張祚嘉, 陳海鵬, 張秀芳, 王晨亮, 高鎂娟, 趙啟林
(基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)股份有限公司,北京 100123)
某山地項(xiàng)目位于北京市門頭溝區(qū)永定鎮(zhèn),總建筑面積約9.2萬(wàn)m2,由19棟疊拼別墅、5棟洋房、配套公建組成,分布在高差100m的山腳下;洋房和疊拼均為地上5層、主體高度15.0m,地下2~3層(3面掩埋1面開敞),采用裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系;各單體通過7個(gè)層高為3.6m的1層或2層地下車庫(kù)連接。項(xiàng)目效果圖如圖1所示。
圖1 項(xiàng)目效果圖
抗震設(shè)防烈度8度(0.20g),設(shè)計(jì)地震分組第二組;建筑場(chǎng)地類別Ⅱ類;場(chǎng)地土特征周期Tg=0.40s;抗震設(shè)防類別丙類[1];建設(shè)場(chǎng)地為抗震不利地段,依據(jù)《山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 472—2020)[2]中4.2.2條,水平地震影響系數(shù)最大值αmax的增大系數(shù)取值1.3?;撅L(fēng)壓0.45kN/m2,基本雪壓0.40kN/m2,地面粗糙度類別B類。
疊拼、洋房基礎(chǔ)主要采用樁筏基礎(chǔ)(邊坡處樓座)或筏板基礎(chǔ)(臺(tái)地內(nèi)部樓座),筏板基礎(chǔ)持力層位于黏性土混碎石、碎石混黏性土、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等,樁基礎(chǔ)持力層位于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。
本項(xiàng)目建筑位于斜坡、坡頂上,地基均勻性差,基巖起伏變化大,地質(zhì)災(zāi)害有崩塌、不穩(wěn)定斜坡、泥石流、潛在滑移面,場(chǎng)地穩(wěn)定性差,為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性大地段[3]。土層從上至下主要為人工堆積層雜填土、黏性土混碎石、碎石混黏性土、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等地層[3]。
場(chǎng)地地形起伏較大,場(chǎng)地內(nèi)地面坡度大于25%,巖土種類多,為不均勻地基,工程建設(shè)適宜性差。場(chǎng)地地面標(biāo)高大部分低于設(shè)計(jì)地平面標(biāo)高,場(chǎng)地內(nèi)碎石混黏性土、黏性土混碎石、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為相對(duì)隔水層,地表水下滲,匯集至基坑肥槽來不及充分排泄,極有可能形成“盆池”積水而對(duì)地下建筑抗浮、抗?jié)B產(chǎn)生不利影響。
對(duì)于現(xiàn)狀評(píng)價(jià)為穩(wěn)定性差的邊坡以及挖填方形成的邊坡,均應(yīng)設(shè)置安全可靠的支擋結(jié)構(gòu)[4],以滿足場(chǎng)地穩(wěn)定性要求。
裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)具有技術(shù)成熟,無露梁、露柱,滿足樓板舒適度要求,耐久性好,防火性能好等優(yōu)點(diǎn);根據(jù)北京市政策要求,結(jié)合本工程疊拼戶型的層層收進(jìn),構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度底,山地項(xiàng)目構(gòu)件運(yùn)輸、吊裝困難等特點(diǎn),經(jīng)多方調(diào)研及裝配式專家評(píng)審建議,采用裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。通過拆分試算,水平構(gòu)件單塊質(zhì)量控制在不大于3t、豎向構(gòu)件單塊質(zhì)量控制在不大于6t的范圍內(nèi),能夠滿足廠家制作、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)堆放、施工要求,同時(shí)滿足業(yè)主使用要求[5]。
根據(jù)《北京市人民政府辦公廳關(guān)于加快發(fā)展裝配式建筑的實(shí)施意見》(京政辦﹝2020﹞21號(hào))[6]規(guī)定,結(jié)構(gòu)布置拆分結(jié)果為豎向構(gòu)件預(yù)制率35%,水平構(gòu)件預(yù)制率78%,非砌筑非現(xiàn)澆圍護(hù)墻體占比65%,非砌筑非現(xiàn)澆內(nèi)隔墻占比70%[7],綠色建筑評(píng)價(jià)等級(jí)為二星級(jí)。
