北京某山地項目結構設計與分析綜述

張祚嘉, 陳海鵬, 張秀芳, 王晨亮, 高鎂娟, 趙啟林

(基準方中建筑設計股份有限公司，北京 100123)

1 工程概況

某山地項目位于北京市門頭溝區永定鎮,總建筑面積約9.2萬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構體系;各單體通過7個層高為3.6m的1層或2層地下車庫連接。項目效果圖如圖1所示。

圖1 項目效果圖

抗震設防烈度8度(0.20g),設計地震分組第二組;建筑場地類別Ⅱ類;場地土特征周期Tg=0.40s;抗震設防類別丙類[1];建設場地為抗震不利地段,依據《山地建筑結構設計標準》(JGJ/T 472—2020)[2]中4.2.2條,水平地震影響系數最大值αmax的增大系數取值1.3?；撅L壓0.45kN/m2,基本雪壓0.40kN/m2,地面粗糙度類別B類。

疊拼、洋房基礎主要采用樁筏基礎(邊坡處樓座)或筏板基礎(臺地內部樓座),筏板基礎持力層位于黏性土混碎石、碎石混黏性土、全風化泥質粉砂巖等,樁基礎持力層位于強風化泥質粉砂巖。

2 工程地質概況

本項目建筑位于斜坡、坡頂上,地基均勻性差,基巖起伏變化大,地質災害有崩塌、不穩定斜坡、泥石流、潛在滑移面,場地穩定性差,為地質災害危險性大地段[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、全風化泥質粉砂巖、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖等地層[3]。

場地地形起伏較大,場地內地面坡度大于25%,巖土種類多,為不均勻地基,工程建設適宜性差。場地地面標高大部分低于設計地平面標高,場地內碎石混黏性土、黏性土混碎石、全風化泥質粉砂巖為相對隔水層,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”積水而對地下建筑抗浮、抗滲產生不利影響。

對于現狀評價為穩定性差的邊坡以及挖填方形成的邊坡,均應設置安全可靠的支擋結構[4],以滿足場地穩定性要求。

3 裝配式建筑結構體系

裝配整體式混凝土剪力墻結構具有技術成熟,無露梁、露柱,滿足樓板舒適度要求,耐久性好,防火性能好等優點;根據北京市政策要求,結合本工程疊拼戶型的層層收進,構件標準化程度底,山地項目構件運輸、吊裝困難等特點,經多方調研及裝配式專家評審建議,采用裝配整體式混凝土剪力墻結構。通過拆分試算,水平構件單塊質量控制在不大于3t、豎向構件單塊質量控制在不大于6t的范圍內,能夠滿足廠家制作、運輸、現場堆放、施工要求,同時滿足業主使用要求[5]。

根據《北京市人民政府辦公廳關于加快發展裝配式建筑的實施意見》(京政辦﹝2020﹞21號)[6]規定,結構布置拆分結果為豎向構件預制率35%,水平構件預制率78%,非砌筑非現澆圍護墻體占比65%,非砌筑非現澆內隔墻占比70%[7],綠色建筑評價等級為二星級。

主要戶型典型截面尺寸及材料強度如表1所示,主要戶型標準層結構布置圖如圖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度

圖2 主要戶型標準層結構布置圖

圖3 主要戶型三維模型

4 山地建筑場地地質災害評估及驗算

針對山地建筑特點,項目開工前需考慮“三個工況”下邊坡與建筑的相互作用及影響。工況一:工程建設前邊坡穩定性評估及地質災害評估。工況二:工程建設期間(施工時)邊坡穩定性評估。工況三:工程建設后邊坡穩定性評估及地質災害評估。

