山地建筑地基基礎設計若干問題的分析及應對措施

蔡程輝

（北京建誼高能建筑設計研究院有限公司廈門自貿區分公司）

1 項目概況

某項目位于莆田市城廂區泗華村溪邊西側，交通條件好，周邊環境良好，以高層、多層住宅為主，還設置了沿街商業裙房的住宅小區。其中高層共2 棟樓，上部層數18～24 層，多層共3 棟樓，上部層數6～7 層，均為剪力墻結構。1#樓層高2.90m，24 層，建筑高度69.70m；2#樓層高2.90m，18 層，建筑高度52.30m；3、5、6#樓層高2.90m，7 層，建筑高度20.40m。西側1#樓設置一層地下室，其余5 棟均設置兩層地下室。工程所在地區為莆田市，抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度為0.10g，設計特征周期為0.45s，設計地震分組為第三組，抗震設防類別為丙類，即標準設防類，根據地勘報告，場地類別為Ⅱ類，地面粗糙度為B 類。項目基礎形式擬采用獨立基礎、筏板基礎及樁基礎等基礎形式。

2 結構設計問題

2.1 開敞地下室是否應按大底盤超限結構設計的問題

該工程所在場地為山地，高差較大，外圍地面絕對標高16.05～25.80m，地下室頂板絕對標高16.20～25.80m，地勢呈西、北高，東、南低形態，設有兩層地下室，其中，東側及東南角部分（高層2#、高層3#、5#、6#樓相關范圍）負二層地下室均已露出室外地面，西南角（1#樓相關范圍）負一層為全埋置地下室，開敞地下室是否可按常規地下室嵌固端在頂板進行主樓結構設計，地下室是否屬于裙房。

2.2 不規則項的判斷問題

若地下室無法當成常規地下室設計，則應當成主體結構的裙房，若按大底盤多塔超限項目進行設計，參照《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010（以下簡稱“抗規”）3.4.3 條文說明，項目存在塔樓偏置情況（單塔或多塔合質心與大底盤的質心偏心距大于底盤相應邊長20%），則該項目應屬于特別不規則項目。

2.3 上部結構嵌固端選取問題

嵌固端的選取影響結構分析計算，還影響主樓底部加強區高度，間接影響工程造價。根據抗規6.1.10 第3款規定：當結構計算嵌固端位于地下一層的底板或以下時，底部加強部位宜向下延伸至計算嵌固端，若嵌固端取在基礎頂，則底部加強區應延伸至基礎頂。

2.4 主樓建筑高度的確定問題

室外道路地面標高低于主樓基礎面標高，主樓建筑高度的確定應從基礎面起算或從室外道路地面低點起算，建筑高度的確定影響建筑物抗震等級、底部加強區高度、結構分析計算等，關系到結構安全、造價等方面，應在方案階段確認。

2.5 山地建筑高層住宅基礎埋深不滿足規范要求的問題

1# 樓地勢較高，主樓范圍地下室頂板標高為25.80m，室外道路消防車道標高為18.00m，用地紅線外南側距離1#樓15m 處存在場地低點泄洪渠，渠面標高為15.50m。在負一層底板面標高處基本已處在中風化凝灰巖，根據分析計算，巖石地基基礎埋深可適當放松，天然基礎至少應滿足69.70/18≈3.97m 深，故基礎面埋深無法達到《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ 3-2010（以下簡稱高規）第12.1.8 條所規定的埋置深度。

若結構要滿足規定埋深要求，需加大爆破深度，施工困難，且造價太高，故應采取其他方式解決埋深問題。

2.6 復雜地基條件的基礎設計方案選擇

由于項目依山而建，場地地勢為山地，坡度較大，若采用筏板基礎，持力層巖面高差太大，對受力不利，局部高差較低的部位可以采用素混凝土回填，但高差太大回填將導致浪費；由于巖面爆破困難，基坑開挖費用太大，耗時耗力，故應盡量淺埋，減少造價，縮短工期。

根據地勘條件，1#樓地基持力層中風化凝灰巖巖面存在較大坡度，若基礎為獨基或筏板基礎，當基礎進入持力層深度不足時應考慮基礎沿著巖面滑移的可能性；2#樓地基持力層中風化凝灰巖巖面高差太大，若單純采用筏板基礎無法滿足，應考慮采用混合基礎形式，局部采用樁基礎，為節省造價，采用獨基加樁基承臺的形式布置基礎，由于項目本身存在開敞地下室的情況，應建議建設方避免采用自身抗剪能力比較弱的預應力管樁基礎，而應采用直徑較大的灌注樁基礎；3#樓建筑方案無地下二層，但考慮埋深因素，且樓棟建筑高度較低，埋深較容易滿足，應建議將基礎標高降到滿足規范埋深的要求，基礎至地下一層底板之間增加一層空腔。由此產生成本增加，應由結構專業在方案階段向建設方提出。

