某商业裙房土岩组合地基分析

卢化松

(成都基准方中建筑设计股份有限公司，四川成都 610011)

1 工程概况

该项目位于广西省南宁市五象新区平乐大道上。项目地上分为5个楼栋子项， 32号、35号楼为超限高层办公，33号、34号楼为高层办公，36号楼为多层独立大型商业。本文主要介绍36号楼的基础设计。36号楼为框架结构，地下3层(局部4层)，地上4层(局部5层)，房屋高度22.900 m；地下室均为车库，层高从上至下分别为4.0 m、3.45 m、3.45 m、3.45 m，地上1层为半开敞空间，层高6.5 m，地上2～5层层高依次为5.8 m、5.4 m、5.3 m、6.7 m。建筑效果见图1，一侧剖面如图2所示。

图1 建筑效果图

本项目的安全等级为一级，设计使用年限50年；抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7度(地震加速度为0.10g)，设计地震分组第一组。本场地类别为II类，场地特征周期为0.35 s，基本风压为0.35 kN/m2(50年重现期)，地面粗糙类别为C类。

2 结构布置

2.1 塔楼结构体系

根据建筑物的总高度、抗震设防烈度、建筑的平面布置及用途等情况，本工程裙房结构体系采用框架结构体系。结构的竖向荷载通过水平梁传到框架柱，再传到基础；水平作用力通过混凝土框架承担。

2.2 平面布置

裙房标准柱跨为8.1 m，最大柱跨为26.8 m。标准柱截面为700 mm×700 mm；标准框架梁截面300 mm×800 mm，标准次梁截面300 mm×700 mm，最大梁截面800 mm×1 200 mm。裙房2～5层结构平面如图3～图6所示。因方案和建筑功能要求，本裙房形状较为异形，柱跨变化较大，为特别不规则结构。

2.3 楼盖体系

本项目采用现浇钢筋混凝土楼盖体系,结合本工程特点，对几部位楼板进行加强：

(1)地上结构嵌固部位(地下室顶板)楼板板厚取180 mm，采用双层双向拉通配筋，最小配筋率 为0.25%。

(2)凹凸不规则处楼板板厚取为150 mm，采用双层双向拉通配筋，最小配筋率为0.25%；并按照应力分析结果复核配筋。

(3)大开洞周边楼板厚度取为120 mm，采用双层双向拉通配筋，最小配筋率为0.20%。

2.4 计算嵌固端的选取

本工程地下室顶板无大洞口，设计时采用现浇梁板楼盖体系，并采取措施来实现顶板嵌固：

(1)楼板厚取为180 mm，采用双层双向拉通配筋，且每层每个方向的配筋率不小于0.25%。

(2)计算考虑裙楼相关范围内侧壁的有利贡献。

采取以上措施计算的地下1层相关范围与首层的剪切刚度比：X向γx=2.17，Y向γy=2.70均不小于2，可满足首层嵌固的要求。

2.5 整体结构计算分析

本项目根据现行国家标准GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)[1](以下简称《抗规》)进行计算。塔楼的弹性分析选用北京盈建科软件股份有限公司编制的YJK软件(1.9.3.2版)和MADIS/GEN(2019版)软件进行对比计算，考虑偶然偏心地震作用、双向水平地震作用及竖向地震作用、扭转耦联以及施工模拟加载的影响，且考虑最不利地震

图2 36号楼侧剖面

图3 二层结构平面

图4 三层结构平面

图5 四层结构平面

图6 五层层结构平面

作用方向。

YJK与MADIS/GEN小震弹性计算结果见表1。

3 基础布置

3.1 场地地层结构及特征

根据钻探揭露情况、结合地质调查，本场地上覆人工填土、第四系残积红黏土，下层为石炭系(C)石灰岩。岩土层的

表1 YJK与MADIS/GEN计算结果对比

2、表中层号指模型层号。

分布及特征分述：

(1)人工填土①(Q4ml)：以粉质粘土、碎石和细砂为主，夹杂块石，局部含少量腐殖质，土质不均，新近堆填，属高压缩性土。该层在场地内大部分区域有分布，厚度变化大。

(2)红黏土②(Q3el)：为硬塑状态，属中等压缩性土。

(3)较破碎灰岩③-1：风化强烈，呈碎块状，块径基本在15～75 mm， RQD约50，局部夹含有黏土，属较硬岩。

(4)较完整灰岩③：岩芯多呈短柱状，大致长60～250 mm， RQD约80。岩体较完整，属较硬岩。该层在场地全部钻孔揭示，属稳定分布地层，本次勘察未钻穿该层。

(5)溶洞③-2：为灰岩层中的溶洞，洞内内填充有黏性土，内部有溶蚀现象，钻进时出现掉钻、钻液漏失现象。

各土层主要分布情况详见图7～图9。

图7 地勘平面布置

图8 地勘2-2剖断

图9 地勘6-6剖断

3.2 土层工程特性指标

本次勘察采用现场钻探、原位试验及土工实验，以评价岩、土层物理力学性质。各岩土层的试验方法选择得当，操作过程符合规范要求。

综合各项测试，结合地区经验各岩土层的工程特性指标建议值见表2。

3.3 基础形式

由于场地周边存在地铁线路和既有房屋，经多方论证，

表2 主要岩层物理力学指标参数建议值

基坑采用内支撑形式，大大增加基桩的施工周期和成本。根据业主要求，暂不采用桩基础，考虑天然基础可行性。

根据GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》(以下简称《基础规范》)[2]7.4.2条：对于建筑体型复杂，荷载差异较大的框架结构，可采用箱基、桩基、筏基等加强基础整体刚度，减小不均沉降。本项目裙房为特别不规则建筑，体形复杂、荷载差异较大，考虑采用筏板基础。

