上海世茂深坑酒店坑底復雜巖質地基基礎設計

王偉杰

華東建筑設計研究院有限公司 上海 200041

1 概述

上海世茂深坑酒店的建筑造型新穎獨特，平面和立面均呈彎曲的弧線形，坑內主體建筑通過分塊箱形基礎固結在坑底弱風化基巖上，同時在坑頂B1層樓板標高處作為水平鉸接支座，為其提供水平方向約束，深坑上下均有約束，主體結構形成2點支承結構體系。

三維激光掃描技術是從復雜實體或實景中重建目標的全景三維數據及模型，主要是獲取目標的線、面、體、空間等三維實測數據并進行高精度三維逆向建模的技術。三維激光掃描技術集光、機、電等各種技術于一身，它是從傳統測繪計量技術并經過精密的傳感工藝整合及多種現代高科技手段集成而發展起來的，是對多種傳統測繪技術的概括及一體化[1-2]。

面對深坑酒店復雜的坑底地貌環境，應用三維激光掃描技術，逆向建立巖面三維模型，完整地反映巖面同主體建筑的關系，指導坑底基礎設計。

2 三維激光掃描技術應用

世茂深坑酒店主體建筑設計位于地質深坑內，依崖壁建造，總建筑面積約60 000 m2（圖1）。酒店主體建筑分為地上部分、地下至水面部分以及水下部分。其中地上建筑2層（局部帶1層地下室），高度約10 m；地下至水面建筑共14層，高度約53.6 m；水下部分建筑2層，高度約10.4 m；建筑總高度約為74 m。

圖1 深坑酒店效果圖

坑內主體結構采用分塊箱形基礎與筏形基礎相結合的形式，基礎持力層為弱風化基巖（安山熔巖）。由于坑內地形起伏很大，坑底坡腳處部分基巖和建筑相碰，需要爆破清除。

三維激光掃描技術能完整并高精度地重建掃描實物及快速獲得原始測繪數據，可以真正做到直接從實物中進行快速的逆向三維數據采集及模型重構，其激光點云中的每個三維數據都是直接采集的真實數據，后期處理的數據完全真實可靠。

針對項目特點，在坑內中心點附近及上部坑口周邊各布置3個站點，通過這6個站點的掃描信息可以基本完整地反映深坑的基本特征。

地質深坑實景如圖2所示，掃描后建立坑底三維模型如圖3所示，基于三維激光掃描技術的高效率、高精度、逼近原形的獨特優勢，結合三維激光掃描技術，完善地形測繪資料，為深化基礎設計提供了可靠的計算依據。

圖2 基礎巖面實景

圖3 基礎巖面掃描圖

3 巖質地基基礎設計規范要求

深坑酒店坑底采用箱形基礎與筏基相結合的形式，基于三維掃描得到的坑底三維實體模型，對坑底巖質地基基礎進行設計。巖質地基上的獨立柱基，由于地基承載力很高（坑底微風化安山巖巖石地基的承載力在1 700 kPa左右）、基礎底面尺寸較小的特點，抗沖切通常都能滿足，基礎高度主要由抗剪承載力來決定。

根據國標GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》（下稱“國標《地基規范》”）第8.1.1條對無筋擴展基礎的要求，當基礎單側擴展范圍內基礎底面處的平均壓力值超過300 kPa時，應按式（1）計算（適用于除巖石以外的地基）：

式中：Vs——相應于基本組合時的地基平均凈反力產生的沿墻（柱）邊緣或變階處的剪力設計值；

ft——混凝土軸心抗拉強度設計值；

A——沿墻（柱）邊緣或變階處基礎的垂直截面面積。

根據重慶市工程建設標準DBJ 50-047—2006《建筑地基基礎設計規范》（下稱“重慶市《地基規范》”）第8.2.2條對無筋擴展基礎的要求，當基礎單側擴展范圍內基礎底面處的平均壓力值超過300 kPa時，按式（2）計算：

由式（1）、式（2）可知，重慶市《地基規范》中對于巖石地基無筋擴展基礎承載力計算值比國標《地基規范》高。在實際工程中，當地基承載力特征值較高時（如超過300 kPa），通常采用鋼筋混凝土基礎，避免采用無筋擴展基礎。

根據國標《地基規范》第8.2.9條對鋼筋混凝土擴展基礎的要求，應按式（3）、式（4）計算：

式中：βhs——受剪切承載力截面高度影響系數；

A0——驗算截面處基礎的有效截面面積；

h0——基礎剪切破壞錐體的有效高度。

國標GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》（下稱“國標《混凝土規范》”）第6.3.3條規定的斜截面受剪承載力公式，適用于一般板類構件，尤其適用于薄板，國標《地基規范》第8.2.9條直接采用國標《混凝土規范》的計算公式〔式（3）〕進行厚板的受剪承載力計算，導致計算所需的基礎有效面積增加較多。

國標《地基規范》對筏板基礎的抗剪設計規定（第8.4.10條）中，取用柱（墻）邊緣h0處的剪力設計值，采用的是減小剪力設計值的方法；而對樁承臺的抗剪設計規定（第8.5.21條）中，引入剪切系數β，采用的是增大基礎抗剪承載力的辦法，兩者處理方法雖然不同，但減小基礎截面高度的目的是一致的。經比較可以發現，在實際工程中，完全不考慮基礎底板厚度對單向受力的獨立基礎抗剪承載力的影響，這一做法偏于保守。

