巖石地基上高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

林 航

(福州市建筑設(shè)計(jì)院 福建福州 350001)

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目地處連江縣福州都市區(qū)北翼，被稱(chēng)為閩地首府福州的海上后花園。作為福州半小時(shí)通勤圈內(nèi)的重要板塊，是福州城市產(chǎn)業(yè)職能承接地。用地靠山面海，沿著海岸線(xiàn)展開(kāi)成狹長(zhǎng)的帶狀，定海灣天然地形自海岸至內(nèi)陸高差較大。自然形成沙灘海岸帶和內(nèi)陸帶。該工程地形圖如圖1所示。

圖1 地形圖

圖2 工程地質(zhì)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(chē)庫(kù)，高度14.60m；±0.00對(duì)應(yīng)黃海高程為38.80m。工程地質(zhì)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(yīng)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(diǎn)處鉆孔。D25、ZK113和ZK126為裙房的鉆孔，主樓與裙房設(shè)縫斷開(kāi)。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(cè)的ZK126處室外地面完成面黃海高程為11.20m，為保證主體結(jié)構(gòu)安全，北側(cè)設(shè)置擋土墻，防止土壓力直接作用于主體結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅰ1類(lèi)?；A(chǔ)采用墻下條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為第5層中風(fēng)化花崗巖，承臺(tái)面黃海高程為24.00m，承臺(tái)高度2.0m，基礎(chǔ)埋置深度為2.2m。按照《高規(guī)》[2]12.1.8-1條要求基礎(chǔ)埋深h=(96.4+14.6)/15=7.4m，根據(jù)該場(chǎng)地地勘報(bào)告和項(xiàng)目總平面圖，ZK52和ZK56中風(fēng)化花崗巖面標(biāo)高分別為33.53m和25.06m，承臺(tái)底黃海高程為22.0m，高于承臺(tái)底標(biāo)高。如按照規(guī)范要求的1/15建筑物高度確定基礎(chǔ)埋置深度，將會(huì)給施工帶來(lái)極大的困難，也會(huì)大大提高建設(shè)成本和工期，嚴(yán)重影響項(xiàng)目的進(jìn)展。

2 設(shè)計(jì)思路

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

2.1 地基承載力驗(yàn)算

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

2.2 結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算

在抗傾覆驗(yàn)算時(shí)，如電算中帶入南北側(cè)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(shù)少，柱距大，剛度小，故不可考慮裙房的有利作用，電算時(shí)，不可帶入南北側(cè)裙房。根據(jù)盈建科結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果，在50年一遇的基本風(fēng)壓(0.8kN/m2)和多遇地震(小震)作用下[4]，結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 50年一遇基本風(fēng)壓和多遇地震下結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算

高層建筑在承受地震作用、風(fēng)荷載、其他水平荷載或偏心豎向荷載時(shí)，筏形與箱形基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定性應(yīng)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(wěn)定性安全系數(shù)，取1．5。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在50年一遇的基本風(fēng)壓下，抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)Kr=Mr/Mov=6.29>1.5；在多遇地震(小震)作用下，抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)Kr=Mr/Mov=29.43>1.5，且依據(jù)《高規(guī)》12.1.7條及條文說(shuō)明，知該工程基礎(chǔ)底面無(wú)零應(yīng)力區(qū)，在50年一遇的基本風(fēng)壓和多遇地震(小震)作用下，結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力滿(mǎn)足要求。

為達(dá)到大震不倒的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)，在100年一遇的基本風(fēng)壓(0.9kN/m2)和罕遇地震(大震)作用下，用盈建科結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 百年一遇基本風(fēng)壓和罕遇地震下結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在100年一遇的基本風(fēng)壓下，抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)Kr=Mr/Mov=5.57>1.5；在罕遇地震(大震)作用下[4]，抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)Kr=Mr/Mov=4.20>1.5；在100年一遇的基本風(fēng)壓和罕遇地震(大震)作用下，結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力滿(mǎn)足要求，能實(shí)現(xiàn)大震不倒的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

結(jié)構(gòu)抗傾覆能力滿(mǎn)足要求。

2.3 結(jié)構(gòu)抗滑移驗(yàn)算

高層建筑在承受地震作用、風(fēng)荷載或其他水平荷載時(shí)，基礎(chǔ)的抗滑移穩(wěn)定性應(yīng)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(cè)壁摩擦力合力(kN)；

