某大跨度空間結構基礎選型及抗浮設計

羅仕偉

(成都基準方中建筑設計有限公司，四川成都 610017)

隨著社會的不斷發展，人們對于大型公共文化旅游場所的需求不斷增加，大量大跨度公共建筑應運而生。與傳統的結構類型相比，此類結構對于基礎的要求更高[1]。選擇合理的基礎形式不僅能使基礎得到更大程度的發揮，還能節約成本，提高工程的經濟效益。本文結合具體的工程實例，對于基礎的選型過程做了詳細的介紹，為類似工程的基礎設計提供參考。

1 工程概況

整個項目由娛雪樂園、水樂園和停車樓三部分建筑組成。總建筑面積37.05×104m2，其中地上建筑面積31.12×104m2，地下建筑面積5.93×104m2。其中，娛雪樂園是為滿足新型綜合滑雪旅游產業的需求而特別定制的特大型休閑娛樂類建筑。為模擬自然的冰雪環境，娛雪樂園的公共區域接近無柱空間，跨度從174 m漸變到94 m，高度由35 m漸變至85 m。娛雪樂園平面尺寸長428 m，為減小結構單體長度并簡化結構受力的復雜性，共設置兩道兩條結構縫，將整個建筑分為三部分：北側(低區)、中部(中區)和南側(高區)(圖1)。

項目低區處于場地填方區域,無地下室,采用框架結構；中區采用框架結構形式,含一層地下室；高區結構形式為框架結構+鋼支撐及屈曲約束支撐,共兩層地下室。

圖1 娛雪樂園整體平面分縫示意

2 工程地質概況

2.1 場地土層分布及力學性能

地勘資料顯示，場地上覆第四系人工填土，其下由第四系全新統河流沖洪積成因的粉土、砂及卵石組成，其各土層力學性能指標如表1所示。

表1 力學性能指標

2.2 地下水

勘察期間處于豐水期初，測得第四系孔隙潛水穩定水位埋深在地表以下0.2～6.5 m；標高693.42～696.42 m，平均694.89 m。根據場地地層條件、地下水位埋深、場平標高、回填土性質、回填情況和建設單位提供的黑石河水位觀測資料，擬建雪樂園的抗浮水位可按700.50 m考慮。

3 基礎選型

對于上部結構為框架的基礎形式，一般根據土層不同可以選擇獨立基礎或樁基礎。勘測資料顯示該場地卵石層中含有大量漂石，漂石的穿透難度大，沉樁條件一般。本文主要從天然獨立基礎的角度分析基礎選型的思路。

3.1 基礎持力層及埋深的選取

本工程±0.000標高為702.500 m，地勘資料顯示，場地的地下水水位標高為693.42～696.42 m左右，整個場地水位呈現東北高，西南低的趨勢；場地大部分區域最高水位均低于696.000 m，場地地下水標高分布詳圖2。

圖2 場地地下水標高分布

高區結構共兩層地下室，地下室底板板底面標高為694.000 m，對應的基礎持力層大部分為中密卵石層；中區結構含一層地下室，地下室底板板底面標高為696.000 m，對應的基礎持力層為稍密卵石層；低區由于無地下室，則不能根據地下室底板標高來確定基礎埋深。根據GB 5007-2011《建筑地基基礎設計規范》5.1.2條規定[2]，除巖石地基外，基礎埋深不宜小于0.5 m。考慮到上部結構為大跨度空間結構體系，在柱底會產生較大的彎矩，基礎需要有足夠的埋置深度以避免結構整體傾覆，此時基礎埋深不宜過小。但是如果基礎埋置深度過深，對于項目的綜合成本會產生較大的影響。綜合考慮，低區的基礎埋深選擇在地下水位以上0.5 m(696.500 m)。

