何明哲
(中國(guó)中元國(guó)際工程公司,北京 100089)
隨著我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展和人們對(duì)居住品質(zhì)的不斷追求,住宅項(xiàng)目在朝著大型和綜合發(fā)展的同時(shí),與軌道交通的結(jié)合日益緊密,因此,出現(xiàn)了大量的地鐵上蓋以及鄰近地鐵建筑項(xiàng)目。地鐵對(duì)相鄰建筑的影響,與基坑支護(hù)的關(guān)系處理,超長(zhǎng)地下室溫度作用影響,帶地下室的塔樓地基承載力深度修正等問(wèn)題息息相關(guān),關(guān)乎項(xiàng)目的安全性與經(jīng)濟(jì)性,已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目,對(duì)以上問(wèn)題的產(chǎn)生原因,對(duì)基礎(chǔ)選型的影響進(jìn)行定性分析,并對(duì)項(xiàng)目中案例的基礎(chǔ)選型做簡(jiǎn)要闡述。
本工程占地面積189 000m2,總建筑面積339 200m2。其中,地上建筑面積253 300m2,主要功能為住宅、公寓和商業(yè),地下建筑面積85 800m2,主要功能為車庫(kù)、設(shè)備用房和戰(zhàn)時(shí)人防。場(chǎng)地北側(cè)有規(guī)劃地鐵建設(shè)。
本項(xiàng)目分為南、北兩片區(qū)域,南區(qū)為低層洋房及配套地下室,北區(qū)為高層住宅及配套地下室。南、北區(qū)地下室連為一體,東西向最大長(zhǎng)度約為340m,南北向最大長(zhǎng)度約為450m。
如圖1 所示,北區(qū)高層住宅為29~32 層,建筑高度約86.85~93.25m,地下室層高5.7m,含設(shè)備夾層2.1m,其中,3#、4#、5#樓含局部2 層小裙房,為臨街小商業(yè)樓,與高層住宅塔樓主體脫開(kāi),無(wú)地下室,建筑高度約8.1m。1#~5#樓及附近地下室均臨近規(guī)劃地鐵,其中,3#、4#樓的裙房基礎(chǔ)以下有規(guī)劃地鐵穿越。3#、4#樓及附近的地下室基礎(chǔ)邊緣距離地鐵洞室中心線8~16m 不等。
±0.000m 相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高40.750m,高層住宅1#~5#樓基礎(chǔ)底絕對(duì)標(biāo)高約33.250~33.650m,臨近地下室的基底絕對(duì)標(biāo)高約33.900m。
本文擬對(duì)北區(qū)地下室、臨近規(guī)劃地鐵處高層住宅及臨街小商業(yè)樓的基礎(chǔ)方案進(jìn)行分析。
圖1 局部總平面示意圖
地層巖性:各主要巖層參數(shù)及樁基設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。
表1 主要巖層及樁基設(shè)計(jì)參數(shù)
天然地基以③中砂、④中砂為持力層,fak=200kPa,樁基礎(chǔ)以⑥礫砂為樁端持力層。場(chǎng)地平坦,地貌為沖積平原,場(chǎng)區(qū)無(wú)不良地質(zhì)作用,無(wú)特殊性巖土,可不考慮液化效應(yīng)。
地下水:抗浮設(shè)防水位絕對(duì)標(biāo)高28.20m,水位在底板以下,故底板不考慮水壓力。
設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期:50a,設(shè)計(jì)使用年限:50a;結(jié)構(gòu)安全等級(jí):二級(jí);結(jié)構(gòu)重要性系數(shù):1.0;基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí):乙級(jí)(1#~5#樓,為甲級(jí));抗震設(shè)防類別:丙類。
基本風(fēng)壓:0.55kN/m2;基本雪壓:0.50kN/m2;標(biāo)準(zhǔn)凍深:1.2m。
