丹霞地貌山顶新建建筑抗倾覆技术研究

张海强

（山西建筑工程集团有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概况

江西贵溪某书院重建项目位于贵溪象山，文峰塔是该项目最具标志性的建筑，修建于象山山顶。象山属于丹霞地貌，是顶平、身陡、麓缓的方山，山体为整块岩石。

文峰塔作为本项目的特色建筑，本身建筑所在的环境比较特殊，与一般的高层建筑设计环境差别很大，现场无可开挖的土层，均为岩石层，且山路崎岖，运输材料困难，基础施工的难度大；山顶本身的高度较高，对塔体的抗倾覆的要求严格，导致基础的埋设深度也大幅提高。塔身设计高度46.36m，原设计基础埋深4.7m，需在山顶开挖4.5～5m[1]。

2 关键施工技术

2.1 施工工艺研究路线

工艺研究采用逐一解决应达到的各项指标，为满足各项指标细化到每个环节的方法，整体思路如下（图1）。

图1 施工工艺研究思路

（1）研究多高层建筑浅埋基础时抗倾覆采取的措施。在建筑物受到较大风荷载作用时，结构会受到很大的倾覆力矩，当风荷载产生的倾覆力矩超过建筑物本身的抗倾覆力矩时，会造成建筑物失稳倾覆。一般情况下，建筑物的倾覆力矩可以通过基础底板反力和基础的埋置深度范围内周边土体的侧向被动土压力所形成的反倾覆力矩来平衡，当基础埋置较浅或无埋深时，由单一的基础底板反力进行平衡。建筑物抗倾覆的计算方法，将建筑物按照整体刚性结构考虑，将基础底板的顶部平面设为嵌固层，基础底板的外边缘点为倾覆计算点，根据各楼层地震力的计算公式见式（1）。

质量沿高度均匀分布，地震作用时上部较大而下部较小，所产生的水平力合力V作用点在建筑物地面以上净高度的2/3处，倾覆力矩计算公式见式（2）。

式中：Mov——倾覆力矩标准值；H——房屋高度；V——总水平力标准值。

抗倾覆力矩计算中的作用力为总重力荷载代表值，则抗倾覆力矩计算公式见式（3）。

式中：Mr——抗倾覆力矩标准值；G——建筑物的总重力荷载代表值；B——基础的宽度[2]。

建筑物主体结构高宽比对建筑物的抗倾覆能力影响较大，高宽比较大的建筑抗倾覆能力明显不如高宽比较小的建筑，高宽比较大的建筑会降低结构效能，产生过大的附加弯矩和附加力。因此，为了控制建筑物的整体稳定性和抗倾覆能力，通常采用控制建筑物的高宽比的方法。计算建筑结构临界应力时，按照竖向的悬臂杆件，建筑结构的基础为底部固定端，主体为悬臂端，采用材料力学公式，竖向悬臂杆件的整体稳定临界应力计算公式见式（4）。

式中：σcr——临界应力；E——材料弹性模量；L——杆件长度；r——压杆截面回转半径。

从式（4）可以看出，悬臂杆件的整体稳定性与杆件的高度有关，与截面的回转半径有关。对于矩形平面，从截面力学公式可以看出，其回转半径r=0．29B（B为截面宽度），建筑结构的任何形状的平面可以通过回转半径等效的方法换算成矩形平面。

（2）研究多高层建筑抗倾覆设计中基础埋深的影响指标。当高层建筑受到地震作用、风荷载或其他水平荷载时，筏形基础的抗滑移稳定性应符合以下公式的要求见式（5）。式中：Ks——抗滑移稳定性安全系数；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；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；Ep、Ea分别为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、被动土压力，kN/m；L——垂直于剪力方向的基础边长，m。

基础底面摩擦力合力计算公式见式（6）。

式中：μ——基底与岩石地基的摩擦系数；F’k——上部结构恒载传至基础顶面的竖向力；G——基础自重及基础上土重之和。

结构两侧主动土压力、被动土压力计算。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Ea、被动土压力Ep计算式分别见式（7）、式（8）。

式中：ψa——主动土压力增大系数；γ——填土的重度；h——挡土结构的高度；ka——主动土压力系数；kp——被动土压力系数。

（3）研究增加建筑基底宽度、加强基础底板刚度、设置抗拔锚杆等基础加强措施的方法。根据勘探情况，在岩石基底采用钻芯法开孔，埋入钢筋锚入结构基础中，利用抗拔桩原理拉结结构，达到增加基础埋深的要求；基坑开挖时，基坑边缘岩石采用传统开凿工艺，使岩石坑壁作为筏板基础的外侧模板，并在岩石坑壁采用植筋方式植入钢筋并锚入结构基础中，使结构基础与山顶岩石形成整体，达到扩大基础面积的目的，从而达到建筑结构的抗倾覆作用[3]。

（4）研究岩石基础抗拔桩的施工工艺。抗拔锚杆施工，按一般地下车库抗浮锚杆的施工工艺进行。锚杆体为1φ28（按设计方案确定），在锚杆上焊接3根钢筋作为定位支架，按1.5～2m间距设置，底部1m物资设置倒刺，定位支架确保锚杆体的平行及具有抗拔力，保证锚杆在锚杆孔中心；注浆管采用两根直径20mm的塑料管与锚杆体连接，一根用于一次注浆可拔除，另一根管体底部2m范围间隔500mm设置溢浆孔。浆液采用纯水泥浆搅拌均匀。一次注浆采用孔底返浆法，将杆体上的一次注浆管连接注浆机，注满注浆孔，充盈系数达到1.2以上；注浆完成后采用碎石填充，保证碎石填满孔内；一次注浆体的初凝强度达到5.0MPa后（一次注浆完成2h后），进行二次高压注浆，采用孔底返浆法，将注浆管连接二次压浆管，用注浆机将水泥通过注浆管注入孔底，水泥从孔底外依次充满并将孔内空气压出，而水泥浆则由孔眼处挤出并冲破第一次注浆体。

