岩石地基上高层建筑的基础设计研究

林 航

(福州市建筑设计院 福建福州 350001)

1 项目概况

项目地处连江县福州都市区北翼，被称为闽地首府福州的海上后花园。作为福州半小时通勤圈内的重要板块，是福州城市产业职能承接地。用地靠山面海，沿着海岸线展开成狭长的带状，定海湾天然地形自海岸至内陆高差较大。自然形成沙滩海岸带和内陆带。该工程地形图如图1所示。

图1 地形图

图2 工程地质剖面图

图3 建筑剖面示意图

该工程8#楼为例，8#楼为地上33层高层住宅，高度96.40m；地下1～3层为地下车库，高度14.60m；±0.00对应黄海高程为38.80m。工程地质剖面图如图2所示，孔口高程从黄海7.78m～36.53m，坡度较大，为典型的山地剖面，相应位置处的建筑剖面示意图如图3所示，其中ZK52和ZK56分别为8#楼北面和南面角点处钻孔。D25、ZK113和ZK126为裙房的钻孔，主楼与裙房设缝断开。8#楼室外地面完成面黄海高程为38.80m，底板面黄海高程为24.20m，裙房南侧的ZK126处室外地面完成面黄海高程为11.20m，为保证主体结构安全，北侧设置挡土墙，防止土压力直接作用于主体结构。主体结构为剪力墙结构，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅰ1类。基础采用墙下条形基础，基础持力层为第5层中风化花岗岩，承台面黄海高程为24.00m，承台高度2.0m，基础埋置深度为2.2m。按照《高规》[2]12.1.8-1条要求基础埋深h=(96.4+14.6)/15=7.4m，根据该场地地勘报告和项目总平面图，ZK52和ZK56中风化花岗岩面标高分别为33.53m和25.06m，承台底黄海高程为22.0m，高于承台底标高。如按照规范要求的1/15建筑物高度确定基础埋置深度，将会给施工带来极大的困难，也会大大提高建设成本和工期，严重影响项目的进展。

2 设计思路

以8#楼(高度最高)为例，在满足地基承载力、结构抗倾覆、结构抗滑移要求的前提下，采取必要的安全措施，保证结构安全。

2.1 地基承载力验算

基础持力层采用第5层中风化花岗岩，中风化花岗岩埋藏深度浅，强度高，工程性能好，地基承载力特征值fak=2500kPa，条形基础的基底平均压力值为pk=2000kPa。pk

2.2 结构抗倾覆验算

在抗倾覆验算时，如电算中带入南北侧裙房，将增大抗倾覆力臂，从而加大抗倾覆力矩。但由于裙房层数少，柱距大，刚度小，故不可考虑裙房的有利作用，电算时，不可带入南北侧裙房。根据盈建科结构计算软件计算结果，在50年一遇的基本风压(0.8kN/m2)和多遇地震(小震)作用下[4]，结构整体抗倾覆验算，数据如表1所示。

表1 50年一遇基本风压和多遇地震下结构整体抗倾覆验算

高层建筑在承受地震作用、风荷载、其他水平荷载或偏心竖向荷载时，筏形与箱形基础的抗倾覆稳定性应符合下式要求[1]：

KrMov≤Mr

(1)

式中：Mov——倾覆力矩(kN·m)；

Mr——抗倾覆力矩(kN·m)；

Kr——抗倾覆稳定性安全系数，取1．5。

根据计算结果，在50年一遇的基本风压下，抗倾覆稳定性安全系数Kr=Mr/Mov=6.29>1.5；在多遇地震(小震)作用下，抗倾覆稳定性安全系数Kr=Mr/Mov=29.43>1.5，且依据《高规》12.1.7条及条文说明，知该工程基础底面无零应力区，在50年一遇的基本风压和多遇地震(小震)作用下，结构的抗倾覆能力满足要求。

为达到大震不倒的性能化设计目标，在100年一遇的基本风压(0.9kN/m2)和罕遇地震(大震)作用下，用盈建科结构计算软件进行结构整体抗倾覆验算，数据如表2所示。