依據地質單位提供的地質災害危險性評估報告[8]及勘察單位提供的巖土工程勘察報告[3],本工程所在區域地質災害有崩塌、不穩定斜坡、泥石流,潛在滑移面等。

依據《建設用地地質災害危險性評估報告》,場地崩塌隱患點共計12處,不穩定斜坡10處,潛在泥石流2條。綜合評定地質災害危險性分級為“小-大級”。

針對崩塌不良地質作用,施工前對危巖、浮石、孤石進行清理,并對邊坡裂隙發育、破碎危巖體等采用柔性防護系統進行防治。對不穩定斜坡不良地質作用,采取截排水、永久支擋、減載、反壓等工程措施進行綜合治理[9-10]。對泥石流不良地質作用,采取疏通、加寬等措施進行綜合治理,確保流路通暢[11]。

依據巖土工程勘察報告,場地潛在滑移面主要為一般第四系混合土層的圓弧滑動面以及三疊系的全風化層或局部貫通破碎帶的平面滑動面。

對邊坡潛在滑移面進行整體穩定計算分析。通過采用規范方法(理正巖土)、有限元強度折減法(MIDAs GTS)兩種方法,分別對工程建設前及工程建設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)進行分析[12]。

分析結果表明,工程建設前及工程建設后,邊坡潛在滑移面整體穩定性分析均滿足要求,兩種工況下潛在滑移面穩定計算結果見圖4[13]。

圖4 潛在滑移面穩定計算結果

5 豎向設計選型

為達到經濟效果最優,就現有地形提出2種建筑場地豎向設計方案:支護+樁基方案與掉層吊腳方案,以77地塊為例具體分析如下。

結合臺地高差,于上、下臺地間設置永久支護,為避免支護樁樁錨體系后期應力松弛及水平變形無法準確預估,在高邊坡樓座增設樁基作為第2道防線,支護+樁基方案建筑分組及擋墻布置示意如圖5所示。

圖5 支護+樁基方案建筑分組及擋墻布置示意

結合現場地形高差,坡度陡降位置設置土坡放腳,主體采用掉層吊腳結構解決豎向高差,從而達到節省造價目的,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

兩種方案優缺點如表2所示?？梢?兩種方案各有優缺點。從造價角度考慮,不考慮施工工期影響,支護+樁基方案較為節省;而掉層吊腳方案造價略偏高,主要是由于掉層吊腳方案需要考慮部分挖方量外運費用、主體結構按掉層吊腳設計相較于常規方案設計造價增加等因素導致的。從結構安全儲備考慮,該項目位于8度區且臺地高差很大,設置永久支護樁+高邊坡樓座樁基起到二道防線的作用[14]。綜上所述,本項目采用支護+樁基方案。

表2 兩種方案優缺點

6 山地建筑基礎設計

針對本工程設計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審方式予以解決,在保證建筑整體安全的基礎上達到造價最優。

6.1 基礎形式

因本項目場地條件復雜,基礎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,在設計過程中主要考慮以下幾種情況。

(1)考慮場地地形地貌復雜、不良地質作用強烈發育、土層很不均勻,同時考慮樁錨支護錨索應力松弛等引起的變形不能準確預估,鄰近邊坡樓座建設風險性較大。故臨近高邊坡頂部附近的樓座采用樁筏基礎,邊坡中部和內部樓座、地下車庫、景觀擋墻(除特殊不利地質條件外)采用天然地基[16]。典型樓座基礎布置示意圖如圖7所示。

圖7 典型樓座基礎布置示意圖

圖8 樁基礎復核計算示意圖

(2)樓座基底土層部分位于風化泥質粉砂巖,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,最終確定基礎方案:基底位于全風化泥質粉砂巖樓座采取筏板基礎,基底位于碎石混黏性土樓座采用樁基礎。經驗算,樓座沉降量12mm,整體傾斜0.28%<0.4%,均滿足地基基礎規范[17]相關要求。

計算時需注意,建筑基底位于地面以上時,新回填土因沒有固結需作為荷載考慮,對原土層產生附加荷載及沉降;當同一建筑的基礎部分為筏板基礎、部分為樁基礎時,對其進行沉降分析時,可以通過控制基床系數實現模擬。

