丹霞地貌山頂新建建筑抗傾覆技術研究

張海強

（山西建筑工程集團有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

江西貴溪某書院重建項目位于貴溪象山，文峰塔是該項目最具標志性的建筑，修建于象山山頂。象山屬于丹霞地貌，是頂平、身陡、麓緩的方山，山體為整塊巖石。

文峰塔作為本項目的特色建筑，本身建筑所在的環境比較特殊，與一般的高層建筑設計環境差別很大，現場無可開挖的土層，均為巖石層，且山路崎嶇，運輸材料困難，基礎施工的難度大；山頂本身的高度較高，對塔體的抗傾覆的要求嚴格，導致基礎的埋設深度也大幅提高。塔身設計高度46.36m，原設計基礎埋深4.7m，需在山頂開挖4.5～5m[1]。

2 關鍵施工技術

2.1 施工工藝研究路線

工藝研究采用逐一解決應達到的各項指標，為滿足各項指標細化到每個環節的方法，整體思路如下（圖1）。

圖1 施工工藝研究思路

（1）研究多高層建筑淺埋基礎時抗傾覆采取的措施。在建筑物受到較大風荷載作用時，結構會受到很大的傾覆力矩，當風荷載產生的傾覆力矩超過建筑物本身的抗傾覆力矩時，會造成建筑物失穩傾覆。一般情況下，建筑物的傾覆力矩可以通過基礎底板反力和基礎的埋置深度范圍內周邊土體的側向被動土壓力所形成的反傾覆力矩來平衡，當基礎埋置較淺或無埋深時，由單一的基礎底板反力進行平衡。建筑物抗傾覆的計算方法，將建筑物按照整體剛性結構考慮，將基礎底板的頂部平面設為嵌固層，基礎底板的外邊緣點為傾覆計算點，根據各樓層地震力的計算公式見式（1）。

質量沿高度均勻分布，地震作用時上部較大而下部較小，所產生的水平力合力V作用點在建筑物地面以上凈高度的2/3處，傾覆力矩計算公式見式（2）。

式中：Mov——傾覆力矩標準值；H——房屋高度；V——總水平力標準值。

抗傾覆力矩計算中的作用力為總重力荷載代表值，則抗傾覆力矩計算公式見式（3）。

式中：Mr——抗傾覆力矩標準值；G——建筑物的總重力荷載代表值；B——基礎的寬度[2]。

建筑物主體結構高寬比對建筑物的抗傾覆能力影響較大，高寬比較大的建筑抗傾覆能力明顯不如高寬比較小的建筑，高寬比較大的建筑會降低結構效能，產生過大的附加彎矩和附加力。因此，為了控制建筑物的整體穩定性和抗傾覆能力，通常采用控制建筑物的高寬比的方法。計算建筑結構臨界應力時，按照豎向的懸臂桿件，建筑結構的基礎為底部固定端，主體為懸臂端，采用材料力學公式，豎向懸臂桿件的整體穩定臨界應力計算公式見式（4）。

式中：σcr——臨界應力；E——材料彈性模量；L——桿件長度；r——壓桿截面回轉半徑。

從式（4）可以看出，懸臂桿件的整體穩定性與桿件的高度有關，與截面的回轉半徑有關。對于矩形平面，從截面力學公式可以看出，其回轉半徑r=0．29B（B為截面寬度），建筑結構的任何形狀的平面可以通過回轉半徑等效的方法換算成矩形平面。

（2）研究多高層建筑抗傾覆設計中基礎埋深的影響指標。當高層建筑受到地震作用、風荷載或其他水平荷載時，筏形基礎的抗滑移穩定性應符合以下公式的要求見式（5）。式中：Ks——抗滑移穩定性安全系數；Q——作用在基礎頂面的風荷載、水平地震作用或其他水平荷載，kN；F1——基底摩擦力合力，kN；F2——平行于剪力方向的側壁摩擦力合力；Ep、Ea分別為垂直于剪力方向的地下結構外墻面單位長度上主動土壓力、被動土壓力，kN/m；L——垂直于剪力方向的基礎邊長，m。

