上海世茂深坑酒店坑底复杂岩质地基基础设计

王伟杰

华东建筑设计研究院有限公司 上海 200041

1 概述

上海世茂深坑酒店的建筑造型新颖独特，平面和立面均呈弯曲的弧线形，坑内主体建筑通过分块箱形基础固结在坑底弱风化基岩上，同时在坑顶B1层楼板标高处作为水平铰接支座，为其提供水平方向约束，深坑上下均有约束，主体结构形成2点支承结构体系。

三维激光扫描技术是从复杂实体或实景中重建目标的全景三维数据及模型，主要是获取目标的线、面、体、空间等三维实测数据并进行高精度三维逆向建模的技术。三维激光扫描技术集光、机、电等各种技术于一身，它是从传统测绘计量技术并经过精密的传感工艺整合及多种现代高科技手段集成而发展起来的，是对多种传统测绘技术的概括及一体化[1-2]。

面对深坑酒店复杂的坑底地貌环境，应用三维激光扫描技术，逆向建立岩面三维模型，完整地反映岩面同主体建筑的关系，指导坑底基础设计。

2 三维激光扫描技术应用

世茂深坑酒店主体建筑设计位于地质深坑内，依崖壁建造，总建筑面积约60 000 m2（图1）。酒店主体建筑分为地上部分、地下至水面部分以及水下部分。其中地上建筑2层（局部带1层地下室），高度约10 m；地下至水面建筑共14层，高度约53.6 m；水下部分建筑2层，高度约10.4 m；建筑总高度约为74 m。

图1 深坑酒店效果图

坑内主体结构采用分块箱形基础与筏形基础相结合的形式，基础持力层为弱风化基岩（安山熔岩）。由于坑内地形起伏很大，坑底坡脚处部分基岩和建筑相碰，需要爆破清除。

三维激光扫描技术能完整并高精度地重建扫描实物及快速获得原始测绘数据，可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集的真实数据，后期处理的数据完全真实可靠。

针对项目特点，在坑内中心点附近及上部坑口周边各布置3个站点，通过这6个站点的扫描信息可以基本完整地反映深坑的基本特征。

地质深坑实景如图2所示，扫描后建立坑底三维模型如图3所示，基于三维激光扫描技术的高效率、高精度、逼近原形的独特优势，结合三维激光扫描技术，完善地形测绘资料，为深化基础设计提供了可靠的计算依据。

图2 基础岩面实景

图3 基础岩面扫描图

3 岩质地基基础设计规范要求

深坑酒店坑底采用箱形基础与筏基相结合的形式，基于三维扫描得到的坑底三维实体模型，对坑底岩质地基基础进行设计。岩质地基上的独立柱基，由于地基承载力很高（坑底微风化安山岩岩石地基的承载力在1 700 kPa左右）、基础底面尺寸较小的特点，抗冲切通常都能满足，基础高度主要由抗剪承载力来决定。

根据国标GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》（下称“国标《地基规范》”）第8.1.1条对无筋扩展基础的要求，当基础单侧扩展范围内基础底面处的平均压力值超过300 kPa时，应按式（1）计算（适用于除岩石以外的地基）：

式中：Vs——相应于基本组合时的地基平均净反力产生的沿墙（柱）边缘或变阶处的剪力设计值；

ft——混凝土轴心抗拉强度设计值；

A——沿墙（柱）边缘或变阶处基础的垂直截面面积。

根据重庆市工程建设标准DBJ 50-047—2006《建筑地基基础设计规范》（下称“重庆市《地基规范》”）第8.2.2条对无筋扩展基础的要求，当基础单侧扩展范围内基础底面处的平均压力值超过300 kPa时，按式（2）计算：

由式（1）、式（2）可知，重庆市《地基规范》中对于岩石地基无筋扩展基础承载力计算值比国标《地基规范》高。在实际工程中，当地基承载力特征值较高时（如超过300 kPa），通常采用钢筋混凝土基础，避免采用无筋扩展基础。

根据国标《地基规范》第8.2.9条对钢筋混凝土扩展基础的要求，应按式（3）、式（4）计算：

式中：βhs——受剪切承载力截面高度影响系数；

A0——验算截面处基础的有效截面面积；

h0——基础剪切破坏锥体的有效高度。

国标GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（下称“国标《混凝土规范》”）第6.3.3条规定的斜截面受剪承载力公式，适用于一般板类构件，尤其适用于薄板，国标《地基规范》第8.2.9条直接采用国标《混凝土规范》的计算公式〔式（3）〕进行厚板的受剪承载力计算，导致计算所需的基础有效面积增加较多。

国标《地基规范》对筏板基础的抗剪设计规定（第8.4.10条）中，取用柱（墙）边缘h0处的剪力设计值，采用的是减小剪力设计值的方法；而对桩承台的抗剪设计规定（第8.5.21条）中，引入剪切系数β，采用的是增大基础抗剪承载力的办法，两者处理方法虽然不同，但减小基础截面高度的目的是一致的。经比较可以发现，在实际工程中，完全不考虑基础底板厚度对单向受力的独立基础抗剪承载力的影响，这一做法偏于保守。