Ea、EP——垂直于剪力方向的地下結(jié)構(gòu)外墻面單位長(zhǎng)度上主動(dòng)土壓力合力、被動(dòng)土壓力合力(kN/m)；

L——垂直于剪力方向的基礎(chǔ)邊長(zhǎng)(m)；

Q——作用在基礎(chǔ)頂面的風(fēng)荷載、水平地震作用或其他水平荷載(kN)；

KS——抗滑移穩(wěn)定性安全系數(shù)，取1.3。

2.3.1基礎(chǔ)頂面的風(fēng)荷載、水平地震作用

8#樓X向迎風(fēng)面長(zhǎng)度大大超過(guò)Y向迎風(fēng)面長(zhǎng)度，故最不利抗滑移方向?yàn)榕cX向迎風(fēng)面垂直的Y向。根據(jù)盈建科計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果，作用在基礎(chǔ)頂面的Y向風(fēng)荷載Q1=20 082kN，水平地震作用Q2=4140kN。

地震設(shè)計(jì)狀況下，作用在基礎(chǔ)頂面的水平荷載Q=4140+0.2×20 082=8157kN。

風(fēng)荷載設(shè)計(jì)狀況下，作用在基礎(chǔ)頂面的水平荷載Q=20082kN>8157kN。由此可知，風(fēng)荷載設(shè)計(jì)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(chǔ)和巖石地基的摩擦系數(shù)；

Fk——上部結(jié)構(gòu)恒載傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力(kN)；根據(jù)盈建科結(jié)構(gòu)軟件計(jì)算結(jié)果Fk=520 790kN。

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

基礎(chǔ)與地基的摩擦系數(shù)，可根據(jù)試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)取值，也可參照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007)中關(guān)于擋土墻設(shè)計(jì)時(shí)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(shù)取0.4。

表3 土對(duì)擋土墻基底的摩擦系數(shù)

注:①對(duì)易風(fēng)化的軟質(zhì)巖和塑性指數(shù)Ip 大于22 的黏性上，基底摩擦系數(shù)應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)定；②對(duì)碎石土，可根據(jù)其密實(shí)程度、填充物狀況、風(fēng)化程度等確定。

經(jīng)計(jì)算基底摩擦力合力F1=0.4×520 790=208 316kN。

2.3.3側(cè)壁摩擦力合力

屬于對(duì)抗滑移計(jì)算的有利荷載，該工程忽略不計(jì)。

2.3.4結(jié)構(gòu)外墻面主動(dòng)土壓力、被動(dòng)土壓力

兩側(cè)外墻均無(wú)覆土，主動(dòng)土壓力、被動(dòng)土壓力均為0。

2.3.5抗滑移驗(yàn)算結(jié)果

抗滑移穩(wěn)定性安全系數(shù)：

依據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，該工程基礎(chǔ)的抗滑移穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

2.4 地基整體穩(wěn)定性

基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化花崗巖，強(qiáng)度高，工程性能好，無(wú)需驗(yàn)算地基整體穩(wěn)定性。

2.5 安全措施

雖然該工程基礎(chǔ)未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，但南面和北面X向剪力墻(外墻)在風(fēng)荷載工況下均出現(xiàn)了拉應(yīng)力。剪力墻混凝土在風(fēng)或地震作用下若開(kāi)裂，開(kāi)裂的混凝土受到反復(fù)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(shí)際抗剪承載能力減低，影響結(jié)構(gòu)安全。為保證主體結(jié)構(gòu)安全，所采取的安全措施：①調(diào)整墻厚，在建筑允許的情況下適當(dāng)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(chǎn)生過(guò)大裂縫。該工程驗(yàn)算在Nmin工況的剪力墻配筋，在拉力作用下，鋼筋的應(yīng)力不超過(guò)180N/mm2。③出現(xiàn)拉力的剪力墻下增設(shè)抗拔錨桿。

3 結(jié)論

巖石地基上高層建筑的基礎(chǔ)埋置深度規(guī)范給予了適當(dāng)放松，高層建筑由于自重大，質(zhì)心高，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足地基承載力的前提下，還需滿(mǎn)足在承受地震作用、風(fēng)荷載和其他水平荷載作用下的基礎(chǔ)抗滑移、抗傾覆驗(yàn)算。且在抗傾覆驗(yàn)算時(shí)，若裙房的層數(shù)少、柱距大、剛度小，設(shè)計(jì)中不可計(jì)入裙房的有利作用，不可帶裙房計(jì)算。