某商業裙房土巖組合地基分析

盧化松

(成都基準方中建筑設計股份有限公司，四川成都 610011)

1 工程概況

該項目位于廣西省南寧市五象新區平樂大道上。項目地上分為5個樓棟子項， 32號、35號樓為超限高層辦公，33號、34號樓為高層辦公，36號樓為多層獨立大型商業。本文主要介紹36號樓的基礎設計。36號樓為框架結構，地下3層(局部4層)，地上4層(局部5層)，房屋高度22.900 m；地下室均為車庫，層高從上至下分別為4.0 m、3.45 m、3.45 m、3.45 m，地上1層為半開敞空間，層高6.5 m，地上2～5層層高依次為5.8 m、5.4 m、5.3 m、6.7 m。建筑效果見圖1，一側剖面如圖2所示。

圖1 建筑效果圖

本項目的安全等級為一級，設計使用年限50年；抗震設防類別為乙類，抗震設防烈度為7度(地震加速度為0.10g)，設計地震分組第一組。本場地類別為II類，場地特征周期為0.35 s，基本風壓為0.35 kN/m2(50年重現期)，地面粗糙類別為C類。

2 結構布置

2.1 塔樓結構體系

根據建筑物的總高度、抗震設防烈度、建筑的平面布置及用途等情況，本工程裙房結構體系采用框架結構體系。結構的豎向荷載通過水平梁傳到框架柱，再傳到基礎；水平作用力通過混凝土框架承擔。

2.2 平面布置

裙房標準柱跨為8.1 m，最大柱跨為26.8 m。標準柱截面為700 mm×700 mm；標準框架梁截面300 mm×800 mm，標準次梁截面300 mm×700 mm，最大梁截面800 mm×1 200 mm。裙房2～5層結構平面如圖3～圖6所示。因方案和建筑功能要求，本裙房形狀較為異形，柱跨變化較大，為特別不規則結構。

2.3 樓蓋體系

本項目采用現澆鋼筋混凝土樓蓋體系,結合本工程特點，對幾部位樓板進行加強：

(1)地上結構嵌固部位(地下室頂板)樓板板厚取180 mm，采用雙層雙向拉通配筋，最小配筋率 為0.25%。

(2)凹凸不規則處樓板板厚取為150 mm，采用雙層雙向拉通配筋，最小配筋率為0.25%；并按照應力分析結果復核配筋。

(3)大開洞周邊樓板厚度取為120 mm，采用雙層雙向拉通配筋，最小配筋率為0.20%。

2.4 計算嵌固端的選取

本工程地下室頂板無大洞口，設計時采用現澆梁板樓蓋體系，并采取措施來實現頂板嵌固：

(1)樓板厚取為180 mm，采用雙層雙向拉通配筋，且每層每個方向的配筋率不小于0.25%。

(2)計算考慮裙樓相關范圍內側壁的有利貢獻。

采取以上措施計算的地下1層相關范圍與首層的剪切剛度比：X向γx=2.17，Y向γy=2.70均不小于2，可滿足首層嵌固的要求。

2.5 整體結構計算分析

本項目根據現行國家標準GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》(2016年版)[1](以下簡稱《抗規》)進行計算。塔樓的彈性分析選用北京盈建科軟件股份有限公司編制的YJK軟件(1.9.3.2版)和MADIS/GEN(2019版)軟件進行對比計算，考慮偶然偏心地震作用、雙向水平地震作用及豎向地震作用、扭轉耦聯以及施工模擬加載的影響，且考慮最不利地震

圖2 36號樓側剖面

圖3 二層結構平面

圖4 三層結構平面

圖5 四層結構平面

圖6 五層層結構平面

作用方向。

YJK與MADIS/GEN小震彈性計算結果見表1。

3 基礎布置

3.1 場地地層結構及特征

根據鉆探揭露情況、結合地質調查，本場地上覆人工填土、第四系殘積紅黏土，下層為石炭系(C)石灰巖。巖土層的

表1 YJK與MADIS/GEN計算結果對比

2、表中層號指模型層號。

分布及特征分述：

(1)人工填土①(Q4ml)：以粉質粘土、碎石和細砂為主，夾雜塊石，局部含少量腐殖質，土質不均，新近堆填，屬高壓縮性土。該層在場地內大部分區域有分布，厚度變化大。

