山地建筑地基基础设计若干问题的分析及应对措施

蔡程辉

（北京建谊高能建筑设计研究院有限公司厦门自贸区分公司）

1 项目概况

某项目位于莆田市城厢区泗华村溪边西侧，交通条件好，周边环境良好，以高层、多层住宅为主，还设置了沿街商业裙房的住宅小区。其中高层共2 栋楼，上部层数18～24 层，多层共3 栋楼，上部层数6～7 层，均为剪力墙结构。1#楼层高2.90m，24 层，建筑高度69.70m；2#楼层高2.90m，18 层，建筑高度52.30m；3、5、6#楼层高2.90m，7 层，建筑高度20.40m。西侧1#楼设置一层地下室，其余5 栋均设置两层地下室。工程所在地区为莆田市，抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为0.10g，设计特征周期为0.45s，设计地震分组为第三组，抗震设防类别为丙类，即标准设防类，根据地勘报告，场地类别为Ⅱ类，地面粗糙度为B 类。项目基础形式拟采用独立基础、筏板基础及桩基础等基础形式。

2 结构设计问题

2.1 开敞地下室是否应按大底盘超限结构设计的问题

该工程所在场地为山地，高差较大，外围地面绝对标高16.05～25.80m，地下室顶板绝对标高16.20～25.80m，地势呈西、北高，东、南低形态，设有两层地下室，其中，东侧及东南角部分（高层2#、高层3#、5#、6#楼相关范围）负二层地下室均已露出室外地面，西南角（1#楼相关范围）负一层为全埋置地下室，开敞地下室是否可按常规地下室嵌固端在顶板进行主楼结构设计，地下室是否属于裙房。

2.2 不规则项的判断问题

若地下室无法当成常规地下室设计，则应当成主体结构的裙房，若按大底盘多塔超限项目进行设计，参照《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010（以下简称“抗规”）3.4.3 条文说明，项目存在塔楼偏置情况（单塔或多塔合质心与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长20%），则该项目应属于特别不规则项目。

2.3 上部结构嵌固端选取问题

嵌固端的选取影响结构分析计算，还影响主楼底部加强区高度，间接影响工程造价。根据抗规6.1.10 第3款规定：当结构计算嵌固端位于地下一层的底板或以下时，底部加强部位宜向下延伸至计算嵌固端，若嵌固端取在基础顶，则底部加强区应延伸至基础顶。

2.4 主楼建筑高度的确定问题

室外道路地面标高低于主楼基础面标高，主楼建筑高度的确定应从基础面起算或从室外道路地面低点起算，建筑高度的确定影响建筑物抗震等级、底部加强区高度、结构分析计算等，关系到结构安全、造价等方面，应在方案阶段确认。

2.5 山地建筑高层住宅基础埋深不满足规范要求的问题

1# 楼地势较高，主楼范围地下室顶板标高为25.80m，室外道路消防车道标高为18.00m，用地红线外南侧距离1#楼15m 处存在场地低点泄洪渠，渠面标高为15.50m。在负一层底板面标高处基本已处在中风化凝灰岩，根据分析计算，岩石地基基础埋深可适当放松，天然基础至少应满足69.70/18≈3.97m 深，故基础面埋深无法达到《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010（以下简称高规）第12.1.8 条所规定的埋置深度。

若结构要满足规定埋深要求，需加大爆破深度，施工困难，且造价太高，故应采取其他方式解决埋深问题。

2.6 复杂地基条件的基础设计方案选择

由于项目依山而建，场地地势为山地，坡度较大，若采用筏板基础，持力层岩面高差太大，对受力不利，局部高差较低的部位可以采用素混凝土回填，但高差太大回填将导致浪费；由于岩面爆破困难，基坑开挖费用太大，耗时耗力，故应尽量浅埋，减少造价，缩短工期。

根据地勘条件，1#楼地基持力层中风化凝灰岩岩面存在较大坡度，若基础为独基或筏板基础，当基础进入持力层深度不足时应考虑基础沿着岩面滑移的可能性；2#楼地基持力层中风化凝灰岩岩面高差太大，若单纯采用筏板基础无法满足，应考虑采用混合基础形式，局部采用桩基础，为节省造价，采用独基加桩基承台的形式布置基础，由于项目本身存在开敞地下室的情况，应建议建设方避免采用自身抗剪能力比较弱的预应力管桩基础，而应采用直径较大的灌注桩基础；3#楼建筑方案无地下二层，但考虑埋深因素，且楼栋建筑高度较低，埋深较容易满足，应建议将基础标高降到满足规范埋深的要求，基础至地下一层底板之间增加一层空腔。由此产生成本增加，应由结构专业在方案阶段向建设方提出。

