某山坡脚建筑地基基础及基坑支护设计

李俊刚，张 娇，王 晨，邓尤贵，闫虹瑞

(1.北京首钢国际工程技术有限公司,北京 100043;2.北京市冶金三维仿真设计工程技术研究中心,北京 100043;3.北京爱地地质勘察基础工程公司,北京 100043)

0 引言

随着城市化进程的不断推进,城市用地紧张的问题日益凸出,山地建筑成为城市建筑发展的一个方向。地基基础设计和基坑支护设计是山地建筑结构设计的难点之一,本文就某山坡脚建筑地基基础和基坑支护设计进行分析,旨在对其他类似项目提供参考。

1 工程概况

北京冬奥会技术运行中心及附属通信枢纽工程位于北京市石景山区石景山东北麓,场地属于永定河冲洪积扇顶部和山前坡洪积交界地带,地形起伏较大。主要建筑功能为A级数据中心,±0.000相当于绝对标高91.200 m(北京市地方系统),分为南区和北区两部分。其中,南区平面尺寸为67.8 m×36.5 m,单层,采用钢筋混凝土框架结构,紧邻山坡脚,室内外高差为0.6 m,室外地坪相对标高为4.40 m;北区平面尺寸为67.8 m×42.3 m,地下2层,地上2层,采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构,室内外高差为0.9 m,室外坪相对标高为-0.90 m,南区和北区室外地坪高差5.3 m;根据业主要求,南区需提前投入使用,南北区同时开工,南区结构封顶时北区尚在开挖基坑;二者通过结构缝分成两个独立的结构单元。该建筑效果图如图1所示,东立面图如图2所示,2层平面图及纵向剖面图如图3,图4所示。

2 工程地质条件及设计特点分析

2.1 工程地质条件

表1 各土层岩土工程参数

南区东西向典型工程地质剖面、北区东西向典型工程地质剖面、南北区整体南北向工程地质剖面图分别如图5—图7所示。

根据地勘报告,本工程场地具有以下特点:南区土性差异较大,表层人工堆积层厚度1.7 m～4.6 m,第四纪坡洪积层2.6 m～12.8 m,部分区域存在碎石夹层,基岩层顶距离地表深度为5.4 m～15.8 m,即基岩层以上可压缩层厚度差异较大,根据《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》(2016年版)[2],南区判定为不均匀地基;北区基岩埋深较深,大部分基岩以上存在较厚的第四纪坡洪积层,仅在靠近南区一侧局部勘探至基岩层,基础位于第四纪坡洪积层。

2.2 地基基础和基坑支护设计的特点

经分析,本工程的重点和难点在于地基基础和基坑支护设计,主要具有以下特点:

1)南区为不均匀地基,相邻柱基的差异沉降控制是南区结构设计的重点和难点。

2)南北区紧邻,基底标高相差12 m～14.7 m,二者基础边缘距离仅为1.45 m,考虑设置护坡桩后,施工空间狭小;根据业主要求,工期紧张,南区需提前投入使用,经倒排工期,南北区需同时开工,因北区工程量大,南区结构封顶时北区尚在开挖基坑;故南北区分界部位基坑支护和北区地下室施工难度较大。

3)北区基坑较深,达9.00 m～16.30 m,基坑支护工程量大,成本较高,考虑到各处深度和边界条件差异较大,需结合场地条件,针对不同部位制定不同的基坑支护方案。

3 地基基础设计

3.1 南区地基基础设计

根据南区上部结构荷载和工程特点,提出三种基础方案,予以分析。

1)方案一:天然地基+柱下条形基础。以②砂质粉土、黏质粉土、②1粉质黏土和③碎石夹层为持力层,基底标高为0.6 m(相对南区室外地坪为3.8 m),该方案初步计算的沉降如图8所示,东南侧相邻柱基沉降差为0.003 7l>[0.002l](l为相邻柱距),不满足相邻柱基差异沉降的要求[3],且工程量大,故弃用方案一。

2)方案二:墩(桩)基础。墩(桩)基础可解决基础差异沉降的问题,但由于基岩较硬,局部区域存在③碎石层,机械成孔困难,且考虑基岩埋深变化较大,桩长不一,施工难度较大,成本较高,工期较长,故弃用方案二。