(2)紅黏土②(Q3el)：為硬塑狀態，屬中等壓縮性土。

(3)較破碎灰巖③-1：風化強烈，呈碎塊狀，塊徑基本在15～75 mm， RQD約50，局部夾含有黏土，屬較硬巖。

(4)較完整灰巖③：巖芯多呈短柱狀，大致長60～250 mm， RQD約80。巖體較完整，屬較硬巖。該層在場地全部鉆孔揭示，屬穩定分布地層，本次勘察未鉆穿該層。

(5)溶洞③-2：為灰巖層中的溶洞，洞內內填充有黏性土，內部有溶蝕現象，鉆進時出現掉鉆、鉆液漏失現象。

各土層主要分布情況詳見圖7～圖9。

圖7 地勘平面布置

圖8 地勘2-2剖斷

圖9 地勘6-6剖斷

3.2 土層工程特性指標

本次勘察采用現場鉆探、原位試驗及土工實驗，以評價巖、土層物理力學性質。各巖土層的試驗方法選擇得當，操作過程符合規范要求。

綜合各項測試，結合地區經驗各巖土層的工程特性指標建議值見表2。

3.3 基礎形式

由于場地周邊存在地鐵線路和既有房屋，經多方論證，

表2 主要巖層物理力學指標參數建議值

基坑采用內支撐形式，大大增加基樁的施工周期和成本。根據業主要求，暫不采用樁基礎，考慮天然基礎可行性。

根據GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》(以下簡稱《基礎規范》)[2]7.4.2條：對于建筑體型復雜，荷載差異較大的框架結構，可采用箱基、樁基、筏基等加強基礎整體剛度，減小不均沉降。本項目裙房為特別不規則建筑，體形復雜、荷載差異較大，考慮采用筏板基礎。

基礎底標高達到持力層黏土②和較破碎石灰巖③-1，由于巖層起伏變化較大，基底離破碎石灰巖③-1、較完整石灰巖③距離0～20 m不等，考慮開挖量較大，選擇黏土②作為持力層。根據《基礎規范》5.2.4條修正后的地基承載力特征值為270 kPa。

4 問題提出

紅黏土和巖體的壓縮模量相差巨大，會產生不均勻變形[3]，這與山區地基特點比較相近。地基是一種散體性質，承受作用后具有較好的應力調節能力：壓縮模量較大區域產生的應力相對較大。因為上部結構的不均勻性，致使基底壓力的分布不同，常導致主體基礎承受較大的剪應力而出現開裂。進而引起上部結構內力重分布，墻柱實際受力情況與假設不符。

目前囿于勘察技術水平，若測出土巖組合地基中每個點的彈性模量是比較困難，或者是經濟上不可能實現。針對于地基的彈性模量，工程常采用載荷板試驗來獲得，但僅能評估場地大致的平均狀況，不能反映不同區域的反力。

針對于土巖組合地基帶來的應力分布不均勻、沉降不均勻、應力集中等問題，本文通過一個工程實例，探討如何解決土巖組合地基下裙房筏板基礎的設計。

5 處理措施

5.1 基底反力不小于及沉降

采用800 mm厚度筏板+柱墩的形式，不滿足厚跨比不小于1/6的要求，屬于柔性筏板，采用彈性地基梁法計算[4]。計算得出的基底反力如圖10所示，基底反力為39～287 kPa,筏板表現出明顯的柔性基礎特征。

圖10 基底反力標準值

由于本項目為深大基坑開挖，最大開挖深度為21.1 m，建筑物完成后基底以下土體處于補償或超補償狀態。此時在壓縮沉降變形在建筑物最終沉降變形中占有較大比例[5]。根據《基礎規范》5.3.5、5.3.10和5.3.10條，計算得出的基礎附加應力引起的沉降和回彈再壓縮變形如圖11、圖12所示?？梢钥闯?，本裙房的最終沉降主要由回彈再壓縮引起，局部沉降差已經超出基礎規范相應要求，需進行特殊處理。

