上海世茂深坑酒店坑底復(fù)雜巖質(zhì)地基基礎(chǔ)設(shè)計

王偉杰

華東建筑設(shè)計研究院有限公司 上海 200041

1 概述

上海世茂深坑酒店的建筑造型新穎獨特，平面和立面均呈彎曲的弧線形，坑內(nèi)主體建筑通過分塊箱形基礎(chǔ)固結(jié)在坑底弱風(fēng)化基巖上，同時在坑頂B1層樓板標高處作為水平鉸接支座，為其提供水平方向約束，深坑上下均有約束，主體結(jié)構(gòu)形成2點支承結(jié)構(gòu)體系。

三維激光掃描技術(shù)是從復(fù)雜實體或?qū)嵕爸兄亟繕说娜叭S數(shù)據(jù)及模型，主要是獲取目標的線、面、體、空間等三維實測數(shù)據(jù)并進行高精度三維逆向建模的技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)集光、機、電等各種技術(shù)于一身，它是從傳統(tǒng)測繪計量技術(shù)并經(jīng)過精密的傳感工藝整合及多種現(xiàn)代高科技手段集成而發(fā)展起來的，是對多種傳統(tǒng)測繪技術(shù)的概括及一體化[1-2]。

面對深坑酒店復(fù)雜的坑底地貌環(huán)境，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，逆向建立巖面三維模型，完整地反映巖面同主體建筑的關(guān)系，指導(dǎo)坑底基礎(chǔ)設(shè)計。

2 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用

世茂深坑酒店主體建筑設(shè)計位于地質(zhì)深坑內(nèi)，依崖壁建造，總建筑面積約60 000 m2（圖1）。酒店主體建筑分為地上部分、地下至水面部分以及水下部分。其中地上建筑2層（局部帶1層地下室），高度約10 m；地下至水面建筑共14層，高度約53.6 m；水下部分建筑2層，高度約10.4 m；建筑總高度約為74 m。

圖1 深坑酒店效果圖

坑內(nèi)主體結(jié)構(gòu)采用分塊箱形基礎(chǔ)與筏形基礎(chǔ)相結(jié)合的形式，基礎(chǔ)持力層為弱風(fēng)化基巖（安山熔巖）。由于坑內(nèi)地形起伏很大，坑底坡腳處部分基巖和建筑相碰，需要爆破清除。

三維激光掃描技術(shù)能完整并高精度地重建掃描實物及快速獲得原始測繪數(shù)據(jù)，可以真正做到直接從實物中進行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)，其激光點云中的每個三維數(shù)據(jù)都是直接采集的真實數(shù)據(jù)，后期處理的數(shù)據(jù)完全真實可靠。

針對項目特點，在坑內(nèi)中心點附近及上部坑口周邊各布置3個站點，通過這6個站點的掃描信息可以基本完整地反映深坑的基本特征。

地質(zhì)深坑實景如圖2所示，掃描后建立坑底三維模型如圖3所示，基于三維激光掃描技術(shù)的高效率、高精度、逼近原形的獨特優(yōu)勢，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，完善地形測繪資料，為深化基礎(chǔ)設(shè)計提供了可靠的計算依據(jù)。

圖2 基礎(chǔ)巖面實景

圖3 基礎(chǔ)巖面掃描圖

3 巖質(zhì)地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范要求

深坑酒店坑底采用箱形基礎(chǔ)與筏基相結(jié)合的形式，基于三維掃描得到的坑底三維實體模型，對坑底巖質(zhì)地基基礎(chǔ)進行設(shè)計。巖質(zhì)地基上的獨立柱基，由于地基承載力很高（坑底微風(fēng)化安山巖巖石地基的承載力在1 700 kPa左右）、基礎(chǔ)底面尺寸較小的特點，抗沖切通常都能滿足，基礎(chǔ)高度主要由抗剪承載力來決定。

根據(jù)國標GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（下稱“國標《地基規(guī)范》”）第8.1.1條對無筋擴展基礎(chǔ)的要求，當(dāng)基礎(chǔ)單側(cè)擴展范圍內(nèi)基礎(chǔ)底面處的平均壓力值超過300 kPa時，應(yīng)按式（1）計算（適用于除巖石以外的地基）：

式中：Vs——相應(yīng)于基本組合時的地基平均凈反力產(chǎn)生的沿墻（柱）邊緣或變階處的剪力設(shè)計值；

ft——混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值；

A——沿墻（柱）邊緣或變階處基礎(chǔ)的垂直截面面積。

根據(jù)重慶市工程建設(shè)標準DBJ 50-047—2006《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（下稱“重慶市《地基規(guī)范》”）第8.2.2條對無筋擴展基礎(chǔ)的要求，當(dāng)基礎(chǔ)單側(cè)擴展范圍內(nèi)基礎(chǔ)底面處的平均壓力值超過300 kPa時，按式（2）計算：

