某高層結構基礎形式探討

吳軍利 趙智云 張支唐

(1．陜西省建筑設計研究院有限責任公司，陜西西安 710003;2．河北東明集團，河北石家莊 052360)

1 工程概況

某高層商住樓位于陜西省南部某山區縣城內，擬建建筑的北側現有一棟7層高住宅樓，南面臨河，東與小學校園相接，西側為在建某單位綜合樓(20層)。本工程共30層，1層～5層為大空間的商業、辦公用房，6層～30層為住宅，1層～3層層高4．2 m，4層層高3．9 m，5層層高5．4 m(轉換層)，6層～30層層高3 m，建筑總高度96．9 m。底部兩層在北側和東側周圍有擋土，其他兩面臨空。

2 場地概況

依據GB 50011-2010建筑抗震設計規范，該建筑抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0．05g;設計地震分組為第二組;建筑場地類別為Ⅱ類，設計特征周期值為0．40 s。依據巖土工程詳勘報告，本工程重要性等級為二級，巖土工程勘察等級為乙級，地基基礎設計等級為乙級。本場地地貌單元屬河流左岸Ⅰ級階地。

據勘探揭露，場地內地層自上而下依次為:第四系全新統雜填土(Qml4)和下古生界寒武系下統魯家坪組(∈)板巖;地層編號為①，②。各層巖土的野外特征及埋藏條件分述如下:

①層雜填土(Qml4):主要由漂卵石、圓礫及粘性土組成，混少量建筑垃圾和生活垃圾。結構松散，土質不均勻。層厚0．50 m～3．10 m，層底深度 0．50 m ～ 3．10 m，層底相對標高 92．30 m ～95．80 m，遍布場地。

②層板巖(∈):深灰～黑灰色，經區域變質作用形成。層狀結構，單斜構造。巖層現狀為走向NW-SE，傾向NE30°～35°，傾角52°～60°。

按其風化程度分為三個亞層:

②-1層強風化板巖:節理、層理和裂隙發育，巖芯多呈薄片狀、碎塊狀。層厚1．60 m ～2．80 m，層底深度 2．50 m ～5．60 m，層底相對標高89．80 m ～93．80 m。

②-2層中風化板巖:節理、層理和裂隙較發育，巖芯多呈塊狀。層厚 2．540 m ～2．60 m，層底深度 7．20 m ～10．00 m，層底相對標高85．80 m ～88．80 m。

②-3層微風化板巖:節理裂隙不甚發育，巖體較完整，基本質量等級為Ⅱ類。鉆進艱難，巖芯呈短柱狀、柱狀。未穿透，最深鉆入該層 10．60 m。

勘察期間，各勘探點在勘探深度范圍內均未見到地下水。經對周圍地面調查與走訪綜合分析，未發現影響場地穩定的不良地質作用，適宜建筑。

據室內試驗成果，②-2層中風化板巖在天然狀態和飽和狀態下單軸抗壓強度數據統計結果見表1。

表1 巖石單軸抗壓強度試驗結果統計表

根據野外鉆探情況及表1統計結果可知:

②-1層板巖:強風化，巖芯呈薄片狀或碎塊狀，巖芯采取率大于70%，工程性能較好。

②-2層板巖:中等風化，巖芯呈塊狀或短柱狀，巖芯采取率大于80%，飽和單軸抗壓強度標準值達61．4 MPa，屬堅硬巖，強度高，工程性能良好，是良好的天然地基或樁端持力層。

②-3層板巖:微風化，巖芯呈短柱狀或柱狀，巖芯采取率大于90%，工程性能良好，是良好的樁端持力層。

根據建(構)筑物地基巖土工程勘察任務委托書和工程地質剖面圖可知，基礎埋深為－7．8 m(相當于標高92．2 m)，基底持力層為②-1和②-2板巖，兩種巖(土)體工程性能相差較大，地基屬不均勻地基。