广东省标准DBJ 15-31—2016《建筑地基基础设计规范》（下称“广东省《地基规范》”）第9.2.7条规定，Vs取距柱边h0/2处的计算值。

实际工程设计时，建议按国标《地基规范》第8.2.9条并考虑剪切系数，与广东省《地基规范》计算结果取包络设计。

由现行规范对基础抗剪计算可知，按国标《地基规范》进行扩展基础抗剪验算时，基础设计偏于安全。

本工程仍按国标《地基规范》第8.2.9条进行抗剪验算，基础设计偏于安全。

4 岩质地基基础设计有限元分析

对基底反力集中于立柱附近的岩质地基，基础的抗剪验算条件应根据各地区具体情况确定。岩石地基上扩展基础的基底反力曲线是一倒置的马鞍形，呈现出中间大，两边小，到了边缘又略为增大的分布形式，反力的分布曲线主要与岩体的变形模量和基础的弹性模量比值、基础的高宽比有关。

采用有限元进行分析计算，研究岩体的变形模量和基础的弹性模量比值、基础的高宽比2个参数对基础承载力的影响。

4.1 模量比值

采用有限元分析软件，用20 m×20 m×20 m的实体模型模拟无限大空间岩石地基，上部独立基础为3 m×3 m×2 m，独立基础上部作用φ900 mm钢管混凝土柱，建立如下图4所示的三维分析模型，模型网格划分如图5所示。独立基础及钢管混凝土柱的混凝土强度等级采用C60，本构模型采用混凝土损伤塑性模型，岩石地基本构模型采用摩尔-库伦塑性模型。

选取某个钢管混凝土柱上内力F=15 300 kN，研究地基不同弹性模量情况下基底应力分布情况。计算如下3种工况：

1）模型1：地基弹性模量E1=5.5 GPa（本工程岩体实际弹性模量）。

2）模型2：地基弹性模量E2=55 GPa（本工程岩体实际弹性模量的10倍）。

3）模型3：地基弹性模量E3=0.55 GPa（本工程岩体实际弹性模量的1/10）。

上述3个模型基底应力分布云图如图6～图8所示。

图4 三维实体模型

图5 三维模型网格划分

图6 模型1基底局部应力云图

图7 模型2基底局部应力云图

图8 模型3基底局部应力云图

上述3个模型基底应力的水平及垂直方向分布如图9、图10所示。

图9 基底应力水平方向分布

图10 基底应力垂直方向分布

由基底应力分布图可知：

1）当地基弹性模量较小时，基础底部中间应力较为均匀，边缘有明显的应力集中。

2）随着地基弹性模量的逐渐增大，基底应力模式发生较大变化，基底应力逐渐向中间转移，呈中间大、两边小、边缘局部大的分布模式，非线性特征强。

3）随着地基弹性模量逐渐增大，基础的破坏模式由受弯破坏逐渐向局部承压破坏转变。

4）当深度大于1倍基础宽度时，地基弹性模量变化对地基内部应力分布影响较小。

因此，当地基弹性模量相对较大时，由于基底反力向中间转移，上部基础受到的实际剪力值将小于由国标《地基规范》第8.2.9条计算的剪力值，故按国标《地基规范》第8.2.9条进行基础抗剪验算时，基础设计偏于安全。当地基弹性模量较小（如软弱土层等）时，由于基底应力较为平均（除基础边缘外），按国标《地基规范》第8.2.9条进行基础抗剪验算时，与实际受力情况吻合较好。

4.2 基础高宽比

类似上述分析过程，建立典型三维模型，研究上部基础不同高宽比情况下的基底应力分布情况。地基弹性模量根据实际情况取值，计算如下3种情况：

1）模型1：基础尺寸3 m×3 m×2 m，基础高宽比2/3（本工程基础实际高宽比）。

2）模型4：基础尺寸3 m×3 m×1 m，基础高宽比1/3。

3）模型5：基础尺寸3 m×3 m×3 m，基础高宽比1。模型1基底应力分布云图详见图6，模型4、模型5基底应力分布云图如图11、图12所示。

图11 模型4基底局部应力云图

图12 模型5基底局部应力云图

上述3个模型基底应力的水平及垂直方向分布如图13、图14所示。

由基底应力分布图可知：

1）当基础高宽比较大时，基础底部中间应力较为均匀，边缘有明显的应力集中。

2）高宽比愈大，基础反力分布愈均匀；高宽比愈小，基础反力分布愈不均匀。随着基础高宽比的逐渐减小，基底应力模式发生较大变化，基底应力逐渐向中间转移，呈中间大、两边小、边缘局部大的分布模式，非线性特征强。

3）基础高宽比的减小引起的基底应力变化情况与地基弹性模量增大的情况类似。

4）当深度大于1倍基础宽度时，地基弹性模量变化对地基内部应力分布影响较小。

图13 基底应力水平方向分布

图14 基底应力垂直方向分布

5 结语

通过三维激光扫描技术得到坑底岩面三维模型，指导坑底基础设计。通过对比现行规范有关独立基础设计要求，并通过有限元分析计算，可得到如下结论[3-4]：

1）三维激光扫描技术，大大减少了现场测量的工作量，极大地提高了工作效率。

2）当地基承载力较高时，按国标《地基规范》进行扩展基础抗剪验算时，基础设计偏于安全。

3）岩质地基变形模量与上部基础的弹性模量比值、上部基础的高宽比对地基内应力分布情况有较大影响。

通过有限元分析计算岩质地基变形模量、基础高宽比对地基内部应力分布的影响，为岩质地基基础设计提供参考。