3)方案三:地基处理+独立基础。根据工程特点,地基处理采用分层碾压+注浆钢管桩复合地基处理方案。对于南北区分界部位,由于天然地坪较低,清理地表杂填土后采用2∶8灰土分层回填分层碾压,处理范围超出南区基础边线6 m(考虑后期注浆钢管桩复合地基和基坑支护施工空间),碾压区域平面图如图9所示,之后,进行注浆钢管桩复合地基处理,处理后的地基承载力特征值提高至250 kPa,注浆钢管桩采用气动潜孔锤技术钻进成孔,桩端进入全风化砂岩层不少于2 m,成孔后注入水泥浆,插入钢管。

基础采用柱下独立基础+拉梁,基底相对标高为2.0 m(相对南区室外地坪埋深为2.4 m)。图10为方案三南区基础沉降图,整体南侧沉降小北侧沉降大,相邻柱基差异沉降为0.001 8l<[0.002l],满足要求。

综合考虑,南区地基基础采用方案三。

3.2 北区地基基础设计

北区采用天然地基,持力层为②砂质粉土、黏质粉土和②1粉质黏土,基础采用梁板式筏基,地基承载力和沉降均满足要求。因南北区分界部位基础相距较近,仅1.45 m,且设有护坡桩,施工空间狭小,无法设置肥槽,故基坑采用无肥槽施工,地下室外墙防水采用外贴内防方式。待护坡桩桩间挂网喷平后,砌筑防水保护墙,并将保护墙与护坡桩进行拉结,护坡与保护墙的间隙随砌筑随灌砂填充,而后,施工找平层、防水层及其保护层,典型节点如图11所示。

4 北区基坑支护设计

北区基坑较深,达9.00 m～16.30 m,根据JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程[4],南北区分界部位支护等级为一级,其他部位为二级;基坑支护工程量大,为降低造价,结合场地条件,不同部位采用不同的支护方案,其中,南北区分界部位采用桩锚+拉桩+钢筋混凝土挡墙支护,西侧采用桩锚支护,东侧及北侧采用复合土钉墙支护体系;图12为基坑深度和支护平面图。目前本工程已竣工验收,全程进行变形监测,基坑变形均满足要求。

4.1 南北区分界部位基坑支护设计

锚杆腰梁采用暗梁,为结构施工创造了尽可能多的工作面,其与护坡桩的连接节点如图14所示。

4.2 西侧基坑支护设计

从天然地坪算起,西侧基坑深度为9.0 m～10.7 m,鉴于西侧设有大型蓄冷罐,距离主体结构仅2 m,空间有限,故西侧采用桩锚支护体系。护坡桩直径为800 mm,间距1.6 m,顶部设有900 mm×500 mm冠梁,基坑深度范围内设置2道25b工字钢+预应力锚杆,第一道锚杆两桩一锚,第二道锚杆一桩一锚;桩间挂钢筋网片。基坑深度10.70 m部位剖面图如图15所示。

4.3 东侧及北侧基坑支护设计

从天然地坪算起,东侧及北侧基坑深度为10.7 m～13.25 m,考虑到施工空间较大,为降低造价,采用复合土钉墙支护体系,按1∶0.5放坡。基坑深度10.7 m处,在地面下设置5排土钉,呈矩形布设,横向间距1.5 m、纵向间距1.0 m～3.0 m布置;在-3.0 m,7.5 m设置2道预应力锚杆,横向间距1.5 m;土钉孔径d=120 mm,长6.0 m～7.0 m,下倾角5°～10°;锚杆孔径150 mm,长15 m,下倾角15°～22°,锚杆锁在1根20号槽钢上;面墙挂钢筋网片。基坑深度10.7 m处的剖面图如图16所示。

5 结语

1)针对山坡脚建筑,土层差异较大,采用地基处理是经济合理的选择。

2)对于山坡脚建筑,当设有地下室时,不同部位基坑深度、边界条件、施工空间差异较大,可针对不同部位采用不同的支护方式。

3)针对基坑施工空间狭小,可采用无肥槽施工,防水采用外防内贴方式,可有效解决施工空间不足、肥槽回填质量差等问题。