表2 百年一遇基本风压和罕遇地震下结构整体抗倾覆验算

根据计算结果，在100年一遇的基本风压下，抗倾覆稳定性安全系数Kr=Mr/Mov=5.57>1.5；在罕遇地震(大震)作用下[4]，抗倾覆稳定性安全系数Kr=Mr/Mov=4.20>1.5；在100年一遇的基本风压和罕遇地震(大震)作用下，结构的抗倾覆能力满足要求，能实现大震不倒的性能化设计目标。

结构抗倾覆能力满足要求。

2.3 结构抗滑移验算

高层建筑在承受地震作用、风荷载或其他水平荷载时，基础的抗滑移稳定性应符合下式要求[1]：

KSQ≤F1+F2+(EP-Ea)L

(2)

式中：F1——基底摩擦力合力(kN)；

F2——平行于剪力方向的侧壁摩擦力合力(kN)；

Ea、EP——垂直于剪力方向的地下结构外墙面单位长度上主动土压力合力、被动土压力合力(kN/m)；

L——垂直于剪力方向的基础边长(m)；

Q——作用在基础顶面的风荷载、水平地震作用或其他水平荷载(kN)；

KS——抗滑移稳定性安全系数，取1.3。

2.3.1基础顶面的风荷载、水平地震作用

8#楼X向迎风面长度大大超过Y向迎风面长度，故最不利抗滑移方向为与X向迎风面垂直的Y向。根据盈建科计算软件计算结果，作用在基础顶面的Y向风荷载Q1=20 082kN，水平地震作用Q2=4140kN。

地震设计状况下，作用在基础顶面的水平荷载Q=4140+0.2×20 082=8157kN。

风荷载设计状况下，作用在基础顶面的水平荷载Q=20082kN>8157kN。由此可知，风荷载设计状况起控制作用，取Q=20 082kN。

2.3.2基底摩擦力合力

基底摩擦力合力：F1=u(Fk+Gk)

式中：u——为基础和岩石地基的摩擦系数；

Fk——上部结构恒载传至基础顶面的竖向力(kN)；根据盈建科结构软件计算结果Fk=520 790kN。

Gk——基础自重和基础上的土重(kN)；属于对抗滑移计算的有利荷载，该工程忽略不计。

基础与地基的摩擦系数，可根据试验或经验取值，也可参照现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB 50007)中关于挡土墙设计时按墙面平滑与填土摩擦的情况取值[3]，其值如表3所示。该工程摩擦系数取0.4。

表3 土对挡土墙基底的摩擦系数

注:①对易风化的软质岩和塑性指数Ip 大于22 的黏性上，基底摩擦系数应通过试验定；②对碎石土，可根据其密实程度、填充物状况、风化程度等确定。

经计算基底摩擦力合力F1=0.4×520 790=208 316kN。

2.3.3侧壁摩擦力合力

属于对抗滑移计算的有利荷载，该工程忽略不计。

2.3.4结构外墙面主动土压力、被动土压力

两侧外墙均无覆土，主动土压力、被动土压力均为0。

2.3.5抗滑移验算结果

抗滑移稳定性安全系数：

依据以上计算结果，该工程基础的抗滑移稳定性满足要求。

2.4 地基整体稳定性

基础持力层为中风化花岗岩，强度高，工程性能好，无需验算地基整体稳定性。

2.5 安全措施

虽然该工程基础未出现零应力区，但南面和北面X向剪力墙(外墙)在风荷载工况下均出现了拉应力。剪力墙混凝土在风或地震作用下若开裂，开裂的混凝土受到反复的拉、压作用，致使剪力墙的混凝土破坏，从而造成混凝土的实际抗剪承载能力减低，影响结构安全。为保证主体结构安全，所采取的安全措施：①调整墙厚，在建筑允许的情况下适当增大拉力较大处的剪力墙的厚度。②为减少裂缝，避免剪力墙在水平力引起的拉力下产生过大裂缝。该工程验算在Nmin工况的剪力墙配筋，在拉力作用下，钢筋的应力不超过180N/mm2。③出现拉力的剪力墙下增设抗拔锚杆。

3 结论

岩石地基上高层建筑的基础埋置深度规范给予了适当放松，高层建筑由于自重大，质心高，基础设计在满足地基承载力的前提下，还需满足在承受地震作用、风荷载和其他水平荷载作用下的基础抗滑移、抗倾覆验算。且在抗倾覆验算时，若裙房的层数少、柱距大、刚度小，设计中不可计入裙房的有利作用，不可带裙房计算。