主要戶型典型截面尺寸及材料強(qiáng)度如表1所示,主要戶型標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖如圖2所示,主要戶型三維模型如圖3所示。
表1 主要戶型典型截面尺寸及材料強(qiáng)度
圖2 主要戶型標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖
圖3 主要戶型三維模型
針對(duì)山地建筑特點(diǎn),項(xiàng)目開工前需考慮“三個(gè)工況”下邊坡與建筑的相互作用及影響。工況一:工程建設(shè)前邊坡穩(wěn)定性評(píng)估及地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估。工況二:工程建設(shè)期間(施工時(shí))邊坡穩(wěn)定性評(píng)估。工況三:工程建設(shè)后邊坡穩(wěn)定性評(píng)估及地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估。
依據(jù)地質(zhì)單位提供的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告[8]及勘察單位提供的巖土工程勘察報(bào)告[3],本工程所在區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害有崩塌、不穩(wěn)定斜坡、泥石流,潛在滑移面等。
依據(jù)《建設(shè)用地地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告》,場(chǎng)地崩塌隱患點(diǎn)共計(jì)12處,不穩(wěn)定斜坡10處,潛在泥石流2條。綜合評(píng)定地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分級(jí)為“小-大級(jí)”。
針對(duì)崩塌不良地質(zhì)作用,施工前對(duì)危巖、浮石、孤石進(jìn)行清理,并對(duì)邊坡裂隙發(fā)育、破碎危巖體等采用柔性防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行防治。對(duì)不穩(wěn)定斜坡不良地質(zhì)作用,采取截排水、永久支擋、減載、反壓等工程措施進(jìn)行綜合治理[9-10]。對(duì)泥石流不良地質(zhì)作用,采取疏通、加寬等措施進(jìn)行綜合治理,確保流路通暢[11]。
依據(jù)巖土工程勘察報(bào)告,場(chǎng)地潛在滑移面主要為一般第四系混合土層的圓弧滑動(dòng)面以及三疊系的全風(fēng)化層或局部貫通破碎帶的平面滑動(dòng)面。
對(duì)邊坡潛在滑移面進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算分析。通過采用規(guī)范方法(理正巖土)、有限元強(qiáng)度折減法(MIDAs GTS)兩種方法,分別對(duì)工程建設(shè)前及工程建設(shè)后的邊坡潛在滑移面,考慮一般工況(正常使用工況)和地震工況(罕遇地震工況)進(jìn)行分析[12]。
分析結(jié)果表明,工程建設(shè)前及工程建設(shè)后,邊坡潛在滑移面整體穩(wěn)定性分析均滿足要求,兩種工況下潛在滑移面穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見圖4[13]。
圖4 潛在滑移面穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果
為達(dá)到經(jīng)濟(jì)效果最優(yōu),就現(xiàn)有地形提出2種建筑場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)方案:支護(hù)+樁基方案與掉層吊腳方案,以77地塊為例具體分析如下。
結(jié)合臺(tái)地高差,于上、下臺(tái)地間設(shè)置永久支護(hù),為避免支護(hù)樁樁錨體系后期應(yīng)力松弛及水平變形無法準(zhǔn)確預(yù)估,在高邊坡樓座增設(shè)樁基作為第2道防線,支護(hù)+樁基方案建筑分組及擋墻布置示意如圖5所示。
圖5 支護(hù)+樁基方案建筑分組及擋墻布置示意
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形高差,坡度陡降位置設(shè)置土坡放腳,主體采用掉層吊腳結(jié)構(gòu)解決豎向高差,從而達(dá)到節(jié)省造價(jià)目的,掉層吊腳方案建筑分組及擋墻布置示意[14-15]如圖6所示。