3 结构计算分析及采取的措施

3.1 开敞地下室是否应按大底盘超限结构设计的问题

该工程地下室东侧及东南角负二层地下室开敞（即无覆土），经与建筑专业协商，在地下室外侧商业部分设置封闭的钢筋混凝土外墙（局部开门洞），以提高地下室侧向刚度。

根据《福建省住宅工程设计若干技术规定》执行标准第十一条：地下室顶板厚度不应小于180mm（室内）、250mm（室外），板底板面通长钢筋，直径不应小于B12（180mm 板厚）、B14（250mm 板厚），间距不应大于150mm。该项目顶板主楼区板厚180mm，顶筋为C12@150，底筋为C12@150，非主楼区域板厚250mm，顶筋为C14@150，底筋为C14@150，配筋板厚均满足福建省规定。由于地下室顶板配筋及板厚相对于国家规范要求已经有一定加强，故地下室顶板不再另作加强。

通过盈建科计算，满足地下室位移角1/9999，地下室水平位移、竖向位移和转角均接近为零，刚度满足“高规”第5.3.7 条规定“地下一层与首层的侧向刚度比不小于2”的规定，此时可以认为地下室刚度足够大，在水平力作用下侧向变形很小。

因此该工程可以按常规地下室设计，地下室不属于主体结构的裙房，上部塔楼不按多塔考虑。

3.2 不规则项的判断问题

上部若无须按多塔结构考虑，则根据“抗规”3.4.3条，各楼栋仅存在扭转位移比大于1.2 及凹凸不规则两项不规则项，可不按超限高层建筑进行设计。

3.3 上部结构嵌固端选取问题

在地下室刚度足够大的前提下，上部结构构件承载力计算分析宜分两个模型进行计算，一个计算模型按嵌固端取至基础顶面，另一个计算模型按嵌固端取至地下室顶板，再对两个模型计算结果取包络设计，位移、刚度比等计算指标可按嵌固端取至地下室顶板的计算模型控制。

3.4 主楼建筑高度的确定问题

山地建筑室外地面常有低于室内的情况，此时建筑高度起算点应取各单体建筑所在位置的室外地面最低点。

3.5 山地建筑高层住宅基础埋深不满足规范要求的问题

为满足埋深，经与建筑专业协商，对建筑方案调整，1#楼基础采用中风化凝灰岩作为持力层，基础至地下一层底板之间增加一层空腔，室外地面最不利点（取楼栋东南角道路地面）标高为18.00m，地下室顶板标高为25.80m，地下二层板面标高为21.00m，筏板基础顶标高为15.30m，筏板厚度取1300mm，埋深为18—（15.3—1.3）=4m，建筑高度为69.4+7.8=77.2m，规范埋深限值为77.2/15=5.15m；2#楼基础面标高为15.30m，筏板厚度1000mm，室外地面最不利点标高为16.80m，埋深为16.8—（15.3—1.0）=2.5m，建筑高度为52.3+9=61.3m，规范埋深限值为61.3/15=4.09m，由此可见，1#楼、2#楼埋深均不满足规范要求。

根据“高规”12.1.8 条，“在满足承载力、变形、稳定以及上部结构抗倾覆要求的前提下，埋置深度的限值可适当放松。基础位于岩石地基上，可能产生滑移时，还应验算地基的滑移。”其中1#楼为岩石独基，2#楼由于持力层存在较大高差，采用岩石混合基础。故本工程仍需验算1# 楼、2# 楼两栋高层大震下抗滑移和抗倾覆能力，应采取措施提高基础抗剪能力。

3.5.1 1# 楼抗滑移计算分析

根据地勘，本工程持力层中风化凝灰熔岩的基底摩擦系数μ=0.65，由计算模型可得结构总质量为18650.939t，大震作用下地震剪力：X 向为17385.2KN，Y向为24239.6KN。

摩 擦 力 F=0.65 ×18650 ×10=121225KN ＞24239.6KN，可得结构抗滑移满足要求。

为增加结构安全冗余度，基础增加抗剪键，在岩石基础上沿着x 方向采用切割方式割出两条1000mm 宽、1000mm 深的抗剪键。

3.5.2 1# 楼抗倾覆计算分析

根据“高规”12.1.7、“抗规”4.2.4 规定，高宽比小于4 的高层建筑，零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。

根据盈建科计算结果，1#楼多遇地震下，零应力区百分比A0/A=0%，说明结构能良好地抵抗多遇地震下的倾覆弯矩。

罕遇地震下，零应力区百分比A0/A=23%，总水平力标准值为X 方向17385.2kN，Y 方向24239.6kN，房屋高度H=69.4m，地下室埋深C=10.5m，重力荷载代表值G=25756t，X 方向B=15.0m，Y 方向B=41.8m，根据徐培福《复杂高层建筑结构设计》公式2.1.21 计算可得，X方向抗倾覆力矩 Mr=5383003kN·m， 倾覆力矩Mov=986897kN·m，X 方向抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值为Mr/Mov=5.45；Y 方向抗倾覆力矩Mr=1931700kN·m，倾覆力矩Mov=1376001kN·m，Y 方向抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值为Mr/Mov=1.4。由此可见，结构在罕遇地震工况下也可以满足抗倾覆要求。

