某山坡腳建筑地基基礎及基坑支護設計

李俊剛，張 嬌，王 晨，鄧尤貴，閆虹瑞

(1.北京首鋼國際工程技術有限公司,北京 100043;2.北京市冶金三維仿真設計工程技術研究中心,北京 100043;3.北京愛地地質勘察基礎工程公司,北京 100043)

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進,城市用地緊張的問題日益凸出,山地建筑成為城市建筑發展的一個方向。地基基礎設計和基坑支護設計是山地建筑結構設計的難點之一,本文就某山坡腳建筑地基基礎和基坑支護設計進行分析,旨在對其他類似項目提供參考。

1 工程概況

北京冬奧會技術運行中心及附屬通信樞紐工程位于北京市石景山區石景山東北麓,場地屬于永定河沖洪積扇頂部和山前坡洪積交界地帶,地形起伏較大。主要建筑功能為A級數據中心,±0.000相當于絕對標高91.200 m(北京市地方系統),分為南區和北區兩部分。其中,南區平面尺寸為67.8 m×36.5 m,單層,采用鋼筋混凝土框架結構,緊鄰山坡腳,室內外高差為0.6 m,室外地坪相對標高為4.40 m;北區平面尺寸為67.8 m×42.3 m,地下2層,地上2層,采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構,室內外高差為0.9 m,室外坪相對標高為-0.90 m,南區和北區室外地坪高差5.3 m;根據業主要求,南區需提前投入使用,南北區同時開工,南區結構封頂時北區尚在開挖基坑;二者通過結構縫分成兩個獨立的結構單元。該建筑效果圖如圖1所示,東立面圖如圖2所示,2層平面圖及縱向剖面圖如圖3,圖4所示。

2 工程地質條件及設計特點分析

2.1 工程地質條件

表1 各土層巖土工程參數

南區東西向典型工程地質剖面、北區東西向典型工程地質剖面、南北區整體南北向工程地質剖面圖分別如圖5—圖7所示。

根據地勘報告,本工程場地具有以下特點:南區土性差異較大,表層人工堆積層厚度1.7 m～4.6 m,第四紀坡洪積層2.6 m～12.8 m,部分區域存在碎石夾層,基巖層頂距離地表深度為5.4 m～15.8 m,即基巖層以上可壓縮層厚度差異較大,根據《北京地區建筑地基基礎勘察設計規范》(2016年版)[2],南區判定為不均勻地基;北區基巖埋深較深,大部分基巖以上存在較厚的第四紀坡洪積層,僅在靠近南區一側局部勘探至基巖層,基礎位于第四紀坡洪積層。

2.2 地基基礎和基坑支護設計的特點

經分析,本工程的重點和難點在于地基基礎和基坑支護設計,主要具有以下特點:

1)南區為不均勻地基,相鄰柱基的差異沉降控制是南區結構設計的重點和難點。

2)南北區緊鄰,基底標高相差12 m～14.7 m,二者基礎邊緣距離僅為1.45 m,考慮設置護坡樁后,施工空間狹小;根據業主要求,工期緊張,南區需提前投入使用,經倒排工期,南北區需同時開工,因北區工程量大,南區結構封頂時北區尚在開挖基坑;故南北區分界部位基坑支護和北區地下室施工難度較大。

3)北區基坑較深,達9.00 m～16.30 m,基坑支護工程量大,成本較高,考慮到各處深度和邊界條件差異較大,需結合場地條件,針對不同部位制定不同的基坑支護方案。

3 地基基礎設計

3.1 南區地基基礎設計

根據南區上部結構荷載和工程特點,提出三種基礎方案,予以分析。

1)方案一:天然地基+柱下條形基礎。以②砂質粉土、黏質粉土、②1粉質黏土和③碎石夾層為持力層,基底標高為0.6 m(相對南區室外地坪為3.8 m),該方案初步計算的沉降如圖8所示,東南側相鄰柱基沉降差為0.003 7l>[0.002l](l為相鄰柱距),不滿足相鄰柱基差異沉降的要求[3],且工程量大,故棄用方案一。

2)方案二:墩(樁)基礎。墩(樁)基礎可解決基礎差異沉降的問題,但由于基巖較硬,局部區域存在③碎石層,機械成孔困難,且考慮基巖埋深變化較大,樁長不一,施工難度較大,成本較高,工期較長,故棄用方案二。

