高层建筑浅埋地下室的抗倾覆影响性研究

2019-08-27薛刚

四川水泥 2019年7期

薛刚

（银川新华联房地产开发有限公司 750020）

下沉式庭院类产品近年来由于其丰富的竖向表达及精致的景观立面获得了一定的市场认可度，从建筑的处理上来说这类产品一般分为全下沉和半下沉两类。所谓全下沉类庭院即实际上为两层地下室结构，其中地下一层作为庭院使用；而半下沉类庭院则基本均为一层地下室，庭院地面的标高一般处于地下室半层标高处，但就结构的处理上来说设计人员通常均以庭院地面标高作为基础埋深的起算点。

笔者所负责的阅海新华联广场11#公寓楼项目原定采用半下沉庭院设计，后续由于各方原因此方案未能成行。但从设计层面来说对于半下沉功能的实现前期笔者做了大量的工作，且从结构体型及建筑功能来说半公建、半居住的单体也较具代表性，故下文将以此项目为切人，对半下沉类庭院产品的基础埋深选取所带来的结构稳定性影响及抗倾覆作用分析做简要论述。

1 规范梳理

基础埋置深度的选取一取决于基础持力层的选取，二就规范层面而言、《建筑抗震设计规范》、《高层建筑混凝土结构技术规程》及《建筑地基基础设计规范》中针相关问题也给出了如下要求（后简称《抗规》、《高规》、《地规》）。

JGJ 3-2010 《高规》 12.1.8 条，基础应有一定的埋置深度。在确定埋置深度时，应综合考虑建筑物的高度、体型、地基土质、抗震设防烈度等因素。基础埋置深度可从室外地坪算至基础底面，并宜符合下列规定：

1.天然地基或复合地基，可取房屋高度的1／15；

2.桩基础，不计桩长，可取房屋高度的1／18。当建筑物采用岩石地基或采取有效措施时，在满足地基承载力、稳定性要求及本规程第12.1.7 条规定的前提下，基础埋深可比本条第1、2 两款的规定适当放松。

GB 50007-2011 《地规》 5.1.4 条，在抗震设防区，除岩石地基外，天然地基上的箱形和筏形基础其埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15；桩箱或桩筏基础的埋置深度(不计桩长)不宜小于建筑物高度的1/18。

由上述条文可知，针对天然地基或复合地基，基础的埋置深度的取值按规范要求不宜小于建筑物高度1/15，而银川地区高层多采用CFG 桩或砂夹石复合地基，故抛开地基承载力这一因素，大部分设计人员在建模时基本均以室外下沉庭院地面标高作为基础埋深的起算标高。然我们注意到规范关于1/15 的要求并不是不可突破的，《高规》中也明确了在满足地基承载力及稳定性要求的前提下埋深要求可以适当放松，在基础埋深不满足1/15 的情况下，相应的稳定性要求规范也有如下说明。

GB 50011-2010 《抗规》 4.2.4 条，高宽比大于4 的高层建筑，在地震作用下基础底面不宜出现脱离区(零应力区)；其他建筑，基础底面与地基土之间脱离区(零应力区)面积不应超过基础底面面积的15%。

JGJ 3-2010 《高规》 12.1.7 条，在重力荷载与水平荷载标准值或重力荷载代表值与多遇水平地震标准值共同作用下，高宽比大于4 的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；高宽比不大于4 的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。质量偏心较大的裙楼与主楼可分别计算基底应力。

GB 50007-2011 《地规》 8.4.2 条，筏形基础的平面尺寸，应根据工程地质条件、上部结构的布置、地下结构底层平面以及荷载分布等因素按本规范第5 章有关规定确定。对单幢建筑物，在地基土比较均匀的条件下，基底平面形心宜与结构竖向永久荷载重心重合。当不能重合时，在作用的准永久组合下，偏心距e 宜符合下式规定：

e≤0.1W/A

式中：W——与偏心距方向一致的基础底面边缘抵抗矩(m3)；A——基础底面积(m2)。

2 项目概况

根据上述条文，回到本项目数学模型。项目为总高83.7 米办公式LOFT 公寓项目，地上21 层、地下1 层，其中1、13-21 层层高5.4 米、2-12 层层高3.2 米，结构X 向长度65.6 米、Y 向宽度23.2 米，高宽比3.61，首层采用下沉式庭院设计，庭院地面标高-2 米（相对正负零结构板面），根据试算结果已知筏板厚度1.4 米，则基础埋深如按1/15 要求应做到-(83.7/15+2)=-7.58 米。然如按此深度进行设计，项目地下部分的成本将大大增加，也非本文讨论的重点。故我们先以地下室的正常使用层高4 米建立模型，则基础埋深为-5.4 米。考虑地下室为半埋、同时为考虑最不利情况下的计算结果，嵌固端选为基础顶面，计算总信息中地下室层数定义为0，计算中不考虑回填土所提供的侧向刚度及约束作用。

3 基础稳定性计算

上部结构计算完毕后，结构总信息中抗倾覆及整体稳定验算结果如下：

由计算结果可见抗倾覆力矩远大于倾覆力矩，其二者比值均大于一，由此可基本判断基底应不可能出现零应力区。同时结构刚重比满足《高规》要求，可不进行重力二阶效应验算。随后我们将所有荷载传递到基础模型后基底反力的计算结果如下：

由上图可见其中最不利组合Y 向地震作用下的最小基底反力为171Kpa，印证了我们对于总信息的判断，同时根据下图所示的基础重心校核结果：

由上可见本案结构的形心与刚心基本重合，偏心距e 的验算结果符合《地规》要求。

基于上述计算结果，上部结构整体稳定、计算结果未出现倾覆作用、基底未出现零应力区、基础偏心验算符合要求，我们是否就可以依此判断结构的稳定性没有问题？

按照上述思路，笔者将模型中的基础埋深放在基本冻深，即从室外下沉庭院地面标高之下1.5 米，计算极限状态下的基础反力，所得到的结果较上述结果递减了20%左右，但仍未出现零应力区。通过对比不同工程模型我们发现，事实上除高宽比大于4 的高耸结构外、常规结构体型即使基础埋深不满足1/15 要求，其基底反力的计算结果也很难出现零应力区。然如果我们仔细研读规范，会发现上述计算都停留在结构的稳定性分析而未考虑基土的破坏作用，故在其上计算的基础上，我们还应进行地基的稳定性分析。

4 地基稳定性计算

要确定地基的稳定性，首先要明确基土可能存在的破坏方式，根据迈耶霍夫条形浅基础的土体破坏模型我们可知剪切破坏首先发生于基础边缘点之下（如下图），关于迈耶霍夫的浅基础极限承载力计算方法在土力学教材中有详细说明。然此种计算方式主要针对天然地基且计算复杂，针对银川地区高层常用的CFG 桩复合地基需要一种更为简化的计算方法。