巖石地基上高層建筑的基礎設計研究

林 航

(福州市建筑設計院 福建福州 350001)

1 項目概況

項目地處連江縣福州都市區北翼，被稱為閩地首府福州的海上后花園。作為福州半小時通勤圈內的重要板塊，是福州城市產業職能承接地。用地靠山面海，沿著海岸線展開成狹長的帶狀，定海灣天然地形自海岸至內陸高差較大。自然形成沙灘海岸帶和內陸帶。該工程地形圖如圖1所示。

圖1 地形圖

圖2 工程地質剖面圖

圖3 建筑剖面示意圖

該工程8#樓為例，8#樓為地上33層高層住宅，高度96.40m；地下1～3層為地下車庫，高度14.60m；±0.00對應黃海高程為38.80m。工程地質剖面圖如圖2所示，孔口高程從黃海7.78m～36.53m，坡度較大，為典型的山地剖面，相應位置處的建筑剖面示意圖如圖3所示，其中ZK52和ZK56分別為8#樓北面和南面角點處鉆孔。D25、ZK113和ZK126為裙房的鉆孔，主樓與裙房設縫斷開。8#樓室外地面完成面黃海高程為38.80m，底板面黃海高程為24.20m，裙房南側的ZK126處室外地面完成面黃海高程為11.20m，為保證主體結構安全，北側設置擋土墻，防止土壓力直接作用于主體結構。主體結構為剪力墻結構，抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅰ1類。基礎采用墻下條形基礎，基礎持力層為第5層中風化花崗巖，承臺面黃海高程為24.00m，承臺高度2.0m，基礎埋置深度為2.2m。按照《高規》[2]12.1.8-1條要求基礎埋深h=(96.4+14.6)/15=7.4m，根據該場地地勘報告和項目總平面圖，ZK52和ZK56中風化花崗巖面標高分別為33.53m和25.06m，承臺底黃海高程為22.0m，高于承臺底標高。如按照規范要求的1/15建筑物高度確定基礎埋置深度，將會給施工帶來極大的困難，也會大大提高建設成本和工期，嚴重影響項目的進展。

2 設計思路

以8#樓(高度最高)為例，在滿足地基承載力、結構抗傾覆、結構抗滑移要求的前提下，采取必要的安全措施，保證結構安全。

2.1 地基承載力驗算

基礎持力層采用第5層中風化花崗巖，中風化花崗巖埋藏深度淺，強度高，工程性能好，地基承載力特征值fak=2500kPa，條形基礎的基底平均壓力值為pk=2000kPa。pk

2.2 結構抗傾覆驗算

在抗傾覆驗算時，如電算中帶入南北側裙房，將增大抗傾覆力臂，從而加大抗傾覆力矩。但由于裙房層數少，柱距大，剛度小，故不可考慮裙房的有利作用，電算時，不可帶入南北側裙房。根據盈建科結構計算軟件計算結果，在50年一遇的基本風壓(0.8kN/m2)和多遇地震(小震)作用下[4]，結構整體抗傾覆驗算，數據如表1所示。

表1 50年一遇基本風壓和多遇地震下結構整體抗傾覆驗算

高層建筑在承受地震作用、風荷載、其他水平荷載或偏心豎向荷載時，筏形與箱形基礎的抗傾覆穩定性應符合下式要求[1]：

KrMov≤Mr

(1)

式中：Mov——傾覆力矩(kN·m)；

Mr——抗傾覆力矩(kN·m)；

Kr——抗傾覆穩定性安全系數，取1．5。

根據計算結果，在50年一遇的基本風壓下，抗傾覆穩定性安全系數Kr=Mr/Mov=6.29>1.5；在多遇地震(小震)作用下，抗傾覆穩定性安全系數Kr=Mr/Mov=29.43>1.5，且依據《高規》12.1.7條及條文說明，知該工程基礎底面無零應力區，在50年一遇的基本風壓和多遇地震(小震)作用下，結構的抗傾覆能力滿足要求。

為達到大震不倒的性能化設計目標，在100年一遇的基本風壓(0.9kN/m2)和罕遇地震(大震)作用下，用盈建科結構計算軟件進行結構整體抗傾覆驗算，數據如表2所示。

