉鉆、鉆液漏失現(xiàn)象。

各土層主要分布情況詳見圖7～圖9。

圖7 地勘平面布置

圖8 地勘2-2剖斷

圖9 地勘6-6剖斷

3.2 土層工程特性指標(biāo)

本次勘察采用現(xiàn)場鉆探、原位試驗(yàn)及土工實(shí)驗(yàn)，以評價(jià)巖、土層物理力學(xué)性質(zhì)。各巖土層的試驗(yàn)方法選擇得當(dāng)，操作過程符合規(guī)范要求。

綜合各項(xiàng)測試，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)各巖土層的工程特性指標(biāo)建議值見表2。

3.3 基礎(chǔ)形式

由于場地周邊存在地鐵線路和既有房屋，經(jīng)多方論證，

表2 主要巖層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)建議值

基坑采用內(nèi)支撐形式，大大增加基樁的施工周期和成本。根據(jù)業(yè)主要求，暫不采用樁基礎(chǔ)，考慮天然基礎(chǔ)可行性。

根據(jù)GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《基礎(chǔ)規(guī)范》)[2]7.4.2條：對于建筑體型復(fù)雜，荷載差異較大的框架結(jié)構(gòu)，可采用箱基、樁基、筏基等加強(qiáng)基礎(chǔ)整體剛度，減小不均沉降。本項(xiàng)目裙房為特別不規(guī)則建筑，體形復(fù)雜、荷載差異較大，考慮采用筏板基礎(chǔ)。

基礎(chǔ)底標(biāo)高達(dá)到持力層黏土②和較破碎石灰?guī)r③-1，由于巖層起伏變化較大，基底離破碎石灰?guī)r③-1、較完整石灰?guī)r③距離0～20 m不等，考慮開挖量較大，選擇黏土②作為持力層。根據(jù)《基礎(chǔ)規(guī)范》5.2.4條修正后的地基承載力特征值為270 kPa。

4 問題提出

紅黏土和巖體的壓縮模量相差巨大，會產(chǎn)生不均勻變形[3]，這與山區(qū)地基特點(diǎn)比較相近。地基是一種散體性質(zhì)，承受作用后具有較好的應(yīng)力調(diào)節(jié)能力：壓縮模量較大區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力相對較大。因?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)的不均勻性，致使基底壓力的分布不同，常導(dǎo)致主體基礎(chǔ)承受較大的剪應(yīng)力而出現(xiàn)開裂。進(jìn)而引起上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，墻柱實(shí)際受力情況與假設(shè)不符。

目前囿于勘察技術(shù)水平，若測出土巖組合地基中每個(gè)點(diǎn)的彈性模量是比較困難，或者是經(jīng)濟(jì)上不可能實(shí)現(xiàn)。針對于地基的彈性模量，工程常采用載荷板試驗(yàn)來獲得，但僅能評估場地大致的平均狀況，不能反映不同區(qū)域的反力。

針對于土巖組合地基帶來的應(yīng)力分布不均勻、沉降不均勻、應(yīng)力集中等問題，本文通過一個(gè)工程實(shí)例，探討如何解決土巖組合地基下裙房筏板基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。

5 處理措施

5.1 基底反力不小于及沉降

采用800 mm厚度筏板+柱墩的形式，不滿足厚跨比不小于1/6的要求，屬于柔性筏板，采用彈性地基梁法計(jì)算[4]。計(jì)算得出的基底反力如圖10所示，基底反力為39～287 kPa,筏板表現(xiàn)出明顯的柔性基礎(chǔ)特征。

圖10 基底反力標(biāo)準(zhǔn)值

由于本項(xiàng)目為深大基坑開挖，最大開挖深度為21.1 m，建筑物完成后基底以下土體處于補(bǔ)償或超補(bǔ)償狀態(tài)。此時(shí)在壓縮沉降變形在建筑物最終沉降變形中占有較大比例[5]。根據(jù)《基礎(chǔ)規(guī)范》5.3.5、5.3.10和5.3.10條，計(jì)算得出的基礎(chǔ)附加應(yīng)力引起的沉降和回彈再壓縮變形如圖11、圖12所示?？梢钥闯觯救狗康淖罱K沉降主要由回彈再壓縮引起，局部沉降差已經(jīng)超出基礎(chǔ)規(guī)范相應(yīng)要求，需進(jìn)行特殊處理。