廣東省標準DBJ 15-31—2016《建筑地基基礎設計規范》（下稱“廣東省《地基規范》”）第9.2.7條規定，Vs取距柱邊h0/2處的計算值。

實際工程設計時，建議按國標《地基規范》第8.2.9條并考慮剪切系數，與廣東省《地基規范》計算結果取包絡設計。

由現行規范對基礎抗剪計算可知，按國標《地基規范》進行擴展基礎抗剪驗算時，基礎設計偏于安全。

本工程仍按國標《地基規范》第8.2.9條進行抗剪驗算，基礎設計偏于安全。

4 巖質地基基礎設計有限元分析

對基底反力集中于立柱附近的巖質地基，基礎的抗剪驗算條件應根據各地區具體情況確定。巖石地基上擴展基礎的基底反力曲線是一倒置的馬鞍形，呈現出中間大，兩邊小，到了邊緣又略為增大的分布形式，反力的分布曲線主要與巖體的變形模量和基礎的彈性模量比值、基礎的高寬比有關。

采用有限元進行分析計算，研究巖體的變形模量和基礎的彈性模量比值、基礎的高寬比2個參數對基礎承載力的影響。

4.1 模量比值

采用有限元分析軟件，用20 m×20 m×20 m的實體模型模擬無限大空間巖石地基，上部獨立基礎為3 m×3 m×2 m，獨立基礎上部作用φ900 mm鋼管混凝土柱，建立如下圖4所示的三維分析模型，模型網格劃分如圖5所示。獨立基礎及鋼管混凝土柱的混凝土強度等級采用C60，本構模型采用混凝土損傷塑性模型，巖石地基本構模型采用摩爾-庫倫塑性模型。

選取某個鋼管混凝土柱上內力F=15 300 kN，研究地基不同彈性模量情況下基底應力分布情況。計算如下3種工況：

1）模型1：地基彈性模量E1=5.5 GPa（本工程巖體實際彈性模量）。

2）模型2：地基彈性模量E2=55 GPa（本工程巖體實際彈性模量的10倍）。

3）模型3：地基彈性模量E3=0.55 GPa（本工程巖體實際彈性模量的1/10）。

上述3個模型基底應力分布云圖如圖6～圖8所示。

圖4 三維實體模型

圖5 三維模型網格劃分

圖6 模型1基底局部應力云圖

圖7 模型2基底局部應力云圖

圖8 模型3基底局部應力云圖

上述3個模型基底應力的水平及垂直方向分布如圖9、圖10所示。

圖9 基底應力水平方向分布

圖10 基底應力垂直方向分布

由基底應力分布圖可知：

1）當地基彈性模量較小時，基礎底部中間應力較為均勻，邊緣有明顯的應力集中。

2）隨著地基彈性模量的逐漸增大，基底應力模式發生較大變化，基底應力逐漸向中間轉移，呈中間大、兩邊小、邊緣局部大的分布模式，非線性特征強。

3）隨著地基彈性模量逐漸增大，基礎的破壞模式由受彎破壞逐漸向局部承壓破壞轉變。

4）當深度大于1倍基礎寬度時，地基彈性模量變化對地基內部應力分布影響較小。

因此，當地基彈性模量相對較大時，由于基底反力向中間轉移，上部基礎受到的實際剪力值將小于由國標《地基規范》第8.2.9條計算的剪力值，故按國標《地基規范》第8.2.9條進行基礎抗剪驗算時，基礎設計偏于安全。當地基彈性模量較?。ㄈ畿浫跬翆拥龋r，由于基底應力較為平均（除基礎邊緣外），按國標《地基規范》第8.2.9條進行基礎抗剪驗算時，與實際受力情況吻合較好。

4.2 基礎高寬比

類似上述分析過程，建立典型三維模型，研究上部基礎不同高寬比情況下的基底應力分布情況。地基彈性模量根據實際情況取值，計算如下3種情況：

1）模型1：基礎尺寸3 m×3 m×2 m，基礎高寬比2/3（本工程基礎實際高寬比）。

2）模型4：基礎尺寸3 m×3 m×1 m，基礎高寬比1/3。

3）模型5：基礎尺寸3 m×3 m×3 m，基礎高寬比1。模型1基底應力分布云圖詳見圖6，模型4、模型5基底應力分布云圖如圖11、圖12所示。

圖11 模型4基底局部應力云圖

圖12 模型5基底局部應力云圖

上述3個模型基底應力的水平及垂直方向分布如圖13、圖14所示。

由基底應力分布圖可知：

1）當基礎高寬比較大時，基礎底部中間應力較為均勻，邊緣有明顯的應力集中。

2）高寬比愈大，基礎反力分布愈均勻；高寬比愈小，基礎反力分布愈不均勻。隨著基礎高寬比的逐漸減小，基底應力模式發生較大變化，基底應力逐漸向中間轉移，呈中間大、兩邊小、邊緣局部大的分布模式，非線性特征強。

3）基礎高寬比的減小引起的基底應力變化情況與地基彈性模量增大的情況類似。

4）當深度大于1倍基礎寬度時，地基彈性模量變化對地基內部應力分布影響較小。

圖13 基底應力水平方向分布

圖14 基底應力垂直方向分布

5 結語

通過三維激光掃描技術得到坑底巖面三維模型，指導坑底基礎設計。通過對比現行規范有關獨立基礎設計要求，并通過有限元分析計算，可得到如下結論[3-4]：

1）三維激光掃描技術，大大減少了現場測量的工作量，極大地提高了工作效率。

2）當地基承載力較高時，按國標《地基規范》進行擴展基礎抗剪驗算時，基礎設計偏于安全。

3）巖質地基變形模量與上部基礎的彈性模量比值、上部基礎的高寬比對地基內應力分布情況有較大影響。

通過有限元分析計算巖質地基變形模量、基礎高寬比對地基內部應力分布的影響，為巖質地基基礎設計提供參考。