黃石市體育館基礎設計

徐如貴

1 工程概況

黃石市體育館位于湖北省黃石市廣場南路，總建筑面積40 858 m2，其中地上部分面積為16 983 m2，地下部分為23875 m2;地上總高33.71 m，局部2層;地下室建筑功能除體育館功能外其余為超市，超市面積為13 575 m2，地下室局部加深為地下2層。本工程除屋蓋(直徑為86 m)為鋼結構外其余均為鋼筋混凝土框架結構。地下室圓形部分直徑為160 m，左部分約72 m×72 m，整個地下室連為一體。總長231.6 m，出地面上部建筑范圍僅中間圓形部分直徑為106 m;基礎底板面標高主要為-6.450，局部加深處為-10.100，室內外高差為0.3 m(見圖1)。

2 基樁設計

2.1 地質情況

土層由表至深依次為:①層素填土;②層淤泥質土;③層粉質黏土;④層粉質黏土;⑤層全風化閃長巖;⑥層強風化閃長巖;⑦層中風化閃長巖。各層土高低起伏較大，基礎底位于③層，④層，⑤層土(主要位于④層);局部加深處基礎底位于③層，④層，⑤層土(主要位于④層，⑤層)。基礎底板距⑦層中風化閃長巖表面深度范圍為5.5 m～15 m。基礎底板距⑦層巖石表面深度大部分在8 m左右;加深處底板距⑦層巖石表面深度范圍為3.5 m～9 m，大部分為5 m左右。中風化閃長巖樁端承載力特征值為2 500 kPa。抗浮水位同室外地面標高。

2.2 樁類型的選擇

本工程除考慮豎向承壓外還必須進行抗浮設計，大部分樁是以抗拔控制設計，在豎向承壓工況時也兼作承壓樁，根據地質報告，③層不宜作為地基淺基礎持力層，④層，⑤層均可作為淺基礎持力層。由于底板位于③層，④層，⑤層土內，體育館圓形中部上部結構柱軸力大，故在基礎承壓設計時采用樁基，樁端持力層選為⑦層中風化閃長巖。結合地質報告，由于該層土埋置深度變化較大，設計選用人工挖孔灌注樁基礎，確保基樁進入中風化巖石持力層，挖孔樁采用鋼筋混凝土護壁。即本工程承壓和抗拔均采用嵌巖樁。

2.3 樁進入持力層深度的確定

一般情況下樁進入持力層(中風化閃長巖)最小深度為600 mm。由于本工程持力層深度埋深變化較大，基底至持力層表面深度較小處為3.5 m～5 m，為區別于墩基礎，符合樁基礎設計意圖，對于有受壓功能的樁，除了滿足設計要求最小嵌巖深度600 mm外，樁的長度均不小于 6 m，同時樁長均須大于擴大頭直徑的3倍[1]。并且滿足相鄰樁間的樁底高差 h小于樁凈距s(見圖2)。

2.4 樁承載力的估算

1)本工程抗浮計算工況時部分樁為抗拔樁，在豎向受壓計算工況時上部軸力完全由樁承擔，故須分別確定樁的抗拔承載力及抗壓承載力。本工程樁持力層選⑦層中風化閃長巖石，基巖飽和單軸抗壓強度標準值 frk=10.4 MPa，堅硬程度為軟巖，局部夾有相對軟弱的較破碎層。《地勘資料》結合當地經驗提供樁端基巖允許承載力特征值qpa=2 500 kPa。在樁受壓承載力的估算中，《地勘資料》推薦按JGJ 94-2008建筑樁基技術規范中公式5.3.6計算:

其中，qsik，qpk分別為樁側第i層土極限側阻力標準值及極限端阻力標準值;Ψsi，Ψp分別為大直徑樁側阻力、端阻力尺寸效應系數。

本工程樁護壁采用混凝土護壁，厚為150，按以上公式估算樁承載力時，樁身周長u按護壁外直徑計算，即計算直徑為樁身直徑+300。

2)單樁抗拔力估算按JGJ 94-2008建筑樁基技術規范中公式5.4.6-1計算:Tuk= ∑λiqsikuili。其中，λi為抗拔系數。

由于本工程樁端進入中風化巖石層有0.6 m～3m，對于進巖石層深的樁，巖石層以上樁長小，且進入巖石層段對抗拔承載力的提供應是很大的，但《地質資料》對巖石層未提供側阻力qsik(一般工程抗拔樁不會嵌入巖石層，本工程由于巖石層埋深起伏大同時考慮樁受壓而有此情況)，設計中對此部分嵌巖段抗拔承載力的提供采用如下方法估算。借鑒JGJ 94-94建筑樁基技術規范[2]中公式5.2.11-3:

其中，Qrk為樁嵌巖段總極限側阻力;ζs為嵌巖段側阻力修正系數;frc為巖石飽和單軸抗壓強度標準值;當嵌巖段深度 hr≥0.5d(樁身直徑)時，ζs取值不小于0.025，按JGJ 94-94建筑樁基技術規范表5.2.11嵌巖段為中風化巖石時ζs乘以0.9，即可看作嵌巖段樁側極限側阻力標準值 qsik=0.9×0.025×10 400=234 kPa。單樁抗拔力設計估算時 qsik按200 kPa取值，嵌巖段抗拔系數λi按0.7取值，且不考慮樁端擴大頭的有利作用，由此計算單樁抗拔力。

2.5 樁的檢驗

本工程各類樁總數為1 134根，試樁數為17根，其中抗拔試樁為10根，抗壓試樁為7根。有抗壓功能的樁隨機抽取7根在相應孔位作基巖載荷試驗，明確基巖承載力特征值。同時此類樁在施工成孔后作施工勘察，確保樁底下5 m范圍內不存在破碎帶、軟弱夾層等不良地質條件。樁施工完成后直徑為900及1 000的樁采用鉆孔抽芯法檢測樁身質量，此類樁抽檢數量不少于10%，且每個承臺下不少于1根[3];對于直徑為800的樁采用低應變對樁身質量檢測，本工程設計要求除鉆芯抽檢的樁外均作低應變檢測。

3 筏板設計

1)目前樁筏基礎的設計業內普遍按樁筏共同作用理論進行計算。此類樁筏設計，涉及到群樁計算理論、筏板計算理論和樁間土承載力計算理論。通常利用有限元分析方法，根據靜力平衡、邊界上豎向位移連續、節點對應關系，引入支承約束條件進行程序編制，設計中，樁簡化為豎向彈簧支承在筏板下，然后進行筏板分析，通過樁基剛度矩陣、底板剛度矩陣、基礎位移向量、上部荷載等效矩陣建立的基本方程[4，5]，求解得到筏板位移向量，從而給出底板內力。

群樁的沉降主要與荷載水平、樁距、樁數、土層條件等有關，樁端刺入彎形小，可忽略不計，群樁中每根樁的沉降表示成樁身壓縮和該樁位置的樁端沉降之和，群樁中j樁的剛度可表示成樁頂荷載與樁頂沉降的比值:Kj=Pj/Sj=Pj/(Sbj+Spj)。其中，Pj為 j樁樁頂荷載;Sj為j樁樁頂沉降;Sbj為樁端沉降;Spj為樁身壓縮。

筏板—樁基共同作用分析方程可以用下式表達:

其中，[KF]，[KP]分別為筏板結構和樁基結構的剛度矩陣;{U}為基礎位移向量;[P]為上部荷載等效矩陣。通過以上表達式建立其基本方程，即可得樁基節點位移從而得筏板各節點內力。

2)本工程按如下方法進行簡化:筏板上框架柱作為支點，筏板(承臺)按倒置樓蓋考慮，承受柱下樁反力及水浮力作用(見圖3)，從而簡化為獨立承臺+防水板的基礎模式。按圖3確定筏板(承臺)內力，柱下筏板(承臺)厚度按沖切確定。

考慮到實際情況樁頂有位移且各承臺下樁長有較大變化而形成的柱下相對位移，按以上簡化計算配筋結果作了一定程度的放大，防水板迎水面裂縫按0.2 mm控制。

4 基礎的平面超長處理措施

1)基礎混凝土采用摻入適量微膨脹劑以補償混凝土收縮;摻入量為混凝土膠凝材料的8%～10%[6];2)設置多條后澆帶;3)混凝土的水泥應優先采用水化熱低的品種且混凝土施工過程中要求加強養護;4)適當增加鋼筋用量。

5 結語

1)樁端持力層埋深變化大，選用人工挖孔樁對確保樁進入持力層深度的檢查驗收直觀簡單，有利確保滿足設計要求。2)抗拔樁承載力估算時嵌巖段部分側阻力 qsik參照JGJ 94-94建筑樁基技術規范中公式5.2.11-3，取嵌巖段 qsik=0.9ζsfrc，所估算的單樁抗拔力通過試樁檢測符合要求。3)嵌巖樁筏有別于軟土地基上的樁筏，設計中忽略樁頂位移可按倒置樓蓋計算，但計算配筋結果宜作適當放大(因實際存在整體彎曲影響)。

[1] 《全國民用建筑工程設計技術措施——結構》編委會.全國民用建筑工程設計技術措施——結構[M].北京:中國計劃出版社，2003.

[2] JGJ 94-94，建筑樁基技術規范[S].

[3] GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規范[S].

[4] 郭淑卿.多塔大底盤結構的樁筏基礎優化設計[J].建筑結構，2009(11):94-96.

[5] 金振奮，陳云敏，干 鋼.高層主裙樓變厚度樁筏基礎數值試驗[J].工程設計學報，2003(4):224-228.

[6] GB 50119-2003，混凝土外加劑應用技術規范[S].