（5）研究岩石基础开挖的施工工艺。基坑开挖采用小型炮锤，为保证岩石整体性，在岩石上开挖时，先从中间破碎，根据岩石的破坏情况，清理出一个小型凹坑，然后沿凹坑边缘逐步向外破碎至基坑开挖边线。根据试验，小型炮锤的破碎深度在500mm左右，按基坑深度分层进行，每层破碎完成后进行清理，然后进行下一层破碎机清理。开挖至距基底标高1000mm左右停止。

2.2 研究目标

根据勘探情况，在岩石基底采用钻芯法开孔，埋入钢筋锚入结构基础中，利用抗拔桩原理拉结结构，达到增加基础埋深的要求；基坑开挖时，基坑边缘岩石采用传统开凿工艺，使岩石坑壁作为筏板基础的外侧模板，并在岩石坑壁采用植筋方式植入钢筋并锚入结构基础中，使结构基础与山顶岩石形成整体，达到扩大基础面积的目的，从而达到建筑结构的抗倾覆作用[4]。

2.3 关键技术方案

（1）在岩石基底上直接浇筑混凝土，在岩石基底采用钻芯法开孔进行抗拔锚杆施工，使结构基础底部混凝土与岩石基底浇筑成一体，利用抗拔桩原理拉结结构，达到增加基础埋深的要求；

（2）基坑开挖时，基坑边缘岩石采用开凿工艺，使岩石坑壁作为筏板基础的外侧模板，并在岩石坑壁采用植筋方式植入钢筋并锚入结构基础中，使结构基础与岩石形成整体，达到扩大基础面积的目的。

（3）在整块岩石上开挖基坑，为防止破坏基岩，先人工沿基础外轮廓线向内开凿400～500mm，深度为基坑底部标高。然后中间部位采用小型炮锤从开槽处退步开挖，因开槽处为无约束部位，炮锤锤入后岩石向开槽处碎裂，从而不会破坏岩石整体。

3 施工工艺流程

施工工艺流程如图2所示。

图2 施工工艺流程

（1）基础二次设计。采用抗拔及镶嵌的方式减少基础埋深，先根据地勘报告，研究原始地貌基岩的分布情况，在基岩能够满足包裹基础的情况下，按抗拔锚杆的深度，计算增加抗拔锚杆的数量，以及包裹基础的岩石水平尺寸，从而计算可减少的基础埋深。

（2）垂直运输设备安装。丹霞地貌的特征为顶平、身陡，故垂直运输可考虑塔吊运输，根据山顶高度采用多台塔吊倒运。一般丹霞地貌山顶与山脚至少有一侧的水平距离不会太大，可在山脚安装一台塔吊，山顶建筑施工处安装一台塔吊，山腰平台设置材料中转场地，利用两台塔吊倒运材料及部分小型设备至施工场地。

（3）放线。放线时先放基础边线，山顶的杂土及碎石层清理后，岩石层一般外扩600～1000mm作为基坑开挖的外边线。

（4）基坑分层开挖。基坑开挖采用小型炮锤，为保证岩石整体性，在岩石上开挖时，先从中间破碎，根据岩石的破坏情况，清理出一个小型凹坑，然后沿凹坑边缘逐步向外破碎至基坑开挖边线。根据试验，小型炮锤的破碎深度在500mm左右，按基坑深度分层进行，每层破碎完成后进行清理，然后进行下一层破碎机清理。开挖至距基底标高1000mm左右停止。

（5）二次放线。在已开挖完成的岩石层面进行二次放线，确定基础结构的外轮廓线，角部延伸1000mm以上弹墨线并用油漆描绘。

（6）基坑修凿。先用风镐人工开凿边线，沿墨线向内开凿宽度400～500mm，深度为基坑底部标高。然后中间部位采用小型炮锤从人工开槽处开始退步开挖，因开槽处为无约束部位，炮锤锤入后岩石向开槽处碎裂，从而不会破坏岩石整体。机械开挖至距基底标高100～200mm，用风镐进行破除修整[5]。

（7）基础钻孔。在岩石上施工抗拔桩，钻孔采用灌注桩钻芯取样的施工工艺进行，使用液压钻机，采用金刚石钻具钻孔。钻孔深度及孔径按二次设计确定的数据施工。

（8）抗拔锚杆施工。抗拔锚杆施工，按一般地下车库抗浮锚杆的施工工艺进行。

（9）基坑侧壁植筋。在基坑侧壁岩石上，采用植筋的方式，植入上下两排钢筋，分别距筏板基础顶面和地面100mm，横向间距1000mm。

（10）基础钢筋绑扎。按一般基础钢筋正常施工。

（11）基础施工。最后进行基础钢筋及混凝土施工。

4 结语

山顶一般都是塔式建筑，为了重现被破坏的历史遗迹，在重建这些古塔时，需尽量避免对原地貌的破坏而丹霞地貌整体山石结构在建筑地基处理最易受到破坏。本项目的研究可以提供一种针对丹霞地貌新建古塔的地基处理方式，降低基础埋深，减少了基坑开挖，不仅降低对原始地貌的损害，而且降低施工难度，提供了施工便利。