(3)部分樓座基礎處于高填方區,填方高度約10～17m,為考慮高填方帶來的沉降風險,采取高填方樓座增加結構架空層方式減少填方高度,控制填方高度不大于8m,且該樓座基礎采用樁基礎,同時采取土工格柵的方式進行回填,保證施工時壓實系數及壓縮模量。經驗算樓座沉降量8mm,整體傾斜0.20%<0.4%,均滿足地基基礎規范[17]相關要求。

6.2 基礎側限

依《山地建筑結構設計標準》(JGJ/T 472—2020)3.1.4條,作為結構嵌固的邊坡應達到罕遇地震作用下不破壞的性能要求。設計中邊坡采用放坡形式,達到減少支護高度的作用。經驗算結構主體與支護之間土體無法滿足“雙破裂面”要求,故無法滿足罕遇地震作用下基礎的側限要求。設計中,從支護樁頂-500mm位置至基底(見圖18中陰影區域)作為地上結構(增加1層地下室),按大震不屈服目標復核樁基礎滿足承載力要求配筋(實現大震不倒的抗震性能目標)[18]。

6.3 基礎穩定性驗算

依《山地建筑結構設計標準》(JGJ/T 472—2020)5.1.7條、6.1.5條,需驗算高邊坡處樓座在大震作用下的基礎穩定性。

大震穩定性驗算時,經計算,筏板基礎不能滿足要求,需采用樁基礎。根據評審專家意見不考慮樁土共同作用,水平地震影響系數最大值增大系數可取1.0,樁頂按剛接考慮(樁頂增設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算結果顯示,靠上部結構自重產生的基底摩擦力不能滿足穩定性要求,需采用樁基礎才能滿足抗傾覆、抗滑移要求,穩定性驗算樁布置圖如圖7所示。

為確定緊鄰邊坡樓座樁的個數,分別對小震、罕遇地震作用下兩種基礎形式在豎向荷載作用(豎向荷載可產生抗傾覆力矩及摩擦力)下基礎穩定性所需樁數進行了計算。以疊拼1個單元為例,地下室擋墻高度4.0m,不設置結構空腔,筏板厚度500mm,樁徑700mm、樁間距3～4m,分別按小震、罕遇地震進行計算。邊坡處樓座基礎穩定性驗算結果如表3所示。經計算,邊坡處樓座樁基礎每個單元需28根樁。

表3 邊坡樓座樁基礎穩定性驗算結果

6.4 主動防排水措施

依據巖土工程勘察報告[3],本項目抗浮設計可采取兩種方式,分別為按地面抗浮、采取主動疏排水措施后按基礎頂抗浮。如按地面抗浮,設防水位需按主體四周較低地面進行驗算,則三層地下室的主樓及地下車庫壓重無法滿足抗浮需求,需采取抗拔樁、抗浮錨桿等措施予以抗浮。為有效節省工程造價,結合場地現有條件,采取主動防排水措施予以疏排地表及地下水,具體措施如下:場地外部設置排洪溝、紅線邊設置截洪溝及雨水明渠;紅線內增設排水系統;肥槽回填需采用不透水材料;在基礎周圍設置排水盲溝,并確保水體有序排出場外;擋墻設置泄水孔;建筑周邊地面盡量較大范圍進行硬化處理。采取以上措施后,抗浮設防水位可按基礎頂標高設計。

7 邊坡支護設計

7.1 高邊坡主樓處支護樁設計承載力取值

依《山地建筑結構設計標準》(JGJ/T 472—2020)3.1.4條,為保證基礎嵌固條件的有效性,作為結構嵌固端的邊坡應達到罕遇地震作用下不破壞的性能要求。此條文僅給出計算原則,對此通過專家評審并結合北京本地經驗,計算選取荷載如下:支護土壓力取靜止土壓力或朗肯土壓力(動土壓力);新老土層結合面滑體下滑力;建筑物重量按實際超載取值(樁基取50%的基底荷載);考慮重要性系數1.1;考慮地震作用與暴雨同時組合工況。在計入以上荷載后,同時考慮高邊坡主樓采用樁基礎對主體有較高的安全儲備,無需按罕遇地震驗算邊坡承載力,即可確保邊坡整體安全。