由式（1）、式（2）可知，重慶市《地基規(guī)范》中對于巖石地基無筋擴展基礎(chǔ)承載力計算值比國標《地基規(guī)范》高。在實際工程中，當(dāng)?shù)鼗休d力特征值較高時（如超過300 kPa），通常采用鋼筋混凝土基礎(chǔ)，避免采用無筋擴展基礎(chǔ)。

根據(jù)國標《地基規(guī)范》第8.2.9條對鋼筋混凝土擴展基礎(chǔ)的要求，應(yīng)按式（3）、式（4）計算：

式中：βhs——受剪切承載力截面高度影響系數(shù)；

A0——驗算截面處基礎(chǔ)的有效截面面積；

h0——基礎(chǔ)剪切破壞錐體的有效高度。

國標GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（下稱“國標《混凝土規(guī)范》”）第6.3.3條規(guī)定的斜截面受剪承載力公式，適用于一般板類構(gòu)件，尤其適用于薄板，國標《地基規(guī)范》第8.2.9條直接采用國標《混凝土規(guī)范》的計算公式〔式（3）〕進行厚板的受剪承載力計算，導(dǎo)致計算所需的基礎(chǔ)有效面積增加較多。

國標《地基規(guī)范》對筏板基礎(chǔ)的抗剪設(shè)計規(guī)定（第8.4.10條）中，取用柱（墻）邊緣h0處的剪力設(shè)計值，采用的是減小剪力設(shè)計值的方法；而對樁承臺的抗剪設(shè)計規(guī)定（第8.5.21條）中，引入剪切系數(shù)β，采用的是增大基礎(chǔ)抗剪承載力的辦法，兩者處理方法雖然不同，但減小基礎(chǔ)截面高度的目的是一致的。經(jīng)比較可以發(fā)現(xiàn)，在實際工程中，完全不考慮基礎(chǔ)底板厚度對單向受力的獨立基礎(chǔ)抗剪承載力的影響，這一做法偏于保守。

廣東省標準DBJ 15-31—2016《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（下稱“廣東省《地基規(guī)范》”）第9.2.7條規(guī)定，Vs取距柱邊h0/2處的計算值。

實際工程設(shè)計時，建議按國標《地基規(guī)范》第8.2.9條并考慮剪切系數(shù)，與廣東省《地基規(guī)范》計算結(jié)果取包絡(luò)設(shè)計。

由現(xiàn)行規(guī)范對基礎(chǔ)抗剪計算可知，按國標《地基規(guī)范》進行擴展基礎(chǔ)抗剪驗算時，基礎(chǔ)設(shè)計偏于安全。

本工程仍按國標《地基規(guī)范》第8.2.9條進行抗剪驗算，基礎(chǔ)設(shè)計偏于安全。

4 巖質(zhì)地基基礎(chǔ)設(shè)計有限元分析

對基底反力集中于立柱附近的巖質(zhì)地基，基礎(chǔ)的抗剪驗算條件應(yīng)根據(jù)各地區(qū)具體情況確定。巖石地基上擴展基礎(chǔ)的基底反力曲線是一倒置的馬鞍形，呈現(xiàn)出中間大，兩邊小，到了邊緣又略為增大的分布形式，反力的分布曲線主要與巖體的變形模量和基礎(chǔ)的彈性模量比值、基礎(chǔ)的高寬比有關(guān)。

采用有限元進行分析計算，研究巖體的變形模量和基礎(chǔ)的彈性模量比值、基礎(chǔ)的高寬比2個參數(shù)對基礎(chǔ)承載力的影響。

4.1 模量比值

采用有限元分析軟件，用20 m×20 m×20 m的實體模型模擬無限大空間巖石地基，上部獨立基礎(chǔ)為3 m×3 m×2 m，獨立基礎(chǔ)上部作用φ900 mm鋼管混凝土柱，建立如下圖4所示的三維分析模型，模型網(wǎng)格劃分如圖5所示。獨立基礎(chǔ)及鋼管混凝土柱的混凝土強度等級采用C60，本構(gòu)模型采用混凝土損傷塑性模型，巖石地基本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫塑性模型。

選取某個鋼管混凝土柱上內(nèi)力F=15 300 kN，研究地基不同彈性模量情況下基底應(yīng)力分布情況。計算如下3種工況：

1）模型1：地基彈性模量E1=5.5 GPa（本工程巖體實際彈性模量）。

2）模型2：地基彈性模量E2=55 GPa（本工程巖體實際彈性模量的10倍）。

3）模型3：地基彈性模量E3=0.55 GPa（本工程巖體實際彈性模量的1/10）。

上述3個模型基底應(yīng)力分布云圖如圖6～圖8所示。

圖4 三維實體模型

圖5 三維模型網(wǎng)格劃分

圖6 模型1基底局部應(yīng)力云圖

圖7 模型2基底局部應(yīng)力云圖

圖8 模型3基底局部應(yīng)力云圖

上述3個模型基底應(yīng)力的水平及垂直方向分布如圖9、圖10所示。

圖9 基底應(yīng)力水平方向分布

圖10 基底應(yīng)力垂直方向分布

由基底應(yīng)力分布圖可知：

1）當(dāng)?shù)鼗鶑椥阅Ａ枯^小時，基礎(chǔ)底部中間應(yīng)力較為均勻，邊緣有明顯的應(yīng)力集中。

2）隨著地基彈性模量的逐漸增大，基底應(yīng)力模式發(fā)生較大變化，基底應(yīng)力逐漸向中間轉(zhuǎn)移，呈中間大、兩邊小、邊緣局部大的分布模式，非線性特征強。