圖6 掉層吊腳方案建筑分組及擋墻布置示意
兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示??梢?兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。從造價(jià)角度考慮,不考慮施工工期影響,支護(hù)+樁基方案較為節(jié)省;而掉層吊腳方案造價(jià)略偏高,主要是由于掉層吊腳方案需要考慮部分挖方量外運(yùn)費(fèi)用、主體結(jié)構(gòu)按掉層吊腳設(shè)計(jì)相較于常規(guī)方案設(shè)計(jì)造價(jià)增加等因素導(dǎo)致的。從結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備考慮,該項(xiàng)目位于8度區(qū)且臺(tái)地高差很大,設(shè)置永久支護(hù)樁+高邊坡樓座樁基起到二道防線的作用[14]。綜上所述,本項(xiàng)目采用支護(hù)+樁基方案。
表2 兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)
針對(duì)本工程設(shè)計(jì)過程中各種疑難問題,組織北京和重慶地勘及山地的專家通過評(píng)審方式予以解決,在保證建筑整體安全的基礎(chǔ)上達(dá)到造價(jià)最優(yōu)。
因本項(xiàng)目場(chǎng)地條件復(fù)雜,基礎(chǔ)持力層主要為碎石混黏土,巖石層埋深較深,且邊坡高差比較大,在設(shè)計(jì)過程中主要考慮以下幾種情況。
(1)考慮場(chǎng)地地形地貌復(fù)雜、不良地質(zhì)作用強(qiáng)烈發(fā)育、土層很不均勻,同時(shí)考慮樁錨支護(hù)錨索應(yīng)力松弛等引起的變形不能準(zhǔn)確預(yù)估,鄰近邊坡樓座建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)性較大。故臨近高邊坡頂部附近的樓座采用樁筏基礎(chǔ),邊坡中部和內(nèi)部樓座、地下車庫(kù)、景觀擋墻(除特殊不利地質(zhì)條件外)采用天然地基[16]。典型樓座基礎(chǔ)布置示意圖如圖7所示。
圖7 典型樓座基礎(chǔ)布置示意圖
圖8 樁基礎(chǔ)復(fù)核計(jì)算示意圖
(2)樓座基底土層部分位于風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,部分位于碎石混黏性土,因其基底下地基土壓縮模量差異過大,最終確定基礎(chǔ)方案:基底位于全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖樓座采取筏板基礎(chǔ),基底位于碎石混黏性土樓座采用樁基礎(chǔ)。經(jīng)驗(yàn)算,樓座沉降量12mm,整體傾斜0.28%<0.4%,均滿足地基基礎(chǔ)規(guī)范[17]相關(guān)要求。
計(jì)算時(shí)需注意,建筑基底位于地面以上時(shí),新回填土因沒有固結(jié)需作為荷載考慮,對(duì)原土層產(chǎn)生附加荷載及沉降;當(dāng)同一建筑的基礎(chǔ)部分為筏板基礎(chǔ)、部分為樁基礎(chǔ)時(shí),對(duì)其進(jìn)行沉降分析時(shí),可以通過控制基床系數(shù)實(shí)現(xiàn)模擬。
(3)部分樓座基礎(chǔ)處于高填方區(qū),填方高度約10~17m,為考慮高填方帶來的沉降風(fēng)險(xiǎn),采取高填方樓座增加結(jié)構(gòu)架空層方式減少填方高度,控制填方高度不大于8m,且該樓座基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ),同時(shí)采取土工格柵的方式進(jìn)行回填,保證施工時(shí)壓實(shí)系數(shù)及壓縮模量。經(jīng)驗(yàn)算樓座沉降量8mm,整體傾斜0.20%<0.4%,均滿足地基基礎(chǔ)規(guī)范[17]相關(guān)要求。
依《山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 472—2020)3.1.4條,作為結(jié)構(gòu)嵌固的邊坡應(yīng)達(dá)到罕遇地震作用下不破壞的性能要求。設(shè)計(jì)中邊坡采用放坡形式,達(dá)到減少支護(hù)高度的作用。經(jīng)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)主體與支護(hù)之間土體無法滿足“雙破裂面”要求,故無法滿足罕遇地震作用下基礎(chǔ)的側(cè)限要求。設(shè)計(jì)中,從支護(hù)樁頂-500mm位置至基底(見圖18中陰影區(qū)域)作為地上結(jié)構(gòu)(增加1層地下室),按大震不屈服目標(biāo)復(fù)核樁基礎(chǔ)滿足承載力要求配筋(實(shí)現(xiàn)大震不倒的抗震性能目標(biāo))[18]。