圖11 附加應力引起沉降等值線

圖12 回彈再壓縮變形等值線

5.2 褥墊層法

墊層法實質是將地基持力層中的軟弱地層挖除，用相對好的土進行回填，提高承載力，這在我國已經大量推廣應用。

墊層法本身是利用褥墊層的擴散作用，減小地基反力，使其能滿足承載力要求。

本工程為不均勻地基，上部結構布置不均勻，導致基底應力不均勻；因為土巖組合地基的存在，上部結構和基礎將產生較大的剪應力，產生開裂破壞。借鑒墊層法應力擴散的原理，將基底下直接接觸的巖石鑿除一定厚度(300～600 mm)，換填滾圓度較好的砂卵石(褥墊層)，使得巖石處的應力減小，沉降量增加，達到基底壓力重新調平的目的。此種處理方法山區地基中已經采用，并經后期沉降觀測和觀察，未發現明顯裂縫現象和過大沉降[2、6]。

5.3 沉降后澆帶法

根據三位位移，將裙房分區域進行施工，如圖13所示，以減小沉降差過大引起的應力增大。

當地基為黏性土，再加荷量達到卸荷量的0.20時，其產生的再壓縮變形量已經接近回彈變形量的0.40～0.60；之后黏性土的再壓縮變形量增長速率逐漸降低，當再加荷量為卸荷量的0.40時，土樣產生的再壓縮變形量為回彈變形量的0.70左右；當再加荷量為卸荷量的0.60時，土樣產生的再壓縮變形量接近回彈變形量的0.90[7]。根據此特點，可以在施工過程中 根據沉降觀測情況，施工后澆帶。

圖13 后澆帶設置示意圖

5.4 過渡帶

由于超高層塔樓采用嵌巖樁基礎形式，沉降幾乎為零，裙房和塔樓之間存在沉降差問題。施工期間，可以通過沉降后澆帶，減小施工期間的沉降差。對于中壓縮性土，一般多層建筑物在施工期間完成的沉降量可認為已完成最終沉降量的20%～50%[8]。鑒于此，考慮在裙房與塔樓之間設置厚1 200 mm的過渡帶，并適當增加配筋，以抵抗房屋使用期間沉降差引起的應力。

5.5 其他施工措施

當卸荷比較大(R≥0.8)時，黏性土由于滯后性產生的回彈量約占最終總回彈量的20%～30%[7]。由圖14可知，卸荷比R≥0.8(即基坑最后開挖的0.2H)時，回彈變形增長最快，這時也是受開挖時間影響最為明顯的時期。若此時基坑靜置時間愈長，土體回彈變形滯后性發揮越充分，而且這種滯后性因基底下土層特性不同而有很大差異。

因此，在基坑施工過程中，盡可能減少基坑開挖到底以后的暴露時間。當開挖深度完成預定開挖深度0.75倍時，應加快基坑開挖進度，盡早澆筑墊層、底板等地下結構部分，以減小基坑暴露時間，從而減小基坑的回彈量。

圖14 回彈率與卸荷比關系

6 結論

本項目為特別不規則框架結構，受力不均勻，基礎位于土巖組合地基時，基底壓力變化懸殊，基礎和上部結構將承受較大的剪切應力。

褥墊層法是將基底下直接接觸的巖石鑿除一定厚度(300～600 mm)，換填滾圓度較好的砂卵石，使得巖石處的應力減小，沉降差減小，達到基底壓力重新調平的目的。

根據施工進度，在裙房沉降差較大區域采取沉降后澆帶，可以減少不均勻沉降引起的應力增大；塔樓與裙房建設置過渡帶可以進一步減緩試用期間沉降引起的附加應力，確保底板及上部建筑不發生明顯裂縫。