7.2 超高邊坡主樓支護樁反壓區探討

設計過程中,針對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計算高度;超高邊坡主樓支護樁反壓區示意如圖9所示。但是,如采用反壓區方式來減少支護高度,會存在如下問題:如肥槽回填較為密實,則支護樁較大的水平力會通過土體傳遞給較低臺地地下車庫,對地下車庫承載力及穩定性(滑移)有較大影響;如肥槽回填較為松散,則反壓區土體起不到減少支護高度的作用,且支護會產生較大變形,從而對較高臺地高邊坡主樓安全產生影響?；靥罘磯翰焕趫龅厥枧潘O計,反而有利于水體匯聚?？紤]以上因素,應在方案階段避免采用此方案。

圖9 超高邊坡主樓支護樁反壓區示意

7.3 超高邊坡地下車庫支護樁變形問題探討

高臺地地下車庫與低臺地商業配套高差17.5m,采用樁錨體系+樁頂擋墻作為永久支護,支護、配套及地庫關系圖如圖10所示?？紤]高支護在土壓力作用下,錨索長期應力松弛現象會導致高臺地支護樁頂產生豎向及水平位移,采取加強樁錨體系構造措施及高臺地地下車庫補充計算兩方面予以加強。

圖10 支護、配套及地庫關系圖

加強樁錨體系構造措施如下:因錨索均會有應力松弛,不易判斷水平及豎向最終變形;故采取支護樁底錨入巖石中,按抗滑樁設計,同時錨索也需錨入巖石中,此時按經驗樁錨體系整體變形可控。

高臺地地下車庫補充計算:圓弧滑動范圍內地下車庫,需考慮錨索水平及豎向變形對其產生的不利影響。經分析,豎向變形主要是由于錨索的豎向分力產生的,在采取支護樁底錨入巖石中,按抗滑樁設計時,其豎向變形很小。為抵抗支護樁水平變形產生的影響,地下車庫緊鄰高邊坡3跨范圍內(由圓弧滑動范圍確定其范圍)YJK計算配筋時考慮豎向變形的影響。實現方式為YJK軟件計算時,車庫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)的方式復核結果,并通過整體加厚豎向變形影響范圍內的筏板厚度、適當增大通長筋的方式予以增強。支護水平變形主要由土壓力及錨索應力松弛造成的,由于主樓(其基礎為樁筏基礎)及地下車庫的存在,支護水平變形不會引起地下車庫整體滑移;此時需驗算基礎底板混凝土抗拉強度及鋼筋抗拉強度是否大于基底摩擦力。經驗算,基礎底板混凝土抗拉強度小于基底摩擦力,整體不會開裂。

8 結論

(1)因山地建筑各個樓座的基底形式差異較大,需根據不同的情況合理確定基礎形式,以滿足沉降差、傾斜等要求。

(2)結構基礎應滿足嵌固要求,本工程不滿足嵌固要求的位置,通過將其作為上部結構并對其采取加強措施來保證建筑安全及穩定。

(3)本工程所在區域地質災害有崩塌、不穩定斜坡、泥石流,持力層下臥土層有潛在滑移面。針對地質災害本著先治理、后建房的原則,針對不同類型地質災害進行專項治理,同時對潛在滑移面整體穩定性進行分析。

(4)本工程為達到經濟效果最優,就現有地形支護+樁基方案及掉層吊腳方案,從造價、安全性等方面進行綜合論述,最終選定支護+樁基方案。

(5)高邊坡位置樓座應滿足罕遇地震下的穩定性要求,通過考慮各種系數使其滿足罕遇地震下彈塑性地震力要求,達到既滿足計算要求又節省成本的目的。

(6)對邊坡支護樁荷載選取、荷載反壓及變形對結構的影響進行了探討,給出了處理措施。

(7)本項目采取主動防排水措施,設置排洪溝、明渠及盲溝等措施以保證基底抗浮。