徐 麟， 隋 曉， 張文華， 周 定， 彭林海， 范圣杰， 楊軼宇

(1 廣州容柏生建筑結構設計事務所(普通合伙)，廣州 510170；2 大悅城控股集團股份有限公司，北京 100020)

0 引言

與常規(guī)建筑相比，山地建筑的顯著特點是需要重點關注邊坡和主體結構的相互作用和影響。進行山地建筑結構基礎設計時，需要對關鍵環(huán)節(jié)進行重點評估并采取措施，如上部結構的水平荷載和場地邊坡、基巖分布的不均勻性和基礎設計、場地標高和地下室結構的關系等。

在通常的山地超高層設計案例中，偏重于考慮上部結構水平力對場地巖土穩(wěn)定性的影響。例如在重慶來福士廣場項目中，工程師面臨極其復雜的土質和巖土質混合高邊坡，重點對項目兩側場地在靜力和地震作用下的穩(wěn)定性進行分析，并在分析過程中考慮了場地巖土與主體結構的交互影響[1]。重慶來福士廣場項目運用二維、三維有限元模型的彈塑性動力時程分析方法，評估邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性安全系數(shù)和可能產(chǎn)生的滑移、震陷。為提高場地邊坡和堤岸擋墻的穩(wěn)定性，采用支護樁對場地進行加固，分析了三水準地震作用下樁的內力，判斷其工作狀態(tài)[2]。

本文以“重慶大悅城”項目為例，除參照以往類似項目的原則開展考慮主體結構水平力的場地巖土穩(wěn)定性分析之外，重點以主體結構及基礎為研究對象，介紹了復雜山地條件對結構設計的特殊影響，同時借鑒地上結構抗震性能化設計的方式，給出了三水準地震作用下的基礎穩(wěn)定性的相關設計原則和方法。

1 項目概況

“重慶大悅城”項目位于重慶市渝北區(qū)中央公園，鄰近地鐵5號線和10號線，主體結構由三棟獨立辦公樓和一座商業(yè)裙房組成；地面以下設置四層地下室，高度均為18.4m，功能為地下商業(yè)、停車庫和設備用房，項目效果圖如圖1所示。

圖1 項目效果圖

本項目為邊坡建筑且一側存在吊腳，結構高度從地下室底板計算，三棟塔樓結構高度為112.4，133.6，183.3m。商業(yè)裙房分南北區(qū)塊，通過弧形連橋和頂部斜向布置的通廊相連。本工程南北向長約212m，東西向長約203m，裙樓與塔樓在1層以上設置結構縫脫開。建筑首層平面示意圖見圖2。

圖2 建筑首層平面示意圖

2 設計條件

2.1 結構主要設計參數(shù)

根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3]第3.9節(jié)，本項目結構基本參數(shù)如下：設計使用年限為50年，建筑安全等級為二級，抗震設防類別為乙類；本場區(qū)抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，地震設計分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，特征周期為Tg=0.45s。本項目位于坡頂，從基底至坡腳高度為36m，邊坡角度為24°，根據(jù)《山地建筑結構設計標準》(JGJ/T 472—2020)[4]第4.2.2條判定，水平地震動放大系數(shù)λ取1.4，水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.056，50年重現(xiàn)期基本風壓為w0=0.40kPa，地面粗糙度為C類。

2.2 地基條件

場地原始地形為構造剝蝕低山河谷地貌，寬緩淺丘山包和沖溝相間分布，總體地勢東北高、西南低，場地最高點位于場地東北側紅線附近市政道路邊緣，最低點位于場地西側南河道附近，邊坡總高度超過55m。場地中央為沖溝，沖溝兩側基巖面坡度較陡，約20°～35°，沖溝內覆蓋厚度為25m的欠固結填土，填土時間為近1～5年。場地基巖由泥巖和砂巖交錯層疊而成，層面與水平面的夾角為28°～75°。主體結構與邊坡關系詳見圖3，場地底板標高處基底基巖分布詳見圖4。本文所有平面圖均以正上方為北方。

