某大跨度空間結構基礎選型及抗浮設計

羅仕偉

(成都基準方中建筑設計有限公司，四川成都 610017)

隨著社會的不斷發(fā)展，人們對于大型公共文化旅游場所的需求不斷增加，大量大跨度公共建筑應運而生。與傳統(tǒng)的結構類型相比，此類結構對于基礎的要求更高[1]。選擇合理的基礎形式不僅能使基礎得到更大程度的發(fā)揮，還能節(jié)約成本，提高工程的經(jīng)濟效益。本文結合具體的工程實例，對于基礎的選型過程做了詳細的介紹，為類似工程的基礎設計提供參考。

1 工程概況

整個項目由娛雪樂園、水樂園和停車樓三部分建筑組成。總建筑面積37.05×104m2，其中地上建筑面積31.12×104m2，地下建筑面積5.93×104m2。其中，娛雪樂園是為滿足新型綜合滑雪旅游產(chǎn)業(yè)的需求而特別定制的特大型休閑娛樂類建筑。為模擬自然的冰雪環(huán)境，娛雪樂園的公共區(qū)域接近無柱空間，跨度從174 m漸變到94 m，高度由35 m漸變至85 m。娛雪樂園平面尺寸長428 m，為減小結構單體長度并簡化結構受力的復雜性，共設置兩道兩條結構縫，將整個建筑分為三部分：北側(低區(qū))、中部(中區(qū))和南側(高區(qū))(圖1)。

項目低區(qū)處于場地填方區(qū)域,無地下室,采用框架結構；中區(qū)采用框架結構形式,含一層地下室；高區(qū)結構形式為框架結構+鋼支撐及屈曲約束支撐,共兩層地下室。

圖1 娛雪樂園整體平面分縫示意

2 工程地質概況

2.1 場地土層分布及力學性能

地勘資料顯示，場地上覆第四系人工填土，其下由第四系全新統(tǒng)河流沖洪積成因的粉土、砂及卵石組成，其各土層力學性能指標如表1所示。

表1 力學性能指標

2.2 地下水

勘察期間處于豐水期初，測得第四系孔隙潛水穩(wěn)定水位埋深在地表以下0.2～6.5 m；標高693.42～696.42 m，平均694.89 m。根據(jù)場地地層條件、地下水位埋深、場平標高、回填土性質、回填情況和建設單位提供的黑石河水位觀測資料，擬建雪樂園的抗浮水位可按700.50 m考慮。

3 基礎選型

對于上部結構為框架的基礎形式，一般根據(jù)土層不同可以選擇獨立基礎或樁基礎。勘測資料顯示該場地卵石層中含有大量漂石，漂石的穿透難度大，沉樁條件一般。本文主要從天然獨立基礎的角度分析基礎選型的思路。

3.1 基礎持力層及埋深的選取

本工程±0.000標高為702.500 m，地勘資料顯示，場地的地下水水位標高為693.42～696.42 m左右，整個場地水位呈現(xiàn)東北高，西南低的趨勢；場地大部分區(qū)域最高水位均低于696.000 m，場地地下水標高分布詳圖2。

圖2 場地地下水標高分布

高區(qū)結構共兩層地下室，地下室底板板底面標高為694.000 m，對應的基礎持力層大部分為中密卵石層；中區(qū)結構含一層地下室，地下室底板板底面標高為696.000 m，對應的基礎持力層為稍密卵石層；低區(qū)由于無地下室，則不能根據(jù)地下室底板標高來確定基礎埋深。根據(jù)GB 5007-2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》5.1.2條規(guī)定[2]，除巖石地基外，基礎埋深不宜小于0.5 m。考慮到上部結構為大跨度空間結構體系，在柱底會產(chǎn)生較大的彎矩，基礎需要有足夠的埋置深度以避免結構整體傾覆，此時基礎埋深不宜過小。但是如果基礎埋置深度過深，對于項目的綜合成本會產(chǎn)生較大的影響。綜合考慮，低區(qū)的基礎埋深選擇在地下水位以上0.5 m(696.500 m)。

3.2 基礎選型

由于建筑使用功能的要求，地上結構在一個方向為框架結構體系，另外一個方向則呈現(xiàn)出排架結構的受力特性。在排架方向上，柱底將會產(chǎn)生較大的彎矩作用。