依《山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 472—2020)5.1.7條、6.1.5條,需驗(yàn)算高邊坡處樓座在大震作用下的基礎(chǔ)穩(wěn)定性。
大震穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí),經(jīng)計(jì)算,筏板基礎(chǔ)不能滿足要求,需采用樁基礎(chǔ)。根據(jù)評(píng)審專家意見不考慮樁土共同作用,水平地震影響系數(shù)最大值增大系數(shù)可取1.0,樁頂按剛接考慮(樁頂增設(shè)樁墩或整體增厚筏板),承載力按極限值考慮。SAUSAGE軟件的大震彈塑性分析計(jì)算結(jié)果顯示,靠上部結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的基底摩擦力不能滿足穩(wěn)定性要求,需采用樁基礎(chǔ)才能滿足抗傾覆、抗滑移要求,穩(wěn)定性驗(yàn)算樁布置圖如圖7所示。
為確定緊鄰邊坡樓座樁的個(gè)數(shù),分別對(duì)小震、罕遇地震作用下兩種基礎(chǔ)形式在豎向荷載作用(豎向荷載可產(chǎn)生抗傾覆力矩及摩擦力)下基礎(chǔ)穩(wěn)定性所需樁數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。以疊拼1個(gè)單元為例,地下室擋墻高度4.0m,不設(shè)置結(jié)構(gòu)空腔,筏板厚度500mm,樁徑700mm、樁間距3~4m,分別按小震、罕遇地震進(jìn)行計(jì)算。邊坡處樓座基礎(chǔ)穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果如表3所示。經(jīng)計(jì)算,邊坡處樓座樁基礎(chǔ)每個(gè)單元需28根樁。
表3 邊坡樓座樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果
依據(jù)巖土工程勘察報(bào)告[3],本項(xiàng)目抗浮設(shè)計(jì)可采取兩種方式,分別為按地面抗浮、采取主動(dòng)疏排水措施后按基礎(chǔ)頂抗浮。如按地面抗浮,設(shè)防水位需按主體四周較低地面進(jìn)行驗(yàn)算,則三層地下室的主樓及地下車庫(kù)壓重?zé)o法滿足抗浮需求,需采取抗拔樁、抗浮錨桿等措施予以抗浮。為有效節(jié)省工程造價(jià),結(jié)合場(chǎng)地現(xiàn)有條件,采取主動(dòng)防排水措施予以疏排地表及地下水,具體措施如下:場(chǎng)地外部設(shè)置排洪溝、紅線邊設(shè)置截洪溝及雨水明渠;紅線內(nèi)增設(shè)排水系統(tǒng);肥槽回填需采用不透水材料;在基礎(chǔ)周圍設(shè)置排水盲溝,并確保水體有序排出場(chǎng)外;擋墻設(shè)置泄水孔;建筑周邊地面盡量較大范圍進(jìn)行硬化處理。采取以上措施后,抗浮設(shè)防水位可按基礎(chǔ)頂標(biāo)高設(shè)計(jì)。
依《山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 472—2020)3.1.4條,為保證基礎(chǔ)嵌固條件的有效性,作為結(jié)構(gòu)嵌固端的邊坡應(yīng)達(dá)到罕遇地震作用下不破壞的性能要求。此條文僅給出計(jì)算原則,對(duì)此通過專家評(píng)審并結(jié)合北京本地經(jīng)驗(yàn),計(jì)算選取荷載如下:支護(hù)土壓力取靜止土壓力或朗肯土壓力(動(dòng)土壓力);新老土層結(jié)合面滑體下滑力;建筑物重量按實(shí)際超載取值(樁基取50%的基底荷載);考慮重要性系數(shù)1.1;考慮地震作用與暴雨同時(shí)組合工況。在計(jì)入以上荷載后,同時(shí)考慮高邊坡主樓采用樁基礎(chǔ)對(duì)主體有較高的安全儲(chǔ)備,無需按罕遇地震驗(yàn)算邊坡承載力,即可確保邊坡整體安全。
設(shè)計(jì)過程中,針對(duì)16.9m高的超高邊坡,原方案擬采取靠近邊坡肥槽處回填反壓土來減少支護(hù)計(jì)算高度;超高邊坡主樓支護(hù)樁反壓區(qū)示意如圖9所示。但是,如采用反壓區(qū)方式來減少支護(hù)高度,會(huì)存在如下問題:如肥槽回填較為密實(shí),則支護(hù)樁較大的水平力會(huì)通過土體傳遞給較低臺(tái)地地下車庫(kù),對(duì)地下車庫(kù)承載力及穩(wěn)定性(滑移)有較大影響;如肥槽回填較為松散,則反壓區(qū)土體起不到減少支護(hù)高度的作用,且支護(hù)會(huì)產(chǎn)生較大變形,從而對(duì)較高臺(tái)地高邊坡主樓安全產(chǎn)生影響。回填反壓不利于場(chǎng)地疏排水設(shè)計(jì),反而有利于水體匯聚??紤]以上因素,應(yīng)在方案階段避免采用此方案。