圖3 主體結構與邊坡關系示意圖

圖4 場地底板標高處基底基巖分布

場地地下水貧乏，無穩(wěn)定地下水位。填土為強透水層，根據(jù)項目《巖土工程詳細勘察報告》(簡稱詳勘報告)，建議車庫底板下設置排水盲溝，并加強抽排水措施，綜合判斷地下水對基礎影響較小。

因沖溝及填土的影響，地下室西北角和東南角中風化基巖出露，巖體完整性及強度均較好，相應基礎豎向承載力和水平承載力均很高。場地中部區(qū)域為厚度不均勻的欠固結填土，進行樁基礎設計時應考慮樁基礎負摩阻力的下壓力影響。同時，填土區(qū)土質較松散，在填土區(qū)進行樁基礎施工易發(fā)生塌孔，對基礎穩(wěn)定性也非常不利。為提高填土區(qū)域樁基礎水平承載力，并改善樁基礎施工條件，對厚填土區(qū)域進行強夯處理。由于地震力和側土推力具有不均勻性，經(jīng)論證，對地震作用力最集中的165m高的塔樓C及承擔側土推力最大的地下室東北角兩個重點區(qū)域進行旋噴樁處理，將上述兩個區(qū)域的樁側土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值(簡稱m值)由8MN/m4提高到15MN/m4。地基處理后，通過現(xiàn)場試驗實測重點區(qū)域的m值，對基礎抗水平力設計提供依據(jù)。

2.3 環(huán)境邊坡對主體結構的影響

本項目場地環(huán)境非常復雜，場地南側是高達36m、傾角為24°的高邊坡，為保證邊坡的穩(wěn)定，對南側邊坡不穩(wěn)定填土進行削坡處理(未來不考慮回填)，目的是減小填土的下滑力，提高極端工況下的邊坡穩(wěn)定性；場地東側建設地鐵車站和地鐵運行區(qū)間，對基坑支護結構變形提出了很高的要求，經(jīng)研究確定對東側地下室實行退階，從而對支護樁板形成反壓，控制樁板擋墻的水平變形。上述支護設計對主體結構的影響有以下三點：1)地下室北側擋土，南側臨空，主體結構需考慮不平衡側土壓力的影響；2)結構嵌固端置于基礎頂部，基礎設計時需考慮上部結構傳遞的地震作用；3)因南側削坡，東側分階退臺，形成局部吊腳和掉層結構，見圖5，6。

圖5 東側地下室退階剖面示意圖

圖6 南側典型邊坡剖面示意圖

3 基礎設計

根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007—2011)[5]第6.1，6.2節(jié)的相關規(guī)定，本項目的基礎設計，需進行承載力和變形的驗算。

根據(jù)項目詳勘報告，本項目場地巖層為砂巖和泥巖，二者交錯層疊出現(xiàn)。砂巖承載力高，飽和抗壓強度為32.4MPa；泥巖承載力低，天然抗壓強度為7.21MPa。

參考《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)[6]第3.4.5條，同時結合塔樓豎向承載力及基礎穩(wěn)定性設計要求，確定中風化泥巖作為樁基礎持力層，基礎布置示意見圖7，圖中線框為地下室外輪廓。

圖7 基礎布置示意圖

最終基礎方案如下：

(1)在中風化泥巖層埋深較淺的區(qū)域，采用短樁基礎。裙樓區(qū)域柱底軸力為8 000～20 000kN，采用平面邊長為3～4m的方形短樁基礎，短樁有效長度為4～8m。

(2)在中風化巖層埋深較深的區(qū)域，采用常規(guī)樁基礎。柱底軸力為8 000～25 000kN，采用一柱一樁，樁徑為1.2～2.5m。樁間設基礎梁，梁截面尺寸為600×800。

(3)塔樓核心筒下采用多樁承臺，塔樓A外框柱下采用一柱一樁，塔樓C東側外框柱下采用一柱兩樁，樁徑2.5m。

(4)因場地巖面坡度大，結合基礎穩(wěn)定性的要求，確定樁基礎嵌巖深度1～3d(d代表樁身直徑)，同時應滿足45°剛性角的要求，如圖8、圖9所示。

圖8 基礎剖面示意圖

圖9 典型樁基礎嵌巖示意圖

4 基礎水平力分析

圖10 場地剖面位置示意圖

(1)A-A剖面，東側為永久支護，西側為邊坡，兩側均無側土壓力。

圖11 場地剖面圖

(2)B-B剖面，東側為臨時支護，分階放坡，西側為主體結構擋土，兩側均有側土壓力，且地勢平緩，不平衡側土壓力為1 996-1 334 =662kN/m。由于西側基巖出露，不平衡側土壓力引起主體結構的水平變形小。