場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度7 度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.10g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,建筑場(chǎng)地類別為II 類,場(chǎng)地設(shè)計(jì)特征周期為0.35s。
本項(xiàng)目北側(cè)臨近市政道路,不僅與規(guī)劃地鐵相鄰,而且受施工運(yùn)輸及場(chǎng)地排布影響,部分區(qū)域需采用垂直支護(hù),不論地鐵盾構(gòu)施工,還是支護(hù)樁的施工,對(duì)基礎(chǔ)的選型和布置都會(huì)產(chǎn)生影響。與此同時(shí),由于地下室超長(zhǎng),選擇不同的地下室基礎(chǔ)類型對(duì)于釋放溫度應(yīng)力是不同的,選擇不同的地下室基礎(chǔ)類型,承載力修正不同,進(jìn)而影響高層住宅基礎(chǔ)方案,因此,需要綜合考慮確定。本文從4 個(gè)方面分析以上因素對(duì)基礎(chǔ)選型的影響。
3.1.1 鄰近地鐵影響
本項(xiàng)目北側(cè)臨近規(guī)劃地鐵,按地鐵規(guī)劃有關(guān)條件,地鐵洞室直徑6m,縱向中心線絕對(duì)標(biāo)高約20m,典型樓座與地鐵洞室、土層位置關(guān)系如圖2 所示。
圖2 典型樓座(4#樓)與地鐵洞室、土層位置關(guān)系剖面圖
地鐵施工對(duì)本項(xiàng)目影響體現(xiàn)在以下幾方面。
1)對(duì)高層住宅下CFG 樁基礎(chǔ)的影響
根據(jù)計(jì)算分析得到的基底反力,本工程可采用筏板基礎(chǔ),CFG 樁地基處理,對(duì)于CFG 樁,樁身承載力對(duì)復(fù)合地基承載力有重要影響。按力學(xué)原理,樁身承載力來(lái)源側(cè)阻和端阻,而兩者的發(fā)揮均與樁身與樁周土的相對(duì)位移有關(guān)。
當(dāng)?shù)罔F洞室開(kāi)挖后,臨近洞室一側(cè)的樁周土側(cè)限變?nèi)趸蛳?,甚至因地鐵洞室引起地表沉降,導(dǎo)致一定深度范圍的樁周土位移大于樁身,產(chǎn)生樁身負(fù)摩阻力;樁端土層局部卸載,進(jìn)而使樁端阻的發(fā)揮大打折扣。此外,由于樁周土壓力不平衡,樁身局部產(chǎn)生橫向撓曲變形,進(jìn)而產(chǎn)生部分彎矩和剪力。
由以上分析可見(jiàn),地鐵洞室的施工,對(duì)于臨近的CFG 樁基礎(chǔ)單樁承載力和樁身承載力均有著不利影響。
2)對(duì)臨街小商業(yè)樓及局部地下室基礎(chǔ)形式影響
對(duì)于3#、4#樓的小商業(yè)樓,地鐵洞室穿越其基礎(chǔ)下土層。由于洞室開(kāi)挖,基礎(chǔ)持力層土必然下沉,導(dǎo)致基礎(chǔ)不均勻沉降。而3#、4#樓小商業(yè)部分與主體塔樓脫開(kāi),采用框架結(jié)構(gòu),屬對(duì)不均勻沉降敏感建筑,因此,需增加基礎(chǔ)剛度,采用基礎(chǔ)剛度比較好的基礎(chǔ)形式,抵抗不均勻沉降。
3)對(duì)高層住宅基礎(chǔ)布置的間接影響
本項(xiàng)目臨近地鐵處多數(shù)采用垂直支護(hù),支護(hù)形式為鋼管樁加土層錨桿。為不干擾地鐵施工,支護(hù)樁位置需靠近地下室,高層住宅筏板基礎(chǔ)邊界及CFG 樁基礎(chǔ)的排布,均須考慮垂直支護(hù)樁設(shè)計(jì)和施工的影響。
3.1.2 基坑支護(hù)影響
本項(xiàng)目北側(cè)臨近市政道路,考慮運(yùn)輸原因,場(chǎng)地出口及運(yùn)輸通道設(shè)置于此,因此,相應(yīng)區(qū)域不具備放坡條件,須做垂直支護(hù),支護(hù)形式為鋼管樁加土層錨桿。同3.1.1 節(jié),此范圍與規(guī)劃地鐵相鄰,為避讓地鐵洞室,支護(hù)樁須靠近地下室基礎(chǔ),因此,地下室基礎(chǔ),尤其高層住宅筏板基礎(chǔ)出挑距離及CFG 樁位置,均受支護(hù)樁限制,設(shè)計(jì)時(shí)須考慮。
