黄石市体育馆基础设计

徐如贵

1 工程概况

黄石市体育馆位于湖北省黄石市广场南路，总建筑面积40 858 m2，其中地上部分面积为16 983 m2，地下部分为23875 m2;地上总高33.71 m，局部2层;地下室建筑功能除体育馆功能外其余为超市，超市面积为13 575 m2，地下室局部加深为地下2层。本工程除屋盖(直径为86 m)为钢结构外其余均为钢筋混凝土框架结构。地下室圆形部分直径为160 m，左部分约72 m×72 m，整个地下室连为一体。总长231.6 m，出地面上部建筑范围仅中间圆形部分直径为106 m;基础底板面标高主要为-6.450，局部加深处为-10.100，室内外高差为0.3 m(见图1)。

2 基桩设计

2.1 地质情况

土层由表至深依次为:①层素填土;②层淤泥质土;③层粉质黏土;④层粉质黏土;⑤层全风化闪长岩;⑥层强风化闪长岩;⑦层中风化闪长岩。各层土高低起伏较大，基础底位于③层，④层，⑤层土(主要位于④层);局部加深处基础底位于③层，④层，⑤层土(主要位于④层，⑤层)。基础底板距⑦层中风化闪长岩表面深度范围为5.5 m～15 m。基础底板距⑦层岩石表面深度大部分在8 m左右;加深处底板距⑦层岩石表面深度范围为3.5 m～9 m，大部分为5 m左右。中风化闪长岩桩端承载力特征值为2 500 kPa。抗浮水位同室外地面标高。

2.2 桩类型的选择

本工程除考虑竖向承压外还必须进行抗浮设计，大部分桩是以抗拔控制设计，在竖向承压工况时也兼作承压桩，根据地质报告，③层不宜作为地基浅基础持力层，④层，⑤层均可作为浅基础持力层。由于底板位于③层，④层，⑤层土内，体育馆圆形中部上部结构柱轴力大，故在基础承压设计时采用桩基，桩端持力层选为⑦层中风化闪长岩。结合地质报告，由于该层土埋置深度变化较大，设计选用人工挖孔灌注桩基础，确保基桩进入中风化岩石持力层，挖孔桩采用钢筋混凝土护壁。即本工程承压和抗拔均采用嵌岩桩。

2.3 桩进入持力层深度的确定

一般情况下桩进入持力层(中风化闪长岩)最小深度为600 mm。由于本工程持力层深度埋深变化较大，基底至持力层表面深度较小处为3.5 m～5 m，为区别于墩基础，符合桩基础设计意图，对于有受压功能的桩，除了满足设计要求最小嵌岩深度600 mm外，桩的长度均不小于 6 m，同时桩长均须大于扩大头直径的3倍[1]。并且满足相邻桩间的桩底高差 h小于桩净距s(见图2)。

2.4 桩承载力的估算

1)本工程抗浮计算工况时部分桩为抗拔桩，在竖向受压计算工况时上部轴力完全由桩承担，故须分别确定桩的抗拔承载力及抗压承载力。本工程桩持力层选⑦层中风化闪长岩石，基岩饱和单轴抗压强度标准值 frk=10.4 MPa，坚硬程度为软岩，局部夹有相对软弱的较破碎层。《地勘资料》结合当地经验提供桩端基岩允许承载力特征值qpa=2 500 kPa。在桩受压承载力的估算中，《地勘资料》推荐按JGJ 94-2008建筑桩基技术规范中公式5.3.6计算:

其中，qsik，qpk分别为桩侧第i层土极限侧阻力标准值及极限端阻力标准值;Ψsi，Ψp分别为大直径桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数。

本工程桩护壁采用混凝土护壁，厚为150，按以上公式估算桩承载力时，桩身周长u按护壁外直径计算，即计算直径为桩身直径+300。

2)单桩抗拔力估算按JGJ 94-2008建筑桩基技术规范中公式5.4.6-1计算:Tuk= ∑λiqsikuili。其中，λi为抗拔系数。

由于本工程桩端进入中风化岩石层有0.6 m～3m，对于进岩石层深的桩，岩石层以上桩长小，且进入岩石层段对抗拔承载力的提供应是很大的，但《地质资料》对岩石层未提供侧阻力qsik(一般工程抗拔桩不会嵌入岩石层，本工程由于岩石层埋深起伏大同时考虑桩受压而有此情况)，设计中对此部分嵌岩段抗拔承载力的提供采用如下方法估算。借鉴JGJ 94-94建筑桩基技术规范[2]中公式5.2.11-3:

其中，Qrk为桩嵌岩段总极限侧阻力;ζs为嵌岩段侧阻力修正系数;frc为岩石饱和单轴抗压强度标准值;当嵌岩段深度 hr≥0.5d(桩身直径)时，ζs取值不小于0.025，按JGJ 94-94建筑桩基技术规范表5.2.11嵌岩段为中风化岩石时ζs乘以0.9，即可看作嵌岩段桩侧极限侧阻力标准值 qsik=0.9×0.025×10 400=234 kPa。单桩抗拔力设计估算时 qsik按200 kPa取值，嵌岩段抗拔系数λi按0.7取值，且不考虑桩端扩大头的有利作用，由此计算单桩抗拔力。

2.5 桩的检验

本工程各类桩总数为1 134根，试桩数为17根，其中抗拔试桩为10根，抗压试桩为7根。有抗压功能的桩随机抽取7根在相应孔位作基岩载荷试验，明确基岩承载力特征值。同时此类桩在施工成孔后作施工勘察，确保桩底下5 m范围内不存在破碎带、软弱夹层等不良地质条件。桩施工完成后直径为900及1 000的桩采用钻孔抽芯法检测桩身质量，此类桩抽检数量不少于10%，且每个承台下不少于1根[3];对于直径为800的桩采用低应变对桩身质量检测，本工程设计要求除钻芯抽检的桩外均作低应变检测。

3 筏板设计

1)目前桩筏基础的设计业内普遍按桩筏共同作用理论进行计算。此类桩筏设计，涉及到群桩计算理论、筏板计算理论和桩间土承载力计算理论。通常利用有限元分析方法，根据静力平衡、边界上竖向位移连续、节点对应关系，引入支承约束条件进行程序编制，设计中，桩简化为竖向弹簧支承在筏板下，然后进行筏板分析，通过桩基刚度矩阵、底板刚度矩阵、基础位移向量、上部荷载等效矩阵建立的基本方程[4，5]，求解得到筏板位移向量，从而给出底板内力。

群桩的沉降主要与荷载水平、桩距、桩数、土层条件等有关，桩端刺入弯形小，可忽略不计，群桩中每根桩的沉降表示成桩身压缩和该桩位置的桩端沉降之和，群桩中j桩的刚度可表示成桩顶荷载与桩顶沉降的比值:Kj=Pj/Sj=Pj/(Sbj+Spj)。其中，Pj为 j桩桩顶荷载;Sj为j桩桩顶沉降;Sbj为桩端沉降;Spj为桩身压缩。

筏板—桩基共同作用分析方程可以用下式表达:

其中，[KF]，[KP]分别为筏板结构和桩基结构的刚度矩阵;{U}为基础位移向量;[P]为上部荷载等效矩阵。通过以上表达式建立其基本方程，即可得桩基节点位移从而得筏板各节点内力。

2)本工程按如下方法进行简化:筏板上框架柱作为支点，筏板(承台)按倒置楼盖考虑，承受柱下桩反力及水浮力作用(见图3)，从而简化为独立承台+防水板的基础模式。按图3确定筏板(承台)内力，柱下筏板(承台)厚度按冲切确定。

考虑到实际情况桩顶有位移且各承台下桩长有较大变化而形成的柱下相对位移，按以上简化计算配筋结果作了一定程度的放大，防水板迎水面裂缝按0.2 mm控制。

4 基础的平面超长处理措施

1)基础混凝土采用掺入适量微膨胀剂以补偿混凝土收缩;掺入量为混凝土胶凝材料的8%～10%[6];2)设置多条后浇带;3)混凝土的水泥应优先采用水化热低的品种且混凝土施工过程中要求加强养护;4)适当增加钢筋用量。

5 结语

1)桩端持力层埋深变化大，选用人工挖孔桩对确保桩进入持力层深度的检查验收直观简单，有利确保满足设计要求。2)抗拔桩承载力估算时嵌岩段部分侧阻力 qsik参照JGJ 94-94建筑桩基技术规范中公式5.2.11-3，取嵌岩段 qsik=0.9ζsfrc，所估算的单桩抗拔力通过试桩检测符合要求。3)嵌岩桩筏有别于软土地基上的桩筏，设计中忽略桩顶位移可按倒置楼盖计算，但计算配筋结果宜作适当放大(因实际存在整体弯曲影响)。

[1] 《全国民用建筑工程设计技术措施——结构》编委会.全国民用建筑工程设计技术措施——结构[M].北京:中国计划出版社，2003.

[2] JGJ 94-94，建筑桩基技术规范[S].

[3] GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范[S].

[4] 郭淑卿.多塔大底盘结构的桩筏基础优化设计[J].建筑结构，2009(11):94-96.

[5] 金振奋，陈云敏，干 钢.高层主裙楼变厚度桩筏基础数值试验[J].工程设计学报，2003(4):224-228.

[6] GB 50119-2003，混凝土外加剂应用技术规范[S].