3 結構計算分析及采取的措施

3.1 開敞地下室是否應按大底盤超限結構設計的問題

該工程地下室東側及東南角負二層地下室開敞（即無覆土），經與建筑專業協商，在地下室外側商業部分設置封閉的鋼筋混凝土外墻（局部開門洞），以提高地下室側向剛度。

根據《福建省住宅工程設計若干技術規定》執行標準第十一條：地下室頂板厚度不應小于180mm（室內）、250mm（室外），板底板面通長鋼筋，直徑不應小于B12（180mm 板厚）、B14（250mm 板厚），間距不應大于150mm。該項目頂板主樓區板厚180mm，頂筋為C12@150，底筋為C12@150，非主樓區域板厚250mm，頂筋為C14@150，底筋為C14@150，配筋板厚均滿足福建省規定。由于地下室頂板配筋及板厚相對于國家規范要求已經有一定加強，故地下室頂板不再另作加強。

通過盈建科計算，滿足地下室位移角1/9999，地下室水平位移、豎向位移和轉角均接近為零，剛度滿足“高規”第5.3.7 條規定“地下一層與首層的側向剛度比不小于2”的規定，此時可以認為地下室剛度足夠大，在水平力作用下側向變形很小。

因此該工程可以按常規地下室設計，地下室不屬于主體結構的裙房，上部塔樓不按多塔考慮。

3.2 不規則項的判斷問題

上部若無須按多塔結構考慮，則根據“抗規”3.4.3條，各樓棟僅存在扭轉位移比大于1.2 及凹凸不規則兩項不規則項，可不按超限高層建筑進行設計。

3.3 上部結構嵌固端選取問題

在地下室剛度足夠大的前提下，上部結構構件承載力計算分析宜分兩個模型進行計算，一個計算模型按嵌固端取至基礎頂面，另一個計算模型按嵌固端取至地下室頂板，再對兩個模型計算結果取包絡設計，位移、剛度比等計算指標可按嵌固端取至地下室頂板的計算模型控制。

3.4 主樓建筑高度的確定問題

山地建筑室外地面常有低于室內的情況，此時建筑高度起算點應取各單體建筑所在位置的室外地面最低點。

3.5 山地建筑高層住宅基礎埋深不滿足規范要求的問題

為滿足埋深，經與建筑專業協商，對建筑方案調整，1#樓基礎采用中風化凝灰巖作為持力層，基礎至地下一層底板之間增加一層空腔，室外地面最不利點（取樓棟東南角道路地面）標高為18.00m，地下室頂板標高為25.80m，地下二層板面標高為21.00m，筏板基礎頂標高為15.30m，筏板厚度取1300mm，埋深為18—（15.3—1.3）=4m，建筑高度為69.4+7.8=77.2m，規范埋深限值為77.2/15=5.15m；2#樓基礎面標高為15.30m，筏板厚度1000mm，室外地面最不利點標高為16.80m，埋深為16.8—（15.3—1.0）=2.5m，建筑高度為52.3+9=61.3m，規范埋深限值為61.3/15=4.09m，由此可見，1#樓、2#樓埋深均不滿足規范要求。

根據“高規”12.1.8 條，“在滿足承載力、變形、穩定以及上部結構抗傾覆要求的前提下，埋置深度的限值可適當放松。基礎位于巖石地基上，可能產生滑移時，還應驗算地基的滑移。”其中1#樓為巖石獨基，2#樓由于持力層存在較大高差，采用巖石混合基礎。故本工程仍需驗算1# 樓、2# 樓兩棟高層大震下抗滑移和抗傾覆能力，應采取措施提高基礎抗剪能力。

3.5.1 1# 樓抗滑移計算分析

根據地勘，本工程持力層中風化凝灰熔巖的基底摩擦系數μ=0.65，由計算模型可得結構總質量為18650.939t，大震作用下地震剪力：X 向為17385.2KN，Y向為24239.6KN。

摩 擦 力 F=0.65 ×18650 ×10=121225KN ＞24239.6KN，可得結構抗滑移滿足要求。

為增加結構安全冗余度，基礎增加抗剪鍵，在巖石基礎上沿著x 方向采用切割方式割出兩條1000mm 寬、1000mm 深的抗剪鍵。

3.5.2 1# 樓抗傾覆計算分析

根據“高規”12.1.7、“抗規”4.2.4 規定，高寬比小于4 的高層建筑，零應力區面積不應超過基礎底面面積的15%。

根據盈建科計算結果，1#樓多遇地震下，零應力區百分比A0/A=0%，說明結構能良好地抵抗多遇地震下的傾覆彎矩。

罕遇地震下，零應力區百分比A0/A=23%，總水平力標準值為X 方向17385.2kN，Y 方向24239.6kN，房屋高度H=69.4m，地下室埋深C=10.5m，重力荷載代表值G=25756t，X 方向B=15.0m，Y 方向B=41.8m，根據徐培福《復雜高層建筑結構設計》公式2.1.21 計算可得，X方向抗傾覆力矩 Mr=5383003kN·m， 傾覆力矩Mov=986897kN·m，X 方向抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值為Mr/Mov=5.45；Y 方向抗傾覆力矩Mr=1931700kN·m，傾覆力矩Mov=1376001kN·m，Y 方向抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值為Mr/Mov=1.4。由此可見，結構在罕遇地震工況下也可以滿足抗傾覆要求。