根據(jù)GB 50011-2010(2016版)《建筑抗震設計規(guī)范》4.2.4條，高寬比大于4的高層建筑，在地震作用下基礎底面不宜出現(xiàn)脫離區(qū)(零應力區(qū))；其他建筑，基礎底面與地基土之間脫離區(qū)(零應力區(qū))面積不應超過基礎底面積的15 %。結合本工程的結構特點，在基礎選型時按照小震作用下不出現(xiàn)零應力區(qū)，中震作用下零應力區(qū)不超過15 %進行控制，同時在大震作用下對基礎進行抗傾覆驗算。

3.2.1 內(nèi)部結構板與外排柱連接方式

低區(qū)結構不含地下室，但由于建筑室內(nèi)功能的需要，在±0.000標高位置需設置一層結構梁板，該結構梁板與主體結構的外排柱之間相對關系有兩種(圖3)：(1)內(nèi)部框架與外排柱直接連接；(2)內(nèi)部框架在外排柱位置設置雙柱，相互不連接。

(a) 內(nèi)部框架與外排柱連接

(b) 內(nèi)部框架與外排柱不連接

當內(nèi)部框架與外排柱直接相連時，外排框架與內(nèi)部框架共同受力，內(nèi)部框架作為外部框架的一個支點，此時，與外排柱直接相連的框架柱及框架梁承受較大的荷載，而外排柱承受的彎矩有明顯減小的趨勢；在兩者相互不連接時，內(nèi)部框架與外部框架自成體系，各自受力，結構關系簡單清晰；在不同連接情況下，典型結構柱柱底內(nèi)力比較結果詳表2。經(jīng)過綜合比較分析，最終確定的結構體系為兩者相互連接，后續(xù)的基礎選型也是基于此結構體系進行。

表2 兩種不同連接方式下外排柱柱底內(nèi)力

3.2.2 外排柱基礎選型

內(nèi)部框架只有一層結構板，結構內(nèi)力較小，基礎做法簡單，此處的基礎選型就不再贅述，僅針對外排柱進行分析。典型外排柱在不同工況下的內(nèi)力情況如表3及圖4。

表3 典型柱在不同工況下的內(nèi)力

(a) 軸力

(b) 彎矩

根據(jù)小震不出現(xiàn)零應力區(qū)的原則進行基礎設計，結果如表4。

表4 小震作用下基礎計算結果

根據(jù)中震零應力區(qū)不超過15 %進行控制，計算分析得到的基礎尺寸如表5。

表5 中震作用下基礎計算結果

從前文給出的內(nèi)力可以看出，外排柱在柱底將產(chǎn)生較大的彎矩作用，對于這種大跨度結構，在大震作用下將會產(chǎn)生更大的彎矩，結構的整體抗傾覆將直接關系到結構的安全。因此，在基礎設計階段就需要對基礎進行抗傾覆驗算，在驗算過程中，不考慮土體約束對于結構的有利作用，這種有利作用作為一種安全儲備(圖5)。

圖5 傾覆驗算示意

通常將抗傾覆彎矩Mw與傾覆力矩Mcr的比值定義為抗傾覆安全系數(shù)，用該系數(shù)的大小來衡量結構的安全度。基礎抗傾覆驗算簡圖如圖5所示。上部結構在基礎頂面的荷載(軸力N、彎矩M、剪力F)可以通過上部結構的整體計算模型得到。假定基礎為方形基礎，基礎邊長為b，基礎高度為h，結構的抗傾覆力矩大小為：

Mw=(N+W)·b/2+25·b2·h·b/2

(1)

傾覆力矩大小為：

Mcr=M+F·h

(2)

抗傾覆安全系數(shù)：

(3)

在求解基礎尺寸時，基礎厚度主要受軸力大小的影響，可先假設基礎厚度與中震作用下的基礎厚度一致；然后根據(jù)預先假定的抗傾覆安全系數(shù)計算基礎平面尺寸大小。在確定出基礎平面尺寸之后，再進行基礎的承載力驗算。GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》[2]對于擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性的規(guī)定，抗傾覆安全系數(shù)不小于1.6，按照前文式(1)～式(3)計算出本項目在大震作用下，在不同抗傾覆安全系數(shù)下得到的基礎尺寸結果以及對應的零應力區(qū)驗算結果(表6)。