(3)1-1剖面，場地西北側采用結構架空，不平衡側土壓力為155kN/m。因西北場地內基巖較淺，大部分側土壓力可通過基礎與基巖的摩擦力直接傳遞給基巖。

(4)2-2剖面，場地東北采用結構架空，南側為巖質邊坡，南側雖有局部填土，但基巖層面方向與邊坡方向一致，且面積不大，偏安全地，不考慮該填土的有利作用。不平衡側土壓力為947kN/m。該剖面?zhèn)韧翂毫鬟f路徑上有較厚的填土，需考慮樁周土水平抗力。

對主體結構承擔的不平衡側土壓力、風荷載、地震作用進行初步分析，結構基底水平反力匯總詳見表1，表中基底剪力已考慮山地建筑抗震不利地段地震作用放大系數(shù)1.4。由表1可知，風荷載引起的基底水平反力為地震作用引起的基底水平反力的1/4，在本項目基礎水平反力分析中不起控制作用。因南北向不平衡側土壓力與地震作用產(chǎn)生的水平反力相當，根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[8]第5.4.1條，后續(xù)分析中，主要考慮不平衡側土壓力與地震作用的組合。

結構基底水平反力及其與側土壓力比例 表1

5 基礎穩(wěn)定性的研究機理和控制目標

傳遞到基礎的不平衡水平力主要分為不平衡側土壓力、地震作用、風荷載作用三部分，其中不平衡側土壓力和地震作用占大部分，最終通過以下三種方式傳遞給大地：

(1)基底與巖石的靜摩擦力：結構自重所引起的靜摩擦力能否保證基礎穩(wěn)定是本項目前期研究的重點之一。各區(qū)域恒載及其產(chǎn)生的基巖靜摩擦力詳見表2。由表2可知，兩個基巖區(qū)域靜摩擦力合計約75.3萬kN，足以抵抗土推力與小震作用之和(28.3萬kN)，但不足以抵側土壓力與大震作用之和(107.4萬kN)。同時，基底靜摩擦力僅分布于西北角和東南角，這兩個區(qū)域恒載只占全部恒載的23%。地震作用力集中于中部，而靜摩擦力集中在角部，基底和巖石的靜摩擦力不能完全抵抗地震作用。大震作用下，靜摩擦有可能轉化為滑動摩擦狀態(tài)，而滑動摩擦系數(shù)實際難以通過試驗確定。同時，由于地震作用的多向性，對結構有拋擲作用，基底靜摩擦力大幅降低。經(jīng)過反復論證和當?shù)貙＜以u審，本項目偏于安全，沒有考慮靜摩擦力或者滑動摩擦力對基礎穩(wěn)定性的貢獻。

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結構恒載和基巖靜摩擦力統(tǒng)計/kN 表2

(2)樁基礎嵌入巖石的機械嵌固力：這部分抵抗上部結構傳遞來的水平荷載，傳力效率最高、也最經(jīng)濟?；A穩(wěn)定性取決于嵌巖短樁基礎和巖石的水平承載能力，如何增加二者的承載力儲備是本項目基礎設計的關鍵?；鶐r承載力及嵌巖基礎承載力應滿足主體結構大震下的基底水平力要求。

(3)樁基礎與邊坡土體的相互作用：由于本項目填土較厚，土體欠固結，抵抗水平力效率低，在變形協(xié)調前提下，樁基礎和邊坡土體相互作用，造成樁基礎仍分擔一部分水平力，需要對其進行水平承載力復核，以確保樁基礎的安全可靠。同時，樁基礎分擔的水平力最終傳遞給邊坡土體，邊坡應考慮樁基礎的加載作用進行穩(wěn)定性復核。樁基礎水平承載力及邊坡穩(wěn)定性均應滿足側土壓力+中震作用組合的受力要求，基礎水平力傳遞路徑如圖12所示。

