某高層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式探討

吳軍利 趙智云 張支唐

(1．陜西省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，陜西西安 710003;2．河北東明集團，河北石家莊 052360)

1 工程概況

某高層商住樓位于陜西省南部某山區(qū)縣城內(nèi)，擬建建筑的北側(cè)現(xiàn)有一棟7層高住宅樓，南面臨河，東與小學(xué)校園相接，西側(cè)為在建某單位綜合樓(20層)。本工程共30層，1層～5層為大空間的商業(yè)、辦公用房，6層～30層為住宅，1層～3層層高4．2 m，4層層高3．9 m，5層層高5．4 m(轉(zhuǎn)換層)，6層～30層層高3 m，建筑總高度96．9 m。底部兩層在北側(cè)和東側(cè)周圍有擋土，其他兩面臨空。

2 場地概況

依據(jù)GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范，該建筑抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0．05g;設(shè)計地震分組為第二組;建筑場地類別為Ⅱ類，設(shè)計特征周期值為0．40 s。依據(jù)巖土工程詳勘報告，本工程重要性等級為二級，巖土工程勘察等級為乙級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級。本場地地貌單元屬河流左岸Ⅰ級階地。

據(jù)勘探揭露，場地內(nèi)地層自上而下依次為:第四系全新統(tǒng)雜填土(Qml4)和下古生界寒武系下統(tǒng)魯家坪組(∈)板巖;地層編號為①，②。各層巖土的野外特征及埋藏條件分述如下:

①層雜填土(Qml4):主要由漂卵石、圓礫及粘性土組成，混少量建筑垃圾和生活垃圾。結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)不均勻。層厚0．50 m～3．10 m，層底深度 0．50 m ～ 3．10 m，層底相對標(biāo)高 92．30 m ～95．80 m，遍布場地。

②層板巖(∈):深灰～黑灰色，經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用形成。層狀結(jié)構(gòu)，單斜構(gòu)造。巖層現(xiàn)狀為走向NW-SE，傾向NE30°～35°，傾角52°～60°。

按其風(fēng)化程度分為三個亞層:

②-1層強風(fēng)化板巖:節(jié)理、層理和裂隙發(fā)育，巖芯多呈薄片狀、碎塊狀。層厚1．60 m ～2．80 m，層底深度 2．50 m ～5．60 m，層底相對標(biāo)高89．80 m ～93．80 m。

②-2層中風(fēng)化板巖:節(jié)理、層理和裂隙較發(fā)育，巖芯多呈塊狀。層厚 2．540 m ～2．60 m，層底深度 7．20 m ～10．00 m，層底相對標(biāo)高85．80 m ～88．80 m。

②-3層微風(fēng)化板巖:節(jié)理裂隙不甚發(fā)育，巖體較完整，基本質(zhì)量等級為Ⅱ類。鉆進艱難，巖芯呈短柱狀、柱狀。未穿透，最深鉆入該層 10．60 m。

勘察期間，各勘探點在勘探深度范圍內(nèi)均未見到地下水。經(jīng)對周圍地面調(diào)查與走訪綜合分析，未發(fā)現(xiàn)影響場地穩(wěn)定的不良地質(zhì)作用，適宜建筑。

據(jù)室內(nèi)試驗成果，②-2層中風(fēng)化板巖在天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下單軸抗壓強度數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 巖石單軸抗壓強度試驗結(jié)果統(tǒng)計表

根據(jù)野外鉆探情況及表1統(tǒng)計結(jié)果可知:

②-1層板巖:強風(fēng)化，巖芯呈薄片狀或碎塊狀，巖芯采取率大于70%，工程性能較好。

②-2層板巖:中等風(fēng)化，巖芯呈塊狀或短柱狀，巖芯采取率大于80%，飽和單軸抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值達61．4 MPa，屬堅硬巖，強度高，工程性能良好，是良好的天然地基或樁端持力層。

②-3層板巖:微風(fēng)化，巖芯呈短柱狀或柱狀，巖芯采取率大于90%，工程性能良好，是良好的樁端持力層。

根據(jù)建(構(gòu))筑物地基巖土工程勘察任務(wù)委托書和工程地質(zhì)剖面圖可知，基礎(chǔ)埋深為－7．8 m(相當(dāng)于標(biāo)高92．2 m)，基底持力層為②-1和②-2板巖，兩種巖(土)體工程性能相差較大，地基屬不均勻地基。