基礎底面摩擦力合力計算公式見式（6）。

式中：μ——基底與巖石地基的摩擦系數；F’k——上部結構恒載傳至基礎頂面的豎向力；G——基礎自重及基礎上土重之和。

結構兩側主動土壓力、被動土壓力計算。垂直于剪力方向的地下結構外墻面單位長度上主動土壓力Ea、被動土壓力Ep計算式分別見式（7）、式（8）。

式中：ψa——主動土壓力增大系數；γ——填土的重度；h——擋土結構的高度；ka——主動土壓力系數；kp——被動土壓力系數。

（3）研究增加建筑基底寬度、加強基礎底板剛度、設置抗拔錨桿等基礎加強措施的方法。根據勘探情況，在巖石基底采用鉆芯法開孔，埋入鋼筋錨入結構基礎中，利用抗拔樁原理拉結結構，達到增加基礎埋深的要求；基坑開挖時，基坑邊緣巖石采用傳統開鑿工藝，使巖石坑壁作為筏板基礎的外側模板，并在巖石坑壁采用植筋方式植入鋼筋并錨入結構基礎中，使結構基礎與山頂巖石形成整體，達到擴大基礎面積的目的，從而達到建筑結構的抗傾覆作用[3]。

（4）研究巖石基礎抗拔樁的施工工藝。抗拔錨桿施工，按一般地下車庫抗浮錨桿的施工工藝進行。錨桿體為1φ28（按設計方案確定），在錨桿上焊接3根鋼筋作為定位支架，按1.5～2m間距設置，底部1m物資設置倒刺，定位支架確保錨桿體的平行及具有抗拔力，保證錨桿在錨桿孔中心；注漿管采用兩根直徑20mm的塑料管與錨桿體連接，一根用于一次注漿可拔除，另一根管體底部2m范圍間隔500mm設置溢漿孔。漿液采用純水泥漿攪拌均勻。一次注漿采用孔底返漿法，將桿體上的一次注漿管連接注漿機，注滿注漿孔，充盈系數達到1.2以上；注漿完成后采用碎石填充，保證碎石填滿孔內；一次注漿體的初凝強度達到5.0MPa后（一次注漿完成2h后），進行二次高壓注漿，采用孔底返漿法，將注漿管連接二次壓漿管，用注漿機將水泥通過注漿管注入孔底，水泥從孔底外依次充滿并將孔內空氣壓出，而水泥漿則由孔眼處擠出并沖破第一次注漿體。

（5）研究巖石基礎開挖的施工工藝。基坑開挖采用小型炮錘，為保證巖石整體性，在巖石上開挖時，先從中間破碎，根據巖石的破壞情況，清理出一個小型凹坑，然后沿凹坑邊緣逐步向外破碎至基坑開挖邊線。根據試驗，小型炮錘的破碎深度在500mm左右，按基坑深度分層進行，每層破碎完成后進行清理，然后進行下一層破碎機清理。開挖至距基底標高1000mm左右停止。

2.2 研究目標

根據勘探情況，在巖石基底采用鉆芯法開孔，埋入鋼筋錨入結構基礎中，利用抗拔樁原理拉結結構，達到增加基礎埋深的要求；基坑開挖時，基坑邊緣巖石采用傳統開鑿工藝，使巖石坑壁作為筏板基礎的外側模板，并在巖石坑壁采用植筋方式植入鋼筋并錨入結構基礎中，使結構基礎與山頂巖石形成整體，達到擴大基礎面積的目的，從而達到建筑結構的抗傾覆作用[4]。

2.3 關鍵技術方案

（1）在巖石基底上直接澆筑混凝土，在巖石基底采用鉆芯法開孔進行抗拔錨桿施工，使結構基礎底部混凝土與巖石基底澆筑成一體，利用抗拔樁原理拉結結構，達到增加基礎埋深的要求；