3)方案三:地基處理+獨立基礎。根據工程特點,地基處理采用分層碾壓+注漿鋼管樁復合地基處理方案。對于南北區分界部位,由于天然地坪較低,清理地表雜填土后采用2∶8灰土分層回填分層碾壓,處理范圍超出南區基礎邊線6 m(考慮后期注漿鋼管樁復合地基和基坑支護施工空間),碾壓區域平面圖如圖9所示,之后,進行注漿鋼管樁復合地基處理,處理后的地基承載力特征值提高至250 kPa,注漿鋼管樁采用氣動潛孔錘技術鉆進成孔,樁端進入全風化砂巖層不少于2 m,成孔后注入水泥漿,插入鋼管。

基礎采用柱下獨立基礎+拉梁,基底相對標高為2.0 m(相對南區室外地坪埋深為2.4 m)。圖10為方案三南區基礎沉降圖,整體南側沉降小北側沉降大,相鄰柱基差異沉降為0.001 8l<[0.002l],滿足要求。

綜合考慮,南區地基基礎采用方案三。

3.2 北區地基基礎設計

北區采用天然地基,持力層為②砂質粉土、黏質粉土和②1粉質黏土,基礎采用梁板式筏基,地基承載力和沉降均滿足要求。因南北區分界部位基礎相距較近,僅1.45 m,且設有護坡樁,施工空間狹小,無法設置肥槽,故基坑采用無肥槽施工,地下室外墻防水采用外貼內防方式。待護坡樁樁間掛網噴平后,砌筑防水保護墻,并將保護墻與護坡樁進行拉結,護坡與保護墻的間隙隨砌筑隨灌砂填充,而后,施工找平層、防水層及其保護層,典型節點如圖11所示。

4 北區基坑支護設計

北區基坑較深,達9.00 m～16.30 m,根據JGJ 120—2012建筑基坑支護技術規程[4],南北區分界部位支護等級為一級,其他部位為二級;基坑支護工程量大,為降低造價,結合場地條件,不同部位采用不同的支護方案,其中,南北區分界部位采用樁錨+拉樁+鋼筋混凝土擋墻支護,西側采用樁錨支護,東側及北側采用復合土釘墻支護體系;圖12為基坑深度和支護平面圖。目前本工程已竣工驗收,全程進行變形監測,基坑變形均滿足要求。

4.1 南北區分界部位基坑支護設計

錨桿腰梁采用暗梁,為結構施工創造了盡可能多的工作面,其與護坡樁的連接節點如圖14所示。

4.2 西側基坑支護設計

從天然地坪算起,西側基坑深度為9.0 m～10.7 m,鑒于西側設有大型蓄冷罐,距離主體結構僅2 m,空間有限,故西側采用樁錨支護體系。護坡樁直徑為800 mm,間距1.6 m,頂部設有900 mm×500 mm冠梁,基坑深度范圍內設置2道25b工字鋼+預應力錨桿,第一道錨桿兩樁一錨,第二道錨桿一樁一錨;樁間掛鋼筋網片。基坑深度10.70 m部位剖面圖如圖15所示。

4.3 東側及北側基坑支護設計

從天然地坪算起,東側及北側基坑深度為10.7 m～13.25 m,考慮到施工空間較大,為降低造價,采用復合土釘墻支護體系,按1∶0.5放坡。基坑深度10.7 m處,在地面下設置5排土釘,呈矩形布設,橫向間距1.5 m、縱向間距1.0 m～3.0 m布置;在-3.0 m,7.5 m設置2道預應力錨桿,橫向間距1.5 m;土釘孔徑d=120 mm,長6.0 m～7.0 m,下傾角5°～10°;錨桿孔徑150 mm,長15 m,下傾角15°～22°,錨桿鎖在1根20號槽鋼上;面墻掛鋼筋網片。基坑深度10.7 m處的剖面圖如圖16所示。

5 結語

1)針對山坡腳建筑,土層差異較大,采用地基處理是經濟合理的選擇。

2)對于山坡腳建筑,當設有地下室時,不同部位基坑深度、邊界條件、施工空間差異較大,可針對不同部位采用不同的支護方式。

3)針對基坑施工空間狹小,可采用無肥槽施工,防水采用外防內貼方式,可有效解決施工空間不足、肥槽回填質量差等問題。