3.1.3 溫度作用影響及地基承載力修正
地下室采用天然地基,原則上既可用筏板基礎(chǔ),也可用獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板方案。鑒于本工程地下室超長(zhǎng),存在不可忽略的溫度應(yīng)力,對(duì)墻柱產(chǎn)生可觀的水平推力。
對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu),其溫度變化產(chǎn)生次內(nèi)力的根本原因是約束,同等條件下,約束越強(qiáng),次內(nèi)力越大。對(duì)于本工程,為減少溫度變化對(duì)墻柱產(chǎn)生的不利影響,可采用水平剛度較小的基礎(chǔ)形式。從這個(gè)意義上,選擇獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板方式,從概念上,更有利于降低溫度作用的影響。
3.1.4 構(gòu)造板及其對(duì)塔樓地基承載力深度修正
1)構(gòu)造板的提出
本工程擬對(duì)傳統(tǒng)的防水板進(jìn)行改進(jìn),取消基礎(chǔ)底板底部設(shè)置的聚苯板層,經(jīng)此改進(jìn)后的防水板叫作構(gòu)造板。這樣,一方面降低施工難度,加快施工進(jìn)度;另一方面,從受力角度,構(gòu)造板可承擔(dān)少數(shù)地基反力,對(duì)塔樓地基產(chǎn)生超載作用,提高其地基承載力。
2)構(gòu)造板對(duì)塔樓地基承載力深度修正
按3.1.3 節(jié)分析,構(gòu)造板相比于傳統(tǒng)防水板,取消聚苯板層,并因此承擔(dān)一定的基底反力(根據(jù)構(gòu)造板承載力極限狀態(tài)反算,且不大于基礎(chǔ)底面以上實(shí)際超載)。根據(jù)土力學(xué)原理[1],基礎(chǔ)周邊超載是地基承載力深度修正的根本原因,如構(gòu)造板可承擔(dān)一定的基底反力,則形成對(duì)高層住宅塔樓基礎(chǔ)的超載,并折算為等效土層厚度,對(duì)基礎(chǔ)承載力進(jìn)行深度修正。
3.2.1 地下室(北區(qū))基礎(chǔ)選型
取地下室典型柱網(wǎng)做2 種方案比選,第一種是筏板基礎(chǔ),第二種是獨(dú)立基礎(chǔ)加構(gòu)造板。經(jīng)過(guò)比較分析,在土方開(kāi)挖和混凝土工程量上,第二種方案更為經(jīng)濟(jì)。此外,超長(zhǎng)地下室基礎(chǔ)底板需配置雙層雙向構(gòu)造鋼筋抵抗溫度變形[2],對(duì)于第一種方案,因底板厚度大,鋼筋量大于第二種方案。綜上所述,基礎(chǔ)方案確定為獨(dú)立基礎(chǔ)加構(gòu)造板方案(構(gòu)造板取消聚苯板層)。
對(duì)于北側(cè)部分與規(guī)劃地鐵臨近地下室,由本文3.1.1 節(jié)分析,采用剛度較大的基礎(chǔ)形式:筏板基礎(chǔ)。
3.2.2 臨地鐵高層住宅基礎(chǔ)選型
1)基礎(chǔ)方案比選
根據(jù)項(xiàng)目所在地經(jīng)驗(yàn),對(duì)典型樓座(4#樓)做2 種方案比選,第一種為CFG 地基處理+筏板基礎(chǔ),第二種為長(zhǎng)螺旋壓灌樁基礎(chǔ)+承臺(tái)+防水板。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析,前者經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于后者,故采用CFG 地基處理+筏板基礎(chǔ)方案。
2)筏板基礎(chǔ)及其承載力修正
基礎(chǔ)厚度:根據(jù)本文3.1.1 節(jié)內(nèi)容以及合作單位對(duì)地鐵施工仿真分析結(jié)果,1#~5#樓受影響較大。為降低地鐵施工的不利影響,筏板基礎(chǔ)厚度在滿足計(jì)算要求的基礎(chǔ)上,增加至1 200mm,其余樓座可按計(jì)算要求確定筏板厚度。