據(jù)室內(nèi)試驗成果，結(jié)合地區(qū)建筑經(jīng)驗，綜合確定的各層地基土承載力特征值列于表2。

表2 地基土承載力特征值fk kPa

該場地地表下勘探深度范圍內(nèi)均無地下水，無可液化土層分布，設(shè)計時可不考慮地震液化問題。

3 結(jié)構(gòu)計算概況

根據(jù)建筑功能需要，本工程結(jié)構(gòu)為在第5層(結(jié)構(gòu)計算層)設(shè)置轉(zhuǎn)換層的部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，屬于復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)。本工程計算采用中國建筑科學(xué)研究院建研科技股份有限公司編寫的“多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件”(墻元模型)，即2008年版的PKPM系列軟件SATWE程序。考慮到下部的兩層地下室四周擋土情況差異較大，設(shè)計要求擋土側(cè)事先做成獨立于主體的擋土墻，避免下部由于混凝土墻設(shè)置不均勻而造成整體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。這樣計算的嵌固端就位于基底，結(jié)構(gòu)屬于無地下室的高層建筑。由于本工程位于6度抗震設(shè)防區(qū)，基本風(fēng)壓0．45 kN/m2，底層框支柱基本由軸壓比控制，最大截面為1 250 mm×1 250 mm。經(jīng)計算知，各樓層的平均單位面積質(zhì)量約為14．75 kg/m2，底層的剪重比約為0．82%，底層框架柱承擔(dān)的地震傾覆彎矩X方向約為5．54%，Y方向約為9．45%，轉(zhuǎn)換層上一層(6層)與轉(zhuǎn)換層的樓層側(cè)向剛度比為1．474 5(X向)和1．585 7(Y向)，滿足規(guī)范對于轉(zhuǎn)換層與相鄰上一層側(cè)向剛度比限值的要求。主要計算結(jié)果如下:

1)高位轉(zhuǎn)換時轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比如下:

采用的樓層剛度算法:剪彎剛度算法。

轉(zhuǎn)換層所在層號=5。

轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)起止層號及高度=1，5，21．90。

轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)起止層號及高度=6，12，21．00。

X方向下部剛度=0．764 7E+07，X方向上部剛度=0．883 9E+07，X 方向剛度比 =1．108 4。

Y方向下部剛度=0．954 0E+07，Y方向上部剛度=0．119 0E+08，Y 方向剛度比 =1．196 2。

剛度變化基本均勻，滿足規(guī)范對于高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比的要求。

2)抗傾覆驗算結(jié)果(見表3)。

表3 抗傾覆驗算結(jié)果

3)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗算結(jié)果。

X向剛重比EJd/GH×2=6．52。

Y向剛重比 EJd/GH×2=6．65。

該結(jié)構(gòu)剛重比 EJd/GH ×2 ＞1．4，能夠通過高規(guī)(5．4．4)的整體穩(wěn)定驗算。該結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH×2＞2．7，可以不考慮重力二階效應(yīng)。

4 基礎(chǔ)形式探討

由于本工程屬于在第5層設(shè)置轉(zhuǎn)換層的高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，依據(jù)規(guī)范要求，基礎(chǔ)應(yīng)有良好的整體性及抗轉(zhuǎn)動能力。本工程沒有設(shè)置地下室，基礎(chǔ)直接坐落于板巖上，屬于直接坐落于基巖上的淺基礎(chǔ)。由地質(zhì)報告知，主樓北側(cè)地基置于②-2中風(fēng)化板巖上，而南側(cè)地基置于②-1強風(fēng)化板巖上。兩種巖體工程性能有一定差異，屬于不均勻場地。地勘報告建議本工程基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，以②-2中風(fēng)化板巖為樁端持力層，采用人工挖孔鋼筋混凝土灌注嵌巖樁穿透②-1強風(fēng)化板巖進入②-2中風(fēng)化板巖。鑒于本工程基坑實際開挖結(jié)果:基底基本全在②-3層微風(fēng)化板巖上，地基持力層豎向承載力較高，場地均勻，地基的豎向承載力能夠保證。因此本工程基礎(chǔ)設(shè)計的難點在于采用何種基礎(chǔ)形式來保證巖石地基上淺基礎(chǔ)的抗滑移及整體穩(wěn)定性。

由于本建筑底層的剪重比約為0．82%，采用樁筏基礎(chǔ)，可以利用筏板與地基之間的摩擦力來抵抗地震、風(fēng)等水平荷載作用下的水平力，再加上灌注樁的抗水平荷載的作用，地基的抗滑移及整體穩(wěn)定問題應(yīng)該可以容易得到保證。缺點是采用整體筏板混凝土及鋼筋用量較大，經(jīng)濟性稍差。

由計算結(jié)果知，柱底內(nèi)力無拉力出現(xiàn)，計算的基底零應(yīng)力區(qū)為零，所以結(jié)構(gòu)的抗傾覆能夠得到保證。若采用柱下樁基加承臺的基礎(chǔ)形式，只要灌注樁能夠抵抗結(jié)構(gòu)的水平作用，能夠保證結(jié)構(gòu)的抗滑移穩(wěn)定性，也是可行的。

經(jīng)與甲方溝通，本工程基礎(chǔ)最終采用柱下樁基加承臺的基礎(chǔ)形式，為提高基礎(chǔ)的安全性，設(shè)計時柱下灌注樁按承擔(dān)中震作用下整體結(jié)構(gòu)的水平剪力進行計算，確保灌注樁在中震水平作用下處于不屈服狀態(tài)。

［1］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．

［2］GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］．