圖12 基礎水平力傳遞示意圖

經(jīng)過反復論證，本項目將基礎和底板設為關鍵構件，并制定相應的性能目標，如表3所示。

地下室和基礎部分關鍵構件抗震性能目標 表3

6 基礎穩(wěn)定性的分析模型

采用MIDAS Gen建立用于分析基礎水平力的計算模型，將塔樓、裙樓、地下室、基礎全部整合為一個基本模型，如圖13所示?？紤]豎向荷載、地震作用、風荷載作用、側土壓力作用等工況，地下室側壁上不施加側限。

圖13 主體結構及基礎模型示意圖

基礎模型中，西北角及東南角采用短樁基礎，深填土區(qū)域改用常規(guī)樁基礎，所有樁基礎長度均按實際樁長輸入，樁底設置不動鉸支座，樁頂設水平彈簧支座。根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB 50330—2013)[9]第13.2.5條及重慶市《建筑樁基礎設計與施工驗收規(guī)范》(DBJ 50-200—2014)[10]第5.5.4條，對土質地基樁基礎水平剛度按“土質地基系數(shù)m法”取值，對巖質地基的樁基礎水平剛度按“巖質地基系數(shù)k法”取值。

基礎約束條件如圖14所示，驗算樁基礎、短樁基礎水平承載力時，采用模型一；進行基礎抗滑移驗算時，采用模型二。對于模型二，取消樁側彈簧，削弱樁水平剛度，使短樁基礎承擔絕大部分不平衡水平力。

圖14 基礎約束條件示意圖

7 基礎整體穩(wěn)定性分析

根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)第5.7節(jié)的要求，確定本項目基礎整體抗滑移控制標準為：在側土壓力+小震作用工況下，基礎頂水平位移不超過6mm。

因地下室東側存在掉層結構，地下1，2層樁基礎在樓面的帶動下發(fā)生較大的水平變形，為控制其變形，掉層區(qū)設置斜底板從地下1層底板連接到地下4層底板(圖15)，以使掉層區(qū)的側土壓力更加直接地傳遞到地下4層底板，同時將地下室所有樁基礎頂部結合成一個整體，大大減小了掉層區(qū)基礎在水平力作用下的變形。

圖15 地下室東側掉層區(qū)斜底板剖面圖

根據(jù)整體模型(模型一)的計算分析結果，在側土壓力+小震作用工況下，底板整體變形如圖16所示。基礎頂部最大東西向位移為3.90mm，最大南北向位移為3.44mm，滿足小于6mm的預設性能目標。

圖16 基礎水平變形示意圖/mm

本工程西北角和東南角巖面埋深淺，采用短樁基礎，將水平力更直接地傳給基巖。在短樁基礎和基巖的驗算中，采用計算模型二，減小長樁基礎的有利貢獻，使絕大部分水平力由短樁基礎承擔，短樁基礎和基巖承載力均應滿足大震不屈服的性能目標。對于基巖承載力驗算，采用《建筑邊坡工程設計規(guī)范》(GB 50330—2013)第13.2.8條公式13.2.8-1計算，上述整體穩(wěn)定性計算結果匯總見表4。所有指標均滿足預設的性能目標要求。

基礎整體穩(wěn)定性分析結果匯總 表4

根據(jù)表3所闡述的性能目標，對基礎構件進行不同水準下的計算復核，具體結果匯總見表5。

本項目場地巖土穩(wěn)定性評價委托專業(yè)巖土設計單位進行專項研究。在考慮主體結構引起側土壓力+中震作用組合水平荷載情況下，經(jīng)復核場地邊坡土體處于穩(wěn)定狀態(tài)。場地東側及西側巖層層面雖然順向，但巖層層面連續(xù)，不存在臨空面，在考慮主體結構引起的側土壓力+大震作用組合主體結構水平力的情況下，巖層仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

基礎構件性能復核結果匯總 表5

8 底板應力分析

根據(jù)設定的抗震性能目標，地下室底板是抗震關鍵構件，抗震性能目標為中震不屈服。本節(jié)采用模型二，不考慮樁基礎的水平剛度，對不同工況下水平力引起的底板附加應力進行分析，具體分析結果詳見圖17。虛線框內的內力相對集中，分別達到了1 300～1 500kN/m。設計上控制側土壓力+中震作用工況下大部分區(qū)域樓板應力水平小于C35混凝土抗拉強度標準值2.2MPa，以此為抗震性能目標控制底板厚度，板厚分區(qū)見圖18?？紤]側土壓力+中震作用組合，底板配筋率約為0.42%。