3.2 基礎選型

由于建筑使用功能的要求，地上結構在一個方向為框架結構體系，另外一個方向則呈現出排架結構的受力特性。在排架方向上，柱底將會產生較大的彎矩作用。

根據GB 50011-2010(2016版)《建筑抗震設計規范》4.2.4條，高寬比大于4的高層建筑，在地震作用下基礎底面不宜出現脫離區(零應力區)；其他建筑，基礎底面與地基土之間脫離區(零應力區)面積不應超過基礎底面積的15 %。結合本工程的結構特點，在基礎選型時按照小震作用下不出現零應力區，中震作用下零應力區不超過15 %進行控制，同時在大震作用下對基礎進行抗傾覆驗算。

3.2.1 內部結構板與外排柱連接方式

低區結構不含地下室，但由于建筑室內功能的需要，在±0.000標高位置需設置一層結構梁板，該結構梁板與主體結構的外排柱之間相對關系有兩種(圖3)：(1)內部框架與外排柱直接連接；(2)內部框架在外排柱位置設置雙柱，相互不連接。

(a) 內部框架與外排柱連接

(b) 內部框架與外排柱不連接

當內部框架與外排柱直接相連時，外排框架與內部框架共同受力，內部框架作為外部框架的一個支點，此時，與外排柱直接相連的框架柱及框架梁承受較大的荷載，而外排柱承受的彎矩有明顯減小的趨勢；在兩者相互不連接時，內部框架與外部框架自成體系，各自受力，結構關系簡單清晰；在不同連接情況下，典型結構柱柱底內力比較結果詳表2。經過綜合比較分析，最終確定的結構體系為兩者相互連接，后續的基礎選型也是基于此結構體系進行。

表2 兩種不同連接方式下外排柱柱底內力

3.2.2 外排柱基礎選型

內部框架只有一層結構板，結構內力較小，基礎做法簡單，此處的基礎選型就不再贅述，僅針對外排柱進行分析。典型外排柱在不同工況下的內力情況如表3及圖4。

表3 典型柱在不同工況下的內力

(a) 軸力

(b) 彎矩

根據小震不出現零應力區的原則進行基礎設計，結果如表4。

表4 小震作用下基礎計算結果

根據中震零應力區不超過15 %進行控制，計算分析得到的基礎尺寸如表5。

表5 中震作用下基礎計算結果

從前文給出的內力可以看出，外排柱在柱底將產生較大的彎矩作用，對于這種大跨度結構，在大震作用下將會產生更大的彎矩，結構的整體抗傾覆將直接關系到結構的安全。因此，在基礎設計階段就需要對基礎進行抗傾覆驗算，在驗算過程中，不考慮土體約束對于結構的有利作用，這種有利作用作為一種安全儲備(圖5)。

圖5 傾覆驗算示意

通常將抗傾覆彎矩Mw與傾覆力矩Mcr的比值定義為抗傾覆安全系數，用該系數的大小來衡量結構的安全度。基礎抗傾覆驗算簡圖如圖5所示。上部結構在基礎頂面的荷載(軸力N、彎矩M、剪力F)可以通過上部結構的整體計算模型得到。假定基礎為方形基礎，基礎邊長為b，基礎高度為h，結構的抗傾覆力矩大小為：

Mw=(N+W)·b/2+25·b2·h·b/2

(1)

傾覆力矩大小為：

Mcr=M+F·h

(2)

抗傾覆安全系數：

(3)

在求解基礎尺寸時，基礎厚度主要受軸力大小的影響，可先假設基礎厚度與中震作用下的基礎厚度一致；然后根據預先假定的抗傾覆安全系數計算基礎平面尺寸大小。在確定出基礎平面尺寸之后，再進行基礎的承載力驗算。GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》[2]對于擋土墻抗傾覆穩定性的規定，抗傾覆安全系數不小于1.6，按照前文式(1)～式(3)計算出本項目在大震作用下，在不同抗傾覆安全系數下得到的基礎尺寸結果以及對應的零應力區驗算結果(表6)。