表6 大震作用下基礎抗傾覆驗算結果

通過對基礎小震、中震和大震作用下的分析，可以看出，在承受較大彎矩作用下的的基礎尺寸由抗傾覆驗算結果控制。

4 抗浮初步設計

4.1 有效水浮力計算

地勘資料顯示，娛雪樂園的抗浮設計水位標高為700.500 m。低區(qū)處于場地的填方區(qū)且無地下室，暫不考慮抗浮。中區(qū)地下室底板底面標高為696.00 m，水頭高度為h=4.5m；高區(qū)地下室底板底面標高為694.000 m，水頭高度為h=6.5m。經(jīng)計算，各區(qū)域有效水浮力詳表7。

表7 水浮力計算匯總 kN/m2

4.2 錨桿設計

在確定錨桿在底板布置方式前，首先假定單根錨桿的抗拔承載力特征值Nak，在確定抗拔特征值之后再根據(jù)不同柱跨計算各柱跨布置的錨桿根數(shù)n。本項目單根錨桿的抗拔承載力特征值為Nak=280kN。

該項目擬采用直徑為150 mm的錨桿，錨桿桿體的截面面積根據(jù)GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術規(guī)范》[3]確定：

(4)

式中：As為錨桿鋼筋截面面積；Kb為錨桿桿體的抗拉安全系數(shù)；Nak為錨桿相應于作用的標準組合時錨桿所受軸向拉力；fy為鋼筋的抗拉強度設計值。

錨桿的長度需同時滿足以下兩種情況：(1)按照注漿體與土層粘結強度計算的長度：

(5)

(2)按照注漿體與錨桿桿體粘結強度計算的長度：

(6)

式中：frbk為巖土層與錨固體極限粘結強度標準值；fb為鋼筋與錨固砂漿建的粘結強度設計值。本項目中，土體與錨桿體的極限粘結強度標準值frbk如表8；鋼筋與錨固砂漿間的粘結強度設計值fb取2.4 MPa。經(jīng)計算，該本項目錨桿的長度約為9 m，錨桿需要的鋼筋為1 517 mm2，錨桿大樣如圖6。

表8 土體與錨固體極限粘結強度標準值

圖6 錨桿大樣(單位:mm)

4.3 錨桿現(xiàn)場基本試驗

錨桿設計完成之后，需要在現(xiàn)場進行試錨施工并進行基本試驗檢測，以驗證錨桿設計的可行性。本工程在整個場地的不同位置上共選擇了6組錨桿，每組錨桿由3根錨桿組成。在每組錨桿施工過程中分別考慮注漿液體稠度、注漿壓力、添加早強劑和速凝劑、二次注漿、添加級配碎石等的影響。錨桿直徑D=150mm，錨桿長度9 m，預估承載力特征值為280 kN。

試驗采用穿心式千斤頂、手動油泵進行加載，數(shù)據(jù)從壓力表中讀取；按照規(guī)范規(guī)定的加載方式進行分級循環(huán)加載、卸載。當出現(xiàn)以下情況時可以判定錨桿破壞:(1)錨頭位移不收斂，錨固體從巖土層中拔出或錨桿從錨桿體中拔出；(2)錨頭總位移量超過設計允許值；(3)土層錨桿試驗中后一級載荷產(chǎn)生的錨頭位移增量超過上一級載荷位移增量的2倍。

分別對每根錨桿按照預先設定的分級進行循環(huán)張拉試驗，每根錨桿均加載至破壞，按照規(guī)范規(guī)定，取破壞前一循環(huán)作為抗浮錨桿的極限承載力，得到錨桿的極限承載力約為778 kN，且不同錨桿施工工藝對試驗結果的影響不大。通過對比發(fā)現(xiàn)，錨桿試驗得到的承載力比按照地勘資料計算得到的承載力偏高。經(jīng)過分析認為，試驗時間在雨季尾期，逐漸進入枯水期，地下水位明顯下降，較勘察時期地下水位明顯下降1.5～2 m，導致試驗錨桿施工時地下環(huán)境明顯改善，水泥漿充盈系數(shù)明顯得到改善，從而使錨桿的承載力有顯著提高。

5 結論及建議

地基基礎設計必須根據(jù)上部結構條件(如安全等級、結構類型等)和工程地質條件，綜合考慮現(xiàn)場工期、造價、施工條件等因素，合理選擇地基基礎方案。對于無地下室的大跨度結構，要特別注意基礎的抗傾覆驗算。抗浮錨桿設計時，需要特別注意設計采用的地質資料與實際施工時地質條件的差異，合理選取錨桿的抗拔承載力設計參數(shù)，以保證建筑物的安全和正常使用。