表2 百年一遇基本風壓和罕遇地震下結構整體抗傾覆驗算

根據計算結果，在100年一遇的基本風壓下，抗傾覆穩定性安全系數Kr=Mr/Mov=5.57>1.5；在罕遇地震(大震)作用下[4]，抗傾覆穩定性安全系數Kr=Mr/Mov=4.20>1.5；在100年一遇的基本風壓和罕遇地震(大震)作用下，結構的抗傾覆能力滿足要求，能實現大震不倒的性能化設計目標。

結構抗傾覆能力滿足要求。

2.3 結構抗滑移驗算

高層建筑在承受地震作用、風荷載或其他水平荷載時，基礎的抗滑移穩定性應符合下式要求[1]：

KSQ≤F1+F2+(EP-Ea)L

(2)

式中：F1——基底摩擦力合力(kN)；

F2——平行于剪力方向的側壁摩擦力合力(kN)；

Ea、EP——垂直于剪力方向的地下結構外墻面單位長度上主動土壓力合力、被動土壓力合力(kN/m)；

L——垂直于剪力方向的基礎邊長(m)；

Q——作用在基礎頂面的風荷載、水平地震作用或其他水平荷載(kN)；

KS——抗滑移穩定性安全系數，取1.3。

2.3.1基礎頂面的風荷載、水平地震作用

8#樓X向迎風面長度大大超過Y向迎風面長度，故最不利抗滑移方向為與X向迎風面垂直的Y向。根據盈建科計算軟件計算結果，作用在基礎頂面的Y向風荷載Q1=20 082kN，水平地震作用Q2=4140kN。

地震設計狀況下，作用在基礎頂面的水平荷載Q=4140+0.2×20 082=8157kN。

風荷載設計狀況下，作用在基礎頂面的水平荷載Q=20082kN>8157kN。由此可知，風荷載設計狀況起控制作用，取Q=20 082kN。

2.3.2基底摩擦力合力

基底摩擦力合力：F1=u(Fk+Gk)

式中：u——為基礎和巖石地基的摩擦系數；

Fk——上部結構恒載傳至基礎頂面的豎向力(kN)；根據盈建科結構軟件計算結果Fk=520 790kN。

Gk——基礎自重和基礎上的土重(kN)；屬于對抗滑移計算的有利荷載，該工程忽略不計。

基礎與地基的摩擦系數，可根據試驗或經驗取值，也可參照現行國家標準《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007)中關于擋土墻設計時按墻面平滑與填土摩擦的情況取值[3]，其值如表3所示。該工程摩擦系數取0.4。

表3 土對擋土墻基底的摩擦系數

注:①對易風化的軟質巖和塑性指數Ip 大于22 的黏性上，基底摩擦系數應通過試驗定；②對碎石土，可根據其密實程度、填充物狀況、風化程度等確定。

經計算基底摩擦力合力F1=0.4×520 790=208 316kN。

2.3.3側壁摩擦力合力

屬于對抗滑移計算的有利荷載，該工程忽略不計。

2.3.4結構外墻面主動土壓力、被動土壓力

兩側外墻均無覆土，主動土壓力、被動土壓力均為0。

2.3.5抗滑移驗算結果

抗滑移穩定性安全系數：

依據以上計算結果，該工程基礎的抗滑移穩定性滿足要求。

2.4 地基整體穩定性

基礎持力層為中風化花崗巖，強度高，工程性能好，無需驗算地基整體穩定性。

2.5 安全措施

雖然該工程基礎未出現零應力區，但南面和北面X向剪力墻(外墻)在風荷載工況下均出現了拉應力。剪力墻混凝土在風或地震作用下若開裂，開裂的混凝土受到反復的拉、壓作用，致使剪力墻的混凝土破壞，從而造成混凝土的實際抗剪承載能力減低，影響結構安全。為保證主體結構安全，所采取的安全措施：①調整墻厚，在建筑允許的情況下適當增大拉力較大處的剪力墻的厚度。②為減少裂縫，避免剪力墻在水平力引起的拉力下產生過大裂縫。該工程驗算在Nmin工況的剪力墻配筋，在拉力作用下，鋼筋的應力不超過180N/mm2。③出現拉力的剪力墻下增設抗拔錨桿。

3 結論

巖石地基上高層建筑的基礎埋置深度規范給予了適當放松，高層建筑由于自重大，質心高，基礎設計在滿足地基承載力的前提下，還需滿足在承受地震作用、風荷載和其他水平荷載作用下的基礎抗滑移、抗傾覆驗算。且在抗傾覆驗算時，若裙房的層數少、柱距大、剛度小，設計中不可計入裙房的有利作用，不可帶裙房計算。