基础底标高达到持力层黏土②和较破碎石灰岩③-1，由于岩层起伏变化较大，基底离破碎石灰岩③-1、较完整石灰岩③距离0～20 m不等，考虑开挖量较大，选择黏土②作为持力层。根据《基础规范》5.2.4条修正后的地基承载力特征值为270 kPa。

4 问题提出

红黏土和岩体的压缩模量相差巨大，会产生不均匀变形[3]，这与山区地基特点比较相近。地基是一种散体性质，承受作用后具有较好的应力调节能力：压缩模量较大区域产生的应力相对较大。因为上部结构的不均匀性，致使基底压力的分布不同，常导致主体基础承受较大的剪应力而出现开裂。进而引起上部结构内力重分布，墙柱实际受力情况与假设不符。

目前囿于勘察技术水平，若测出土岩组合地基中每个点的弹性模量是比较困难，或者是经济上不可能实现。针对于地基的弹性模量，工程常采用载荷板试验来获得，但仅能评估场地大致的平均状况，不能反映不同区域的反力。

针对于土岩组合地基带来的应力分布不均匀、沉降不均匀、应力集中等问题，本文通过一个工程实例，探讨如何解决土岩组合地基下裙房筏板基础的设计。

5 处理措施

5.1 基底反力不小于及沉降

采用800 mm厚度筏板+柱墩的形式，不满足厚跨比不小于1/6的要求，属于柔性筏板，采用弹性地基梁法计算[4]。计算得出的基底反力如图10所示，基底反力为39～287 kPa,筏板表现出明显的柔性基础特征。

图10 基底反力标准值

由于本项目为深大基坑开挖，最大开挖深度为21.1 m，建筑物完成后基底以下土体处于补偿或超补偿状态。此时在压缩沉降变形在建筑物最终沉降变形中占有较大比例[5]。根据《基础规范》5.3.5、5.3.10和5.3.10条，计算得出的基础附加应力引起的沉降和回弹再压缩变形如图11、图12所示。可以看出，本裙房的最终沉降主要由回弹再压缩引起，局部沉降差已经超出基础规范相应要求，需进行特殊处理。

图11 附加应力引起沉降等值线

图12 回弹再压缩变形等值线

5.2 褥垫层法

垫层法实质是将地基持力层中的软弱地层挖除，用相对好的土进行回填，提高承载力，这在我国已经大量推广应用。

垫层法本身是利用褥垫层的扩散作用，减小地基反力，使其能满足承载力要求。

本工程为不均匀地基，上部结构布置不均匀，导致基底应力不均匀；因为土岩组合地基的存在，上部结构和基础将产生较大的剪应力，产生开裂破坏。借鉴垫层法应力扩散的原理，将基底下直接接触的岩石凿除一定厚度(300～600 mm)，换填滚圆度较好的砂卵石(褥垫层)，使得岩石处的应力减小，沉降量增加，达到基底压力重新调平的目的。此种处理方法山区地基中已经采用，并经后期沉降观测和观察，未发现明显裂缝现象和过大沉降[2、6]。

5.3 沉降后浇带法

根据三位位移，将裙房分区域进行施工，如图13所示，以减小沉降差过大引起的应力增大。

当地基为黏性土，再加荷量达到卸荷量的0.20时，其产生的再压缩变形量已经接近回弹变形量的0.40～0.60；之后黏性土的再压缩变形量增长速率逐渐降低，当再加荷量为卸荷量的0.40时，土样产生的再压缩变形量为回弹变形量的0.70左右；当再加荷量为卸荷量的0.60时，土样产生的再压缩变形量接近回弹变形量的0.90[7]。根据此特点，可以在施工过程中 根据沉降观测情况，施工后浇带。

图13 后浇带设置示意图

5.4 过渡带

由于超高层塔楼采用嵌岩桩基础形式，沉降几乎为零，裙房和塔楼之间存在沉降差问题。施工期间，可以通过沉降后浇带，减小施工期间的沉降差。对于中压缩性土，一般多层建筑物在施工期间完成的沉降量可认为已完成最终沉降量的20%～50%[8]。鉴于此，考虑在裙房与塔楼之间设置厚1 200 mm的过渡带，并适当增加配筋，以抵抗房屋使用期间沉降差引起的应力。

5.5 其他施工措施

当卸荷比较大(R≥0.8)时，黏性土由于滞后性产生的回弹量约占最终总回弹量的20%～30%[7]。由图14可知，卸荷比R≥0.8(即基坑最后开挖的0.2H)时，回弹变形增长最快，这时也是受开挖时间影响最为明显的时期。若此时基坑静置时间愈长，土体回弹变形滞后性发挥越充分，而且这种滞后性因基底下土层特性不同而有很大差异。

因此，在基坑施工过程中，尽可能减少基坑开挖到底以后的暴露时间。当开挖深度完成预定开挖深度0.75倍时，应加快基坑开挖进度，尽早浇筑垫层、底板等地下结构部分，以减小基坑暴露时间，从而减小基坑的回弹量。

图14 回弹率与卸荷比关系

6 结论

本项目为特别不规则框架结构，受力不均匀，基础位于土岩组合地基时，基底压力变化悬殊，基础和上部结构将承受较大的剪切应力。

褥垫层法是将基底下直接接触的岩石凿除一定厚度(300～600 mm)，换填滚圆度较好的砂卵石，使得岩石处的应力减小，沉降差减小，达到基底压力重新调平的目的。

根据施工进度，在裙房沉降差较大区域采取沉降后浇带，可以减少不均匀沉降引起的应力增大；塔楼与裙房建设置过渡带可以进一步减缓试用期间沉降引起的附加应力，确保底板及上部建筑不发生明显裂缝。