承載力修正:本項(xiàng)目地下室范圍較大,滿足寬度大于主樓寬度2 倍要求,可考慮基礎(chǔ)埋深修正[3]。按3.1.4 節(jié),考慮地下室構(gòu)造板對(duì)基礎(chǔ)承載力的提高作用,深度修正系數(shù)ηd=1.0,折算土層厚度按3.1.4 節(jié)考慮。
3)CFG 樁設(shè)計(jì)
樁徑:根據(jù)地勘有關(guān)樁基設(shè)計(jì)參數(shù)及當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn),同等條件下,樁徑越小,經(jīng)濟(jì)性越好,按施工工藝要求,選擇小樁徑400mm。
樁長(zhǎng):根據(jù)地勘和進(jìn)入持力層要求,同時(shí)考慮樁身承載力盡可能與單樁承載力特征值盡可能接近,經(jīng)計(jì)算,有效樁長(zhǎng)12.2m。
樁間距:因高層住宅高度較大,在標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下,筏板基底壓力呈現(xiàn)出周邊大,中間小的趨勢(shì),因此需劃分區(qū)域,對(duì)于不同區(qū)域,樁間距不同。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果,確定中間區(qū)域間距為1.6m,周邊區(qū)域間距為1.4m,正方形布置。
部分加強(qiáng)樁:臨地鐵樁,根據(jù)本文3.1.1 節(jié)內(nèi)容,需做適當(dāng)加強(qiáng),根據(jù)專家論證結(jié)果,臨地鐵高層住宅外側(cè)2 排樁,樁長(zhǎng)需延伸至約地鐵洞室中心線以下D(D 為洞室直徑),樁長(zhǎng)確定為12.2+6=18.2m,同時(shí),根據(jù)本文3.1.1 節(jié)內(nèi)容,需對(duì)樁配置全長(zhǎng)范圍的鋼筋籠,提高抵抗局部橫向變形能力。
4)褥墊層設(shè)計(jì)
CFG 樁在褥墊層中的刺入變形,是樁土共同作用,復(fù)合地基承載力得以充分發(fā)揮的基礎(chǔ),因此褥墊層在CFG 樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)中,有著重要的作用,根據(jù)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》,本工程褥墊層厚度取300mm 碎石屑,最大粒徑小于或等于30mm,粒徑5~10mm,含泥量不大于5%。
3.2.3 臨街小商業(yè)樓基礎(chǔ)選型
根據(jù)3.1.1 節(jié)內(nèi)容,以及合作單位對(duì)地鐵施工仿真分析結(jié)果,在地鐵施工過(guò)程中,3#、4#樓受影響較大,采用整體性較好的筏板基礎(chǔ);對(duì)于5#樓,地鐵施工影響極小,可采用獨(dú)立基礎(chǔ)。
1)對(duì)于鄰近地鐵項(xiàng)目,如選擇樁基礎(chǔ),需定性分析地鐵洞室開(kāi)挖對(duì)單樁承載力特征值和樁身強(qiáng)度的影響,并采取相應(yīng)措施,如增長(zhǎng)樁長(zhǎng)、設(shè)置鋼筋籠(對(duì)CFG 樁)方式;
2)對(duì)于鄰近地鐵項(xiàng)目,需注意地鐵施工可能引起基礎(chǔ)不均勻沉降,并采取增強(qiáng)基礎(chǔ)剛度、提高上部結(jié)構(gòu)剛度等方式提高抵抗不均勻沉降能力;
3)當(dāng)?shù)罔F施工與基坑支護(hù)因素疊加時(shí),需從施工、受力角度綜合考慮其與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的影響;
4)大型地下室可考慮采用構(gòu)造板,取消聚苯板層,承擔(dān)部分基底反力,并作為塔樓周邊的超載,對(duì)塔樓地基承載力進(jìn)行深度修正。