高層建筑樁基埋置深度不夠設(shè)計(jì)分析

王亞平，楊亞麗

（1.西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院貴州分院，貴州 貴陽 550081；2.貴陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550081）

0 引言

貴州地貌以山地丘陵為主，建筑物一般據(jù)地形走勢而建。然經(jīng)濟(jì)性作為建設(shè)方主要訴求之一，其將主導(dǎo)建筑方案創(chuàng)作走向。結(jié)構(gòu)方案終將以配合之姿，更好地為建筑功能和建設(shè)方服務(wù)。故當(dāng)建筑方案受地形影響，且建設(shè)方不愿為滿足高層建筑埋置深度而過多開挖地下室時，作為一名有經(jīng)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)工程師，必將盡自己所學(xué)，以規(guī)范為綱，從原理出發(fā)，結(jié)合理論和工程經(jīng)驗(yàn)，對規(guī)范沒有明確規(guī)定的設(shè)計(jì)方法予以推到論證，這樣才能得出合理的結(jié)構(gòu)方案和設(shè)計(jì)方法。

貴州地區(qū)基巖承載力較高，大多數(shù)高層采用中風(fēng)化基巖作為基礎(chǔ)持力層，基礎(chǔ)型式有獨(dú)基、條基、筏基和樁基。當(dāng)高層基礎(chǔ)埋深不夠，且只能采用樁基時，需要找到一組有力的數(shù)據(jù)來佐證，并采取可靠的技術(shù)措施進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣既能說服自己，也能讓建設(shè)方滿意。下文將結(jié)合工程案例，對高層建筑樁基礎(chǔ)且埋置深度不滿足1/18 房屋高度的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)與探討。

1 工程概況

1.1 工程簡介

擬建場地位于貴陽市。該地區(qū)基本風(fēng)壓W0 為0.30kN/m2；六度設(shè)防，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組；場地類別為Ⅱ類，場地特征周期0.35s。

該工程共3 層地下室，北側(cè)地下兩層商業(yè)臨空，一層地下室掩埋；西側(cè)全掩埋；南側(cè)和東側(cè)地下一層商業(yè)臨空、兩層地下室掩埋。嵌固端取基頂。整個項(xiàng)目含3棟高層塔樓和1 個獨(dú)立商業(yè)結(jié)構(gòu)單元，其中高層塔樓包括普通高層E1-6# 樓、E1-7# 樓和超A 級高度高層E1-8#樓。E1-8#樓為本次討論的樓棟，其高寬比為7.5，剪力墻結(jié)構(gòu)。地上 25 層，為 1F～25F；地下3 層為-3F～-1F。建筑平面呈矩形，各層層高情況為：-3F 為3.8m，-2F 為 3.5m，-1F 為 5.735m，1F 及以上各樓層為 5.5m。本工程為多塔結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 各樓棟及地下室分布情況

1.2 地基巖土參數(shù)

根據(jù)場地內(nèi)巖土體的時代及成因，巖體完整性、巖體縱波波速值、巖芯采取率、巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度等因素定性、定量指標(biāo)綜合分析，將場地巖土體分為三個單元層，即①、②、③三個單元?，F(xiàn)將各單元工程性質(zhì)分述如下：

（1）①單元為素填土，遍布整個場地，厚度分布不均，松散。

（2）②為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖，基本遍布整個場地，厚度分布不均，風(fēng)化裂隙發(fā)育，多充填泥質(zhì)，巖石破碎。巖質(zhì)軟，遇水易軟化。巖芯呈砂狀，采取率低。屬破碎巖體，巖體質(zhì)量基本級別Ⅴ級。根據(jù)地勘建議結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，建議 fa﹦300kPa；C﹦30kPa，φ﹦25°；γ﹦25.5kN/m3。