根據結構零應力區計算結果，罕遇地震工況下大部分拉應力數值較小，通過在基礎南側及北側各增加兩排錨桿抵抗罕遇地震工況下的拉應力（圖1），單根錨桿軸向拉力承載力特征值為150KN，錨桿進入持力層中風化凝灰熔巖長度為1.5m，錨桿布置數量由罕遇地震工況下的筏板拉應力與單根錨桿軸向拉力承載力特征值的比值得出。

圖1 1# 樓基礎平面布置圖

3.5.3 2# 樓抗滑移計算分析

2#樓基礎形式采用筏板基礎和樁筏基礎的混合基礎形式，基礎底進入完整中風化巖面不小于300mm，14軸以東布置灌注樁，總樁數20 根，抗壓樁12 根，抗拔樁8 根，單樁豎向承載力極限值為14600kN，單樁豎向承載力特征值為7300kN；抗拔樁單樁豎向抗拔承載力極限值為1000kN。

根據地勘報告，本工程持力層中風化凝灰熔巖的基底摩擦系數μ=0.65，由計算模型可得結構總質量為14345.626t，大震作用下地震剪力：X 向為13301.85KN，Y 向為17160.89KN。

摩擦力0.65×14345×10=93242KN＞17160.89KN，可得結構抗滑移滿足要求。

為增加結構安全冗余度，基礎增加抗剪鍵，在巖石基礎上沿著x 方向采用切割方式割出兩條1000mm 寬、1000mm 深的抗剪鍵。

3.5.4 2# 樓抗傾覆計算分析

根據盈建科計算結果，2#樓多遇地震下，筏板部分零應力區百分比A0/A=0%，說明結構能良好地抵抗多遇地震下的傾覆彎矩。

罕遇地震下，筏板部分零應力區百分比A0/A=19%，總水平力標準值為X 方向13301.85kN,Y 方向17160.89kN，房屋高度H=52.30m，地下室埋深C=10.3m，重力荷載代表值G=13881.17t，X 方向B=17.25m，Y 方向B=43.95m，根據徐培福《復雜高層建筑結構設計》公式2.1.21 計算可得，X 方向抗傾覆力矩Mr=3050387kN·m，傾覆力矩Mov=600800.2kN·m，X 方向抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值Mr/Mov=5.08；Y 方向抗傾覆力矩Mr=1197250.9kN·m，傾覆力矩Mov=775100.2kN·m，Y 方向抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值Mr/Mov=1.54。由此可見，結構在罕遇地震工況下也可以滿足抗傾覆要求。

根據結構零應力區計算結果，基礎應設置錨桿以抵抗罕遇地震工況下的拉應力，錨桿的相關參數及設置原則同1#樓（見圖2）。

圖2 2# 樓基礎平面布置圖

3.6 復雜地基條件的基礎設計方案選擇

針對1#樓的地基條件，通過對1#樓抗滑移計算可知，如果1#樓以中風化凝灰熔巖為持力層，抗滑移滿足要求，可按持力層標高將筏板做成階梯狀筏板，但為提高結構安全，仍將基礎做成筏板面標高統一的整塊筏板，不采用階梯狀基礎底板結構形式，以此提高基礎的抗滑移能力，減少基礎在巖面滑移的可能性。

針對2#樓的地基條件，由于持力層高差較大，采用混合基礎，前期方案階段為節省造價，采用分塊獨立基礎和樁基承臺，且由于地勘不夠詳盡，設計較為保守，前期根據地勘剖面圖在設計階段巖面標高與基礎底面標高高差大于5m 的范圍均采用樁基礎，后期施工過程發現此處巖面存在陡坡，實際巖面高度與基礎底部標高相差不足2m，后期出具重大變更以減少樁基數量，并結合現場實際情況將筏板部分擴大，為提高基礎整體性，減少由于采用混合基礎形式所帶來的不均勻沉降影響，將筏板變更為筏板面標高統一的整塊筏板。

針對3#樓的地基條件，在條件允許下，增加一層地下室空腔，基礎面標高為14.00m，筏板厚度600mm，室外地面標高為16.10m，埋深為16.1—（14—0.6）=2.7m，建筑高度為20.4+9.5=29.9m，埋深規范限值為29.9/15≈2m，滿足規范對于基礎埋深的要求。

4 結語

⑴開敞地下室在地下室剛度很大，水平力作用下側向變形很小的情況下可以當成常規地下室設計，上部可不按多塔考慮，可不按超限項目進行設計。

⑵上部結構構件承載力計算分析宜分兩個模型進行計算，按嵌固端取至基礎頂面以及按嵌固端取至地下室頂板兩個計算模型的結果取包絡設計，計算指標按嵌固端取至地下室頂板的計算模型來進行控制。

⑶山地建筑建筑高度起算點應取各單體建筑所在位置的室外地面最低點。

⑷基礎埋深不滿足規范要求時，基礎設計應滿足罕遇地震工況下的抗傾覆、抗滑移穩定性要求。