3）隨著地基彈性模量逐漸增大，基礎(chǔ)的破壞模式由受彎破壞逐漸向局部承壓破壞轉(zhuǎn)變。

4）當(dāng)深度大于1倍基礎(chǔ)寬度時，地基彈性模量變化對地基內(nèi)部應(yīng)力分布影響較小。

因此，當(dāng)?shù)鼗鶑椥阅Ａ肯鄬^大時，由于基底反力向中間轉(zhuǎn)移，上部基礎(chǔ)受到的實際剪力值將小于由國標《地基規(guī)范》第8.2.9條計算的剪力值，故按國標《地基規(guī)范》第8.2.9條進行基礎(chǔ)抗剪驗算時，基礎(chǔ)設(shè)計偏于安全。當(dāng)?shù)鼗鶑椥阅Ａ枯^?。ㄈ畿浫跬翆拥龋r，由于基底應(yīng)力較為平均（除基礎(chǔ)邊緣外），按國標《地基規(guī)范》第8.2.9條進行基礎(chǔ)抗剪驗算時，與實際受力情況吻合較好。

4.2 基礎(chǔ)高寬比

類似上述分析過程，建立典型三維模型，研究上部基礎(chǔ)不同高寬比情況下的基底應(yīng)力分布情況。地基彈性模量根據(jù)實際情況取值，計算如下3種情況：

1）模型1：基礎(chǔ)尺寸3 m×3 m×2 m，基礎(chǔ)高寬比2/3（本工程基礎(chǔ)實際高寬比）。

2）模型4：基礎(chǔ)尺寸3 m×3 m×1 m，基礎(chǔ)高寬比1/3。

3）模型5：基礎(chǔ)尺寸3 m×3 m×3 m，基礎(chǔ)高寬比1。模型1基底應(yīng)力分布云圖詳見圖6，模型4、模型5基底應(yīng)力分布云圖如圖11、圖12所示。

圖11 模型4基底局部應(yīng)力云圖

圖12 模型5基底局部應(yīng)力云圖

上述3個模型基底應(yīng)力的水平及垂直方向分布如圖13、圖14所示。

由基底應(yīng)力分布圖可知：

1）當(dāng)基礎(chǔ)高寬比較大時，基礎(chǔ)底部中間應(yīng)力較為均勻，邊緣有明顯的應(yīng)力集中。

2）高寬比愈大，基礎(chǔ)反力分布愈均勻；高寬比愈小，基礎(chǔ)反力分布愈不均勻。隨著基礎(chǔ)高寬比的逐漸減小，基底應(yīng)力模式發(fā)生較大變化，基底應(yīng)力逐漸向中間轉(zhuǎn)移，呈中間大、兩邊小、邊緣局部大的分布模式，非線性特征強。

3）基礎(chǔ)高寬比的減小引起的基底應(yīng)力變化情況與地基彈性模量增大的情況類似。

4）當(dāng)深度大于1倍基礎(chǔ)寬度時，地基彈性模量變化對地基內(nèi)部應(yīng)力分布影響較小。

圖13 基底應(yīng)力水平方向分布

圖14 基底應(yīng)力垂直方向分布

5 結(jié)語

通過三維激光掃描技術(shù)得到坑底巖面三維模型，指導(dǎo)坑底基礎(chǔ)設(shè)計。通過對比現(xiàn)行規(guī)范有關(guān)獨立基礎(chǔ)設(shè)計要求，并通過有限元分析計算，可得到如下結(jié)論[3-4]：

1）三維激光掃描技術(shù)，大大減少了現(xiàn)場測量的工作量，極大地提高了工作效率。

2）當(dāng)?shù)鼗休d力較高時，按國標《地基規(guī)范》進行擴展基礎(chǔ)抗剪驗算時，基礎(chǔ)設(shè)計偏于安全。

3）巖質(zhì)地基變形模量與上部基礎(chǔ)的彈性模量比值、上部基礎(chǔ)的高寬比對地基內(nèi)應(yīng)力分布情況有較大影響。

通過有限元分析計算巖質(zhì)地基變形模量、基礎(chǔ)高寬比對地基內(nèi)部應(yīng)力分布的影響，為巖質(zhì)地基基礎(chǔ)設(shè)計提供參考。