據室內試驗成果，結合地區建筑經驗，綜合確定的各層地基土承載力特征值列于表2。

表2 地基土承載力特征值fk kPa

該場地地表下勘探深度范圍內均無地下水，無可液化土層分布，設計時可不考慮地震液化問題。

3 結構計算概況

根據建筑功能需要，本工程結構為在第5層(結構計算層)設置轉換層的部分框支剪力墻結構，屬于復雜高層建筑結構。本工程計算采用中國建筑科學研究院建研科技股份有限公司編寫的“多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件”(墻元模型)，即2008年版的PKPM系列軟件SATWE程序。考慮到下部的兩層地下室四周擋土情況差異較大，設計要求擋土側事先做成獨立于主體的擋土墻，避免下部由于混凝土墻設置不均勻而造成整體結構扭轉不規則。這樣計算的嵌固端就位于基底，結構屬于無地下室的高層建筑。由于本工程位于6度抗震設防區，基本風壓0．45 kN/m2，底層框支柱基本由軸壓比控制，最大截面為1 250 mm×1 250 mm。經計算知，各樓層的平均單位面積質量約為14．75 kg/m2，底層的剪重比約為0．82%，底層框架柱承擔的地震傾覆彎矩X方向約為5．54%，Y方向約為9．45%，轉換層上一層(6層)與轉換層的樓層側向剛度比為1．474 5(X向)和1．585 7(Y向)，滿足規范對于轉換層與相鄰上一層側向剛度比限值的要求。主要計算結果如下:

1)高位轉換時轉換層上部與下部結構的等效側向剛度比如下:

采用的樓層剛度算法:剪彎剛度算法。

轉換層所在層號=5。

轉換層下部結構起止層號及高度=1，5，21．90。

轉換層上部結構起止層號及高度=6，12，21．00。

X方向下部剛度=0．764 7E+07，X方向上部剛度=0．883 9E+07，X 方向剛度比 =1．108 4。

Y方向下部剛度=0．954 0E+07，Y方向上部剛度=0．119 0E+08，Y 方向剛度比 =1．196 2。

剛度變化基本均勻，滿足規范對于高位轉換結構等效側向剛度比的要求。

2)抗傾覆驗算結果(見表3)。

表3 抗傾覆驗算結果

3)結構整體穩定驗算結果。

X向剛重比EJd/GH×2=6．52。

Y向剛重比 EJd/GH×2=6．65。

該結構剛重比 EJd/GH ×2 ＞1．4，能夠通過高規(5．4．4)的整體穩定驗算。該結構剛重比EJd/GH×2＞2．7，可以不考慮重力二階效應。

4 基礎形式探討

由于本工程屬于在第5層設置轉換層的高位轉換結構，依據規范要求，基礎應有良好的整體性及抗轉動能力。本工程沒有設置地下室，基礎直接坐落于板巖上，屬于直接坐落于基巖上的淺基礎。由地質報告知，主樓北側地基置于②-2中風化板巖上，而南側地基置于②-1強風化板巖上。兩種巖體工程性能有一定差異，屬于不均勻場地。地勘報告建議本工程基礎采用樁筏基礎，以②-2中風化板巖為樁端持力層，采用人工挖孔鋼筋混凝土灌注嵌巖樁穿透②-1強風化板巖進入②-2中風化板巖。鑒于本工程基坑實際開挖結果:基底基本全在②-3層微風化板巖上，地基持力層豎向承載力較高，場地均勻，地基的豎向承載力能夠保證。因此本工程基礎設計的難點在于采用何種基礎形式來保證巖石地基上淺基礎的抗滑移及整體穩定性。

由于本建筑底層的剪重比約為0．82%，采用樁筏基礎，可以利用筏板與地基之間的摩擦力來抵抗地震、風等水平荷載作用下的水平力，再加上灌注樁的抗水平荷載的作用，地基的抗滑移及整體穩定問題應該可以容易得到保證。缺點是采用整體筏板混凝土及鋼筋用量較大，經濟性稍差。

由計算結果知，柱底內力無拉力出現，計算的基底零應力區為零，所以結構的抗傾覆能夠得到保證。若采用柱下樁基加承臺的基礎形式，只要灌注樁能夠抵抗結構的水平作用，能夠保證結構的抗滑移穩定性，也是可行的。

經與甲方溝通，本工程基礎最終采用柱下樁基加承臺的基礎形式，為提高基礎的安全性，設計時柱下灌注樁按承擔中震作用下整體結構的水平剪力進行計算，確保灌注樁在中震水平作用下處于不屈服狀態。

［1］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］．

［2］GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規范［S］．