圖9 超高邊坡主樓支護(hù)樁反壓區(qū)示意
高臺(tái)地地下車庫(kù)與低臺(tái)地商業(yè)配套高差17.5m,采用樁錨體系+樁頂擋墻作為永久支護(hù),支護(hù)、配套及地庫(kù)關(guān)系圖如圖10所示。考慮高支護(hù)在土壓力作用下,錨索長(zhǎng)期應(yīng)力松弛現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致高臺(tái)地支護(hù)樁頂產(chǎn)生豎向及水平位移,采取加強(qiáng)樁錨體系構(gòu)造措施及高臺(tái)地地下車庫(kù)補(bǔ)充計(jì)算兩方面予以加強(qiáng)。
圖10 支護(hù)、配套及地庫(kù)關(guān)系圖
加強(qiáng)樁錨體系構(gòu)造措施如下:因錨索均會(huì)有應(yīng)力松弛,不易判斷水平及豎向最終變形;故采取支護(hù)樁底錨入巖石中,按抗滑樁設(shè)計(jì),同時(shí)錨索也需錨入巖石中,此時(shí)按經(jīng)驗(yàn)樁錨體系整體變形可控。
高臺(tái)地地下車庫(kù)補(bǔ)充計(jì)算:圓弧滑動(dòng)范圍內(nèi)地下車庫(kù),需考慮錨索水平及豎向變形對(duì)其產(chǎn)生的不利影響。經(jīng)分析,豎向變形主要是由于錨索的豎向分力產(chǎn)生的,在采取支護(hù)樁底錨入巖石中,按抗滑樁設(shè)計(jì)時(shí),其豎向變形很小。為抵抗支護(hù)樁水平變形產(chǎn)生的影響,地下車庫(kù)緊鄰高邊坡3跨范圍內(nèi)(由圓弧滑動(dòng)范圍確定其范圍)YJK計(jì)算配筋時(shí)考慮豎向變形的影響。實(shí)現(xiàn)方式為YJK軟件計(jì)算時(shí),車庫(kù)柱采用增加豎向位移(緊鄰高邊坡第1排框架柱30mm、第3排框架柱0mm,中間線性插值)的方式復(fù)核結(jié)果,并通過整體加厚豎向變形影響范圍內(nèi)的筏板厚度、適當(dāng)增大通長(zhǎng)筋的方式予以增強(qiáng)。支護(hù)水平變形主要由土壓力及錨索應(yīng)力松弛造成的,由于主樓(其基礎(chǔ)為樁筏基礎(chǔ))及地下車庫(kù)的存在,支護(hù)水平變形不會(huì)引起地下車庫(kù)整體滑移;此時(shí)需驗(yàn)算基礎(chǔ)底板混凝土抗拉強(qiáng)度及鋼筋抗拉強(qiáng)度是否大于基底摩擦力。經(jīng)驗(yàn)算,基礎(chǔ)底板混凝土抗拉強(qiáng)度小于基底摩擦力,整體不會(huì)開裂。
(1)因山地建筑各個(gè)樓座的基底形式差異較大,需根據(jù)不同的情況合理確定基礎(chǔ)形式,以滿足沉降差、傾斜等要求。
(2)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)應(yīng)滿足嵌固要求,本工程不滿足嵌固要求的位置,通過將其作為上部結(jié)構(gòu)并對(duì)其采取加強(qiáng)措施來保證建筑安全及穩(wěn)定。
(3)本工程所在區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害有崩塌、不穩(wěn)定斜坡、泥石流,持力層下臥土層有潛在滑移面。針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害本著先治理、后建房的原則,針對(duì)不同類型地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行專項(xiàng)治理,同時(shí)對(duì)潛在滑移面整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。
(4)本工程為達(dá)到經(jīng)濟(jì)效果最優(yōu),就現(xiàn)有地形支護(hù)+樁基方案及掉層吊腳方案,從造價(jià)、安全性等方面進(jìn)行綜合論述,最終選定支護(hù)+樁基方案。
(5)高邊坡位置樓座應(yīng)滿足罕遇地震下的穩(wěn)定性要求,通過考慮各種系數(shù)使其滿足罕遇地震下彈塑性地震力要求,達(dá)到既滿足計(jì)算要求又節(jié)省成本的目的。
(6)對(duì)邊坡支護(hù)樁荷載選取、荷載反壓及變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了探討,給出了處理措施。
(7)本項(xiàng)目采取主動(dòng)防排水措施,設(shè)置排洪溝、明渠及盲溝等措施以保證基底抗浮。