（2）基坑開挖時，基坑邊緣巖石采用開鑿工藝，使巖石坑壁作為筏板基礎的外側模板，并在巖石坑壁采用植筋方式植入鋼筋并錨入結構基礎中，使結構基礎與巖石形成整體，達到擴大基礎面積的目的。

（3）在整塊巖石上開挖基坑，為防止破壞基巖，先人工沿基礎外輪廓線向內開鑿400～500mm，深度為基坑底部標高。然后中間部位采用小型炮錘從開槽處退步開挖，因開槽處為無約束部位，炮錘錘入后巖石向開槽處碎裂，從而不會破壞巖石整體。

3 施工工藝流程

施工工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程

（1）基礎二次設計。采用抗拔及鑲嵌的方式減少基礎埋深，先根據地勘報告，研究原始地貌基巖的分布情況，在基巖能夠滿足包裹基礎的情況下，按抗拔錨桿的深度，計算增加抗拔錨桿的數量，以及包裹基礎的巖石水平尺寸，從而計算可減少的基礎埋深。

（2）垂直運輸設備安裝。丹霞地貌的特征為頂平、身陡，故垂直運輸可考慮塔吊運輸，根據山頂高度采用多臺塔吊倒運。一般丹霞地貌山頂與山腳至少有一側的水平距離不會太大，可在山腳安裝一臺塔吊，山頂建筑施工處安裝一臺塔吊，山腰平臺設置材料中轉場地，利用兩臺塔吊倒運材料及部分小型設備至施工場地。

（3）放線。放線時先放基礎邊線，山頂的雜土及碎石層清理后，巖石層一般外擴600～1000mm作為基坑開挖的外邊線。

（4）基坑分層開挖。基坑開挖采用小型炮錘，為保證巖石整體性，在巖石上開挖時，先從中間破碎，根據巖石的破壞情況，清理出一個小型凹坑，然后沿凹坑邊緣逐步向外破碎至基坑開挖邊線。根據試驗，小型炮錘的破碎深度在500mm左右，按基坑深度分層進行，每層破碎完成后進行清理，然后進行下一層破碎機清理。開挖至距基底標高1000mm左右停止。

（5）二次放線。在已開挖完成的巖石層面進行二次放線，確定基礎結構的外輪廓線，角部延伸1000mm以上彈墨線并用油漆描繪。

（6）基坑修鑿。先用風鎬人工開鑿邊線，沿墨線向內開鑿寬度400～500mm，深度為基坑底部標高。然后中間部位采用小型炮錘從人工開槽處開始退步開挖，因開槽處為無約束部位，炮錘錘入后巖石向開槽處碎裂，從而不會破壞巖石整體。機械開挖至距基底標高100～200mm，用風鎬進行破除修整[5]。

（7）基礎鉆孔。在巖石上施工抗拔樁，鉆孔采用灌注樁鉆芯取樣的施工工藝進行，使用液壓鉆機，采用金剛石鉆具鉆孔。鉆孔深度及孔徑按二次設計確定的數據施工。

（8）抗拔錨桿施工。抗拔錨桿施工，按一般地下車庫抗浮錨桿的施工工藝進行。

（9）基坑側壁植筋。在基坑側壁巖石上，采用植筋的方式，植入上下兩排鋼筋，分別距筏板基礎頂面和地面100mm，橫向間距1000mm。

（10）基礎鋼筋綁扎。按一般基礎鋼筋正常施工。

（11）基礎施工。最后進行基礎鋼筋及混凝土施工。

4 結語

山頂一般都是塔式建筑，為了重現被破壞的歷史遺跡，在重建這些古塔時，需盡量避免對原地貌的破壞而丹霞地貌整體山石結構在建筑地基處理最易受到破壞。本項目的研究可以提供一種針對丹霞地貌新建古塔的地基處理方式，降低基礎埋深，減少了基坑開挖，不僅降低對原始地貌的損害，而且降低施工難度，提供了施工便利。