（3）③為中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖，遍布整個場地。局部白云質(zhì)或泥質(zhì)含量較高，隱晶結(jié)構(gòu)，中厚層夾薄層構(gòu)造，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，類型主要為層面，其次為閉合～微張狀裂隙，泥質(zhì)膠結(jié)，局部鈣質(zhì)膠結(jié)，結(jié)合度一般，巖石較破碎。質(zhì)較軟，泥質(zhì)含量高地段巖芯裸露易碎裂，巖芯呈砂狀、碎塊狀，巖芯采取率60%～75%。巖體的超聲波縱波波速平均值為2470m/s，巖樣波速取18 件巖塊波速值的最大值：V0=3743m/s，巖體完整性系數(shù)Kv=0.44，屬較破碎巖體，為較軟巖，巖體質(zhì)量基本級別Ⅳ級。

根據(jù)場地巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖溶中等發(fā)育，考慮施工影響等因素，建議場地各巖土單元層參數(shù)參見表1。

表1 各巖土單元地基設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)地基土質(zhì)、上部結(jié)構(gòu)體系及施工條件等資料，經(jīng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)對比，本工程基礎(chǔ)采用人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)，持力層為中風(fēng)泥質(zhì)白云巖，持力層地基承載力特征值fa=2500kPa。此場地中地下水位位于底板以下，本工程不需要抗浮設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)思路

E1-8#樓-3F 為局部全埋地下室，其基礎(chǔ)埋深不滿足房屋高度的1/18，據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）（以下簡稱《高規(guī)》）第 12.1.8 條可知，當(dāng)該建筑物采取有效措施，在滿足地基承載力、穩(wěn)定性要求和基礎(chǔ)底面不出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)（高寬比7.5＞4）的規(guī)定下，基礎(chǔ)埋深可適當(dāng)放松；當(dāng)?shù)鼗赡墚a(chǎn)生滑移時，應(yīng)采取有效的抗滑移措施。故應(yīng)遵循規(guī)范要求，逐一論證該結(jié)構(gòu)方案的可行性[1-2]。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)人員會根據(jù)勘察報告選取中風(fēng)泥質(zhì)白云巖作為基礎(chǔ)持力層進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)，該地基承載力自然能夠滿足。其穩(wěn)定性應(yīng)從“三水準(zhǔn)”入手，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”。如何才能確保高層建筑不因基礎(chǔ)埋深不夠而發(fā)生倒塌？若能使其在大震不傾覆、不滑移，且滿足其高寬比大于4 時基底不出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，那么其穩(wěn)定性就能得到保證。與此同時，再加強(qiáng)一些抗滑移的構(gòu)造措施，就能達(dá)到工程設(shè)計(jì)的要求，使該設(shè)計(jì)安全可靠。

3 大震抗傾覆計(jì)算

為確定基礎(chǔ)安全，現(xiàn)采用PKPM 軟件對E1-8#樓進(jìn)行大震不屈服抗傾覆驗(yàn)算，通過電算結(jié)果判斷其安全性，如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果

表2 為大震彈性定義下電算出來的結(jié)果，Mr/Mov最小值為3.03，且基底均未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，滿足抗傾覆驗(yàn)算要求。表中Y 向?qū)?yīng)圖1 的東西向，X 向?qū)?yīng)圖1的南北向，由表可知該結(jié)構(gòu)Y 向抗傾覆能力較弱，這是由于Y 向較窄致使該方向抗傾覆力臂較短所致。

若上述驗(yàn)算結(jié)果不滿足規(guī)范要求，即抗傾覆能力不夠或基底出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)時，可對結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向構(gòu)件調(diào)整或結(jié)構(gòu)方案調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到大震不傾覆的目的。

4 大震抗滑移計(jì)算

采用PKPM 軟件對E1-8# 樓進(jìn)行大震CQC 法分析，得出其在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下：豎向荷載G=87637.359t，底部剪力取塔樓范圍內(nèi)的值，基底最大剪力值Vx=33707.0kN，Vy=33532.0kN。塔樓范圍內(nèi)柱底軸力標(biāo)準(zhǔn)值總值為886495.3kN，根據(jù)地勘資料提供的地基承載力特征值可計(jì)算出樁身總面積不小于354.60m2，將其折算成本工程最小樁徑1.2m，計(jì)算其單樁水平承載力特征值，從而計(jì)算出所有樁頂?shù)乃匠休d力，再與基底最大地震剪力進(jìn)行比較，繼而得到大震彈性下的抗滑移能力，以此判斷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）第 5.7.1、5.7.2、5.7.5 條制作灌注樁水平承載力計(jì)算表，該表采用規(guī)范最小配筋率0.2%進(jìn)行計(jì)算，樁頂固結(jié)[3-4]。