根据结构零应力区计算结果，罕遇地震工况下大部分拉应力数值较小，通过在基础南侧及北侧各增加两排锚杆抵抗罕遇地震工况下的拉应力（图1），单根锚杆轴向拉力承载力特征值为150KN，锚杆进入持力层中风化凝灰熔岩长度为1.5m，锚杆布置数量由罕遇地震工况下的筏板拉应力与单根锚杆轴向拉力承载力特征值的比值得出。

图1 1# 楼基础平面布置图

3.5.3 2# 楼抗滑移计算分析

2#楼基础形式采用筏板基础和桩筏基础的混合基础形式，基础底进入完整中风化岩面不小于300mm，14轴以东布置灌注桩，总桩数20 根，抗压桩12 根，抗拔桩8 根，单桩竖向承载力极限值为14600kN，单桩竖向承载力特征值为7300kN；抗拔桩单桩竖向抗拔承载力极限值为1000kN。

根据地勘报告，本工程持力层中风化凝灰熔岩的基底摩擦系数μ=0.65，由计算模型可得结构总质量为14345.626t，大震作用下地震剪力：X 向为13301.85KN，Y 向为17160.89KN。

摩擦力0.65×14345×10=93242KN＞17160.89KN，可得结构抗滑移满足要求。

为增加结构安全冗余度，基础增加抗剪键，在岩石基础上沿着x 方向采用切割方式割出两条1000mm 宽、1000mm 深的抗剪键。

3.5.4 2# 楼抗倾覆计算分析

根据盈建科计算结果，2#楼多遇地震下，筏板部分零应力区百分比A0/A=0%，说明结构能良好地抵抗多遇地震下的倾覆弯矩。

罕遇地震下，筏板部分零应力区百分比A0/A=19%，总水平力标准值为X 方向13301.85kN,Y 方向17160.89kN，房屋高度H=52.30m，地下室埋深C=10.3m，重力荷载代表值G=13881.17t，X 方向B=17.25m，Y 方向B=43.95m，根据徐培福《复杂高层建筑结构设计》公式2.1.21 计算可得，X 方向抗倾覆力矩Mr=3050387kN·m，倾覆力矩Mov=600800.2kN·m，X 方向抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值Mr/Mov=5.08；Y 方向抗倾覆力矩Mr=1197250.9kN·m，倾覆力矩Mov=775100.2kN·m，Y 方向抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值Mr/Mov=1.54。由此可见，结构在罕遇地震工况下也可以满足抗倾覆要求。

根据结构零应力区计算结果，基础应设置锚杆以抵抗罕遇地震工况下的拉应力，锚杆的相关参数及设置原则同1#楼（见图2）。

图2 2# 楼基础平面布置图

3.6 复杂地基条件的基础设计方案选择

针对1#楼的地基条件，通过对1#楼抗滑移计算可知，如果1#楼以中风化凝灰熔岩为持力层，抗滑移满足要求，可按持力层标高将筏板做成阶梯状筏板，但为提高结构安全，仍将基础做成筏板面标高统一的整块筏板，不采用阶梯状基础底板结构形式，以此提高基础的抗滑移能力，减少基础在岩面滑移的可能性。

针对2#楼的地基条件，由于持力层高差较大，采用混合基础，前期方案阶段为节省造价，采用分块独立基础和桩基承台，且由于地勘不够详尽，设计较为保守，前期根据地勘剖面图在设计阶段岩面标高与基础底面标高高差大于5m 的范围均采用桩基础，后期施工过程发现此处岩面存在陡坡，实际岩面高度与基础底部标高相差不足2m，后期出具重大变更以减少桩基数量，并结合现场实际情况将筏板部分扩大，为提高基础整体性，减少由于采用混合基础形式所带来的不均匀沉降影响，将筏板变更为筏板面标高统一的整块筏板。

针对3#楼的地基条件，在条件允许下，增加一层地下室空腔，基础面标高为14.00m，筏板厚度600mm，室外地面标高为16.10m，埋深为16.1—（14—0.6）=2.7m，建筑高度为20.4+9.5=29.9m，埋深规范限值为29.9/15≈2m，满足规范对于基础埋深的要求。

4 结语

⑴开敞地下室在地下室刚度很大，水平力作用下侧向变形很小的情况下可以当成常规地下室设计，上部可不按多塔考虑，可不按超限项目进行设计。

⑵上部结构构件承载力计算分析宜分两个模型进行计算，按嵌固端取至基础顶面以及按嵌固端取至地下室顶板两个计算模型的结果取包络设计，计算指标按嵌固端取至地下室顶板的计算模型来进行控制。

⑶山地建筑建筑高度起算点应取各单体建筑所在位置的室外地面最低点。

⑷基础埋深不满足规范要求时，基础设计应满足罕遇地震工况下的抗倾覆、抗滑移稳定性要求。