圖17 底板應力示意圖/(kN/m)

圖18 基礎布置及底板厚度分區(qū)圖/mm

9 塔樓局部穩(wěn)定性分析

本項目單棟高層塔樓區(qū)域質量大，地震作用在塔樓區(qū)域分布比較集中，尤其塔樓核心筒、外框柱地震剪力大。為保證塔樓樁基礎的安全，塔樓樁基礎除承擔由底板傳遞的不平衡側土壓力外，應獨立承擔全部上部塔樓的地震作用和風荷載作用，除滿足承載力要求外，還應獨立滿足塔樓基礎抗滑移和抗傾覆的穩(wěn)定性要求。

根據(jù)重慶市《建筑地基基礎設計規(guī)范》(DBJ 50-047—2016)第8.1.5條，抗滑移力與滑移力之比應不小于1.3，抗傾覆力矩與傾覆力矩之比應不小于1.6。本項目按側土壓力+大震作用組合工況對塔樓基礎進行局部穩(wěn)定性復核，對于深填土區(qū)域的樁基礎，其抗滑移力為所有樁基礎水平承載力的總和(考慮群樁效應系數(shù))，具體結果見表6。三棟塔樓均可獨立滿足基礎穩(wěn)定性要求。

10 重點擋土區(qū)域局部穩(wěn)定性分析

為減少不平衡側土壓力對鄰近主體結構的不利影響，本項目對東北角和西南角擋土結構，進行承載力驗算。為使結構受力明確，本項分析采用單榀計算模型，考慮擋土結構承擔所有側土壓力，并考慮地震作用的影響，如圖19所示。

圖19 重點擋土區(qū)域分布示意圖

塔樓基礎局部穩(wěn)定性分析匯總 表6

加強擋土結構主要由排樁基礎、加厚筏板、扶壁剪力墻組成，側土壓力通過剪力墻和內部框架柱傳遞給樁基礎。樁基礎與加厚筏板形成排樁結構，具有較強的抗側向土壓力、抗傾覆能力。經(jīng)復核，該擋土結構(圖20)能夠滿足側土壓力+大震作用工況下的擋土要求。

圖20 東北角樁基礎局部擋土示意圖

11 現(xiàn)場樁基礎水平力檢測試驗

為了驗證樁基礎抵抗水平力的可靠性，現(xiàn)場對兩處典型樁基礎進行了原位單樁水平承載力檢測，現(xiàn)場試驗照片見圖21，采用慢速維持荷載法進行加載。單樁水平最大荷載值約4 700kN，實測最大水平位移約4mm，根據(jù)大悅城原位巖基承載力檢測結果，實測位移曲線見圖22。

圖21 現(xiàn)場樁基水平力檢測試驗

圖22 現(xiàn)場樁基水平力檢測試驗曲線

本次所抽測的試驗樁一、試驗樁二單樁水平承載力特征值滿足3 500kN，基樁在試驗過程中累計水平位移小于敏感建筑物控制標準6mm。

12 結論

(1)在本文的案例中，受場地特殊的高邊坡影響，山地巖土對主體結構產(chǎn)生不平衡推力，主體結構的基礎和場地巖土需要承擔不平衡側土壓力和上部結構的水平荷載。場地巖土應考慮主體結構傳遞的水平力進行穩(wěn)定性分析，并滿足一定的抗震性能目標。

(2)對上部水平力的傳遞機理進行深入研究，建立“主體結構+基礎”模型，對基礎抗滑移、底板變形、不平衡力的分配、基礎水平承載力等指標進行驗算；對嵌巖短樁基礎和深填土區(qū)域的長樁基礎采用兩種不同的計算模型包絡設計。本項目基礎設計滿足預設的抗震性能目標要求。

(3)對復雜山地項目，考慮質量分布的不均勻性，不僅需要考慮基礎整體穩(wěn)定性，還應該對局部穩(wěn)定性進行研究。