表6 大震作用下基礎抗傾覆驗算結果

通過對基礎小震、中震和大震作用下的分析，可以看出，在承受較大彎矩作用下的的基礎尺寸由抗傾覆驗算結果控制。

4 抗浮初步設計

4.1 有效水浮力計算

地勘資料顯示，娛雪樂園的抗浮設計水位標高為700.500 m。低區處于場地的填方區且無地下室，暫不考慮抗浮。中區地下室底板底面標高為696.00 m，水頭高度為h=4.5m；高區地下室底板底面標高為694.000 m，水頭高度為h=6.5m。經計算，各區域有效水浮力詳表7。

表7 水浮力計算匯總 kN/m2

4.2 錨桿設計

在確定錨桿在底板布置方式前，首先假定單根錨桿的抗拔承載力特征值Nak，在確定抗拔特征值之后再根據不同柱跨計算各柱跨布置的錨桿根數n。本項目單根錨桿的抗拔承載力特征值為Nak=280kN。

該項目擬采用直徑為150 mm的錨桿，錨桿桿體的截面面積根據GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術規范》[3]確定：

(4)

式中：As為錨桿鋼筋截面面積；Kb為錨桿桿體的抗拉安全系數；Nak為錨桿相應于作用的標準組合時錨桿所受軸向拉力；fy為鋼筋的抗拉強度設計值。

錨桿的長度需同時滿足以下兩種情況：(1)按照注漿體與土層粘結強度計算的長度：

(5)

(2)按照注漿體與錨桿桿體粘結強度計算的長度：

(6)

式中：frbk為巖土層與錨固體極限粘結強度標準值；fb為鋼筋與錨固砂漿建的粘結強度設計值。本項目中，土體與錨桿體的極限粘結強度標準值frbk如表8；鋼筋與錨固砂漿間的粘結強度設計值fb取2.4 MPa。經計算，該本項目錨桿的長度約為9 m，錨桿需要的鋼筋為1 517 mm2，錨桿大樣如圖6。

表8 土體與錨固體極限粘結強度標準值

圖6 錨桿大樣(單位:mm)

4.3 錨桿現場基本試驗

錨桿設計完成之后，需要在現場進行試錨施工并進行基本試驗檢測，以驗證錨桿設計的可行性。本工程在整個場地的不同位置上共選擇了6組錨桿，每組錨桿由3根錨桿組成。在每組錨桿施工過程中分別考慮注漿液體稠度、注漿壓力、添加早強劑和速凝劑、二次注漿、添加級配碎石等的影響。錨桿直徑D=150mm，錨桿長度9 m，預估承載力特征值為280 kN。

試驗采用穿心式千斤頂、手動油泵進行加載，數據從壓力表中讀取；按照規范規定的加載方式進行分級循環加載、卸載。當出現以下情況時可以判定錨桿破壞:(1)錨頭位移不收斂，錨固體從巖土層中拔出或錨桿從錨桿體中拔出；(2)錨頭總位移量超過設計允許值；(3)土層錨桿試驗中后一級載荷產生的錨頭位移增量超過上一級載荷位移增量的2倍。

分別對每根錨桿按照預先設定的分級進行循環張拉試驗，每根錨桿均加載至破壞，按照規范規定，取破壞前一循環作為抗浮錨桿的極限承載力，得到錨桿的極限承載力約為778 kN，且不同錨桿施工工藝對試驗結果的影響不大。通過對比發現，錨桿試驗得到的承載力比按照地勘資料計算得到的承載力偏高。經過分析認為，試驗時間在雨季尾期，逐漸進入枯水期，地下水位明顯下降，較勘察時期地下水位明顯下降1.5～2 m，導致試驗錨桿施工時地下環境明顯改善，水泥漿充盈系數明顯得到改善，從而使錨桿的承載力有顯著提高。

5 結論及建議

地基基礎設計必須根據上部結構條件(如安全等級、結構類型等)和工程地質條件，綜合考慮現場工期、造價、施工條件等因素，合理選擇地基基礎方案。對于無地下室的大跨度結構，要特別注意基礎的抗傾覆驗算。抗浮錨桿設計時，需要特別注意設計采用的地質資料與實際施工時地質條件的差異，合理選取錨桿的抗拔承載力設計參數，以保證建筑物的安全和正常使用。