通過灌注樁水平承載力計(jì)算表可知，在大震作用下，所有樁樁頂承擔(dān)水平承載力與最大基底地震剪力之比（下文稱“樁的水平抗滑移系數(shù)”）49789.197/33707=1.48＞1.2，即樁身水平承載力能夠抵抗大震下基地剪力。該計(jì)算尚未考慮地下室側(cè)面填土和地基的貢獻(xiàn)，故本工程在大震作用下結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生滑移（風(fēng)荷載不起控制作用），滿足結(jié)構(gòu)整體抗滑移穩(wěn)定性要求。

若設(shè)計(jì)中出現(xiàn)樁的水平抗滑移系數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，該如何提高其抗滑移能力？這里采用單一變量控制法對其進(jìn)行分析，以更好應(yīng)對不同高層樁基礎(chǔ)且埋置深度不夠的抗滑移設(shè)計(jì)。通過灌注樁水平承載力計(jì)算表進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)僅改變樁身配筋率時，0.65%是樁頂水平承載力的一個分界線；0.2%～0.64%的樁身配筋對應(yīng)樁的水平抗滑移系數(shù)為1.48～1.67，而0.65%對應(yīng)樁的水平抗滑移系數(shù)為11.11，即便配筋率達(dá)到2%，該系數(shù)只能達(dá)到11.63；故樁身抗滑移能力不足時，可將其樁身配筋率提高到0.65%。單一變量可以是樁長、樁徑、混凝土等級、樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，將其中一個變量按增加的規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，均可不同程度提高樁的水平抗滑移系數(shù)，但效果不夠顯著。故當(dāng)某高層樁基礎(chǔ)水平抗滑移能力嚴(yán)重不足時，可直接將樁身配筋率提高到0.65%；若抗滑移能力稍差時，可以增加樁長、混凝土強(qiáng)度，或?qū)Φ鼗吝M(jìn)行處理從而提高樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，不建議提最小樁徑，因樁徑增大時鋼筋構(gòu)造上也要增加。

5 構(gòu)造措施

E1-8#樓東側(cè)塔樓區(qū)域未全部落到-3 層，故對其進(jìn)行構(gòu)造加強(qiáng)，具體如下。

（1）樁頂增設(shè)承臺并加大其尺寸，不僅增加了基礎(chǔ)埋深，也增加了地基土對承臺的約束作用，可為大震滑移提供有利抗力。

（2）樁長不小于4m，樁長對抗滑移能力有少許貢獻(xiàn)。

（3）設(shè)置基礎(chǔ)底板，樁徑大小不一定為同一直徑，樁頂水平承載力采用等效樁徑的方法進(jìn)行計(jì)算，整體抗力是滿足了，但豎向構(gòu)件上的地震剪力是通過剛度分配而來，其傳遞到樁基上的水平剪力是不一樣的，故需通過底板來協(xié)調(diào)并傳遞水平剪力。

（4）加高基礎(chǔ)梁，基礎(chǔ)梁周邊的地基土可為大震滑移提供有利抗力。

6 結(jié)語

通過對高層建筑樁基礎(chǔ)埋置深度不滿足規(guī)范要求的情況進(jìn)行思考，從結(jié)構(gòu)安全的角度出發(fā)，通過對結(jié)構(gòu)大震抗傾覆和大震抗滑移能力的計(jì)算分析，在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，結(jié)合必要構(gòu)造加強(qiáng)措施，可使該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全可靠并滿足規(guī)范要求。該類問題的處理方法和設(shè)計(jì)思路可供參考，但不同地區(qū)的工程有其區(qū)域性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)嚴(yán)格遵守規(guī)范精神并以之作為設(shè)計(jì)依據(jù)。對無明文規(guī)定的設(shè)計(jì)方法，要進(jìn)行論證分析，經(jīng)專家評審后方可指導(dǎo)設(shè)計(jì)。