圖11 附加應(yīng)力引起沉降等值線

圖12 回彈再壓縮變形等值線

5.2 褥墊層法

墊層法實(shí)質(zhì)是將地基持力層中的軟弱地層挖除，用相對好的土進(jìn)行回填，提高承載力，這在我國已經(jīng)大量推廣應(yīng)用。

墊層法本身是利用褥墊層的擴(kuò)散作用，減小地基反力，使其能滿足承載力要求。

本工程為不均勻地基，上部結(jié)構(gòu)布置不均勻，導(dǎo)致基底應(yīng)力不均勻；因?yàn)橥翈r組合地基的存在，上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)將產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，產(chǎn)生開裂破壞。借鑒墊層法應(yīng)力擴(kuò)散的原理，將基底下直接接觸的巖石鑿除一定厚度(300～600 mm)，換填滾圓度較好的砂卵石(褥墊層)，使得巖石處的應(yīng)力減小，沉降量增加，達(dá)到基底壓力重新調(diào)平的目的。此種處理方法山區(qū)地基中已經(jīng)采用，并經(jīng)后期沉降觀測和觀察，未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫現(xiàn)象和過大沉降[2、6]。

5.3 沉降后澆帶法

根據(jù)三位位移，將裙房分區(qū)域進(jìn)行施工，如圖13所示，以減小沉降差過大引起的應(yīng)力增大。

當(dāng)?shù)鼗鶠轲ば酝粒偌雍闪窟_(dá)到卸荷量的0.20時(shí)，其產(chǎn)生的再壓縮變形量已經(jīng)接近回彈變形量的0.40～0.60；之后黏性土的再壓縮變形量增長速率逐漸降低，當(dāng)再加荷量為卸荷量的0.40時(shí)，土樣產(chǎn)生的再壓縮變形量為回彈變形量的0.70左右；當(dāng)再加荷量為卸荷量的0.60時(shí)，土樣產(chǎn)生的再壓縮變形量接近回彈變形量的0.90[7]。根據(jù)此特點(diǎn)，可以在施工過程中 根據(jù)沉降觀測情況，施工后澆帶。

圖13 后澆帶設(shè)置示意圖

5.4 過渡帶

由于超高層塔樓采用嵌巖樁基礎(chǔ)形式，沉降幾乎為零，裙房和塔樓之間存在沉降差問題。施工期間，可以通過沉降后澆帶，減小施工期間的沉降差。對于中壓縮性土，一般多層建筑物在施工期間完成的沉降量可認(rèn)為已完成最終沉降量的20%～50%[8]。鑒于此，考慮在裙房與塔樓之間設(shè)置厚1 200 mm的過渡帶，并適當(dāng)增加配筋，以抵抗房屋使用期間沉降差引起的應(yīng)力。

5.5 其他施工措施

當(dāng)卸荷比較大(R≥0.8)時(shí)，黏性土由于滯后性產(chǎn)生的回彈量約占最終總回彈量的20%～30%[7]。由圖14可知，卸荷比R≥0.8(即基坑最后開挖的0.2H)時(shí)，回彈變形增長最快，這時(shí)也是受開挖時(shí)間影響最為明顯的時(shí)期。若此時(shí)基坑靜置時(shí)間愈長，土體回彈變形滯后性發(fā)揮越充分，而且這種滯后性因基底下土層特性不同而有很大差異。

因此，在基坑施工過程中，盡可能減少基坑開挖到底以后的暴露時(shí)間。當(dāng)開挖深度完成預(yù)定開挖深度0.75倍時(shí)，應(yīng)加快基坑開挖進(jìn)度，盡早澆筑墊層、底板等地下結(jié)構(gòu)部分，以減小基坑暴露時(shí)間，從而減小基坑的回彈量。

圖14 回彈率與卸荷比關(guān)系

6 結(jié)論

本項(xiàng)目為特別不規(guī)則框架結(jié)構(gòu)，受力不均勻，基礎(chǔ)位于土巖組合地基時(shí)，基底壓力變化懸殊，基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)將承受較大的剪切應(yīng)力。

褥墊層法是將基底下直接接觸的巖石鑿除一定厚度(300～600 mm)，換填滾圓度較好的砂卵石，使得巖石處的應(yīng)力減小，沉降差減小，達(dá)到基底壓力重新調(diào)平的目的。

根據(jù)施工進(jìn)度，在裙房沉降差較大區(qū)域采取沉降后澆帶，可以減少不均勻沉降引起的應(yīng)力增大；塔樓與裙房建設(shè)置過渡帶可以進(jìn)一步減緩試用期間沉降引起的附加應(yīng)力，確保底板及上部建筑不發(fā)生明顯裂縫。