北京某山地项目结构设计与分析综述

张祚嘉, 陈海鹏, 张秀芳, 王晨亮, 高镁娟, 赵启林

(基准方中建筑设计股份有限公司，北京 100123)

1 工程概况

某山地项目位于北京市门头沟区永定镇,总建筑面积约9.2万m2,由19栋叠拼别墅、5栋洋房、配套公建组成,分布在高差100m的山脚下;洋房和叠拼均为地上5层、主体高度15.0m,地下2～3层(3面掩埋1面开敞),采用装配整体式剪力墙结构体系;各单体通过7个层高为3.6m的1层或2层地下车库连接。项目效果图如图1所示。

图1 项目效果图

抗震设防烈度8度(0.20g),设计地震分组第二组;建筑场地类别Ⅱ类;场地土特征周期Tg=0.40s;抗震设防类别丙类[1];建设场地为抗震不利地段,依据《山地建筑结构设计标准》(JGJ/T 472—2020)[2]中4.2.2条,水平地震影响系数最大值αmax的增大系数取值1.3。基本风压0.45kN/m2,基本雪压0.40kN/m2,地面粗糙度类别B类。

叠拼、洋房基础主要采用桩筏基础(边坡处楼座)或筏板基础(台地内部楼座),筏板基础持力层位于黏性土混碎石、碎石混黏性土、全风化泥质粉砂岩等,桩基础持力层位于强风化泥质粉砂岩。

2 工程地质概况

本项目建筑位于斜坡、坡顶上,地基均匀性差,基岩起伏变化大,地质灾害有崩塌、不稳定斜坡、泥石流、潜在滑移面,场地稳定性差,为地质灾害危险性大地段[3]。土层从上至下主要为人工堆积层杂填土、黏性土混碎石、碎石混黏性土、全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩等地层[3]。

场地地形起伏较大,场地内地面坡度大于25%,岩土种类多,为不均匀地基,工程建设适宜性差。场地地面标高大部分低于设计地平面标高,场地内碎石混黏性土、黏性土混碎石、全风化泥质粉砂岩为相对隔水层,地表水下渗,汇集至基坑肥槽来不及充分排泄,极有可能形成“盆池”积水而对地下建筑抗浮、抗渗产生不利影响。

对于现状评价为稳定性差的边坡以及挖填方形成的边坡,均应设置安全可靠的支挡结构[4],以满足场地稳定性要求。

3 装配式建筑结构体系

装配整体式混凝土剪力墙结构具有技术成熟,无露梁、露柱,满足楼板舒适度要求,耐久性好,防火性能好等优点;根据北京市政策要求,结合本工程叠拼户型的层层收进,构件标准化程度底,山地项目构件运输、吊装困难等特点,经多方调研及装配式专家评审建议,采用装配整体式混凝土剪力墙结构。通过拆分试算,水平构件单块质量控制在不大于3t、竖向构件单块质量控制在不大于6t的范围内,能够满足厂家制作、运输、现场堆放、施工要求,同时满足业主使用要求[5]。

根据《北京市人民政府办公厅关于加快发展装配式建筑的实施意见》(京政办﹝2020﹞21号)[6]规定,结构布置拆分结果为竖向构件预制率35%,水平构件预制率78%,非砌筑非现浇围护墙体占比65%,非砌筑非现浇内隔墙占比70%[7],绿色建筑评价等级为二星级。

主要户型典型截面尺寸及材料强度如表1所示,主要户型标准层结构布置图如图2所示,主要户型三维模型如图3所示。

表1 主要户型典型截面尺寸及材料强度

图2 主要户型标准层结构布置图

图3 主要户型三维模型

4 山地建筑场地地质灾害评估及验算

针对山地建筑特点,项目开工前需考虑“三个工况”下边坡与建筑的相互作用及影响。工况一:工程建设前边坡稳定性评估及地质灾害评估。工况二:工程建设期间(施工时)边坡稳定性评估。工况三:工程建设后边坡稳定性评估及地质灾害评估。

依据地质单位提供的地质灾害危险性评估报告[8]及勘察单位提供的岩土工程勘察报告[3],本工程所在区域地质灾害有崩塌、不稳定斜坡、泥石流,潜在滑移面等。

依据《建设用地地质灾害危险性评估报告》,场地崩塌隐患点共计12处,不稳定斜坡10处,潜在泥石流2条。综合评定地质灾害危险性分级为“小-大级”。

针对崩塌不良地质作用,施工前对危岩、浮石、孤石进行清理,并对边坡裂隙发育、破碎危岩体等采用柔性防护系统进行防治。对不稳定斜坡不良地质作用,采取截排水、永久支挡、减载、反压等工程措施进行综合治理[9-10]。对泥石流不良地质作用,采取疏通、加宽等措施进行综合治理,确保流路通畅[11]。

依据岩土工程勘察报告,场地潜在滑移面主要为一般第四系混合土层的圆弧滑动面以及三叠系的全风化层或局部贯通破碎带的平面滑动面。

对边坡潜在滑移面进行整体稳定计算分析。通过采用规范方法(理正岩土)、有限元强度折减法(MIDAs GTS)两种方法,分别对工程建设前及工程建设后的边坡潜在滑移面,考虑一般工况(正常使用工况)和地震工况(罕遇地震工况)进行分析[12]。

分析结果表明,工程建设前及工程建设后,边坡潜在滑移面整体稳定性分析均满足要求,两种工况下潜在滑移面稳定计算结果见图4[13]。

图4 潜在滑移面稳定计算结果

5 竖向设计选型

为达到经济效果最优,就现有地形提出2种建筑场地竖向设计方案:支护+桩基方案与掉层吊脚方案,以77地块为例具体分析如下。

结合台地高差,于上、下台地间设置永久支护,为避免支护桩桩锚体系后期应力松弛及水平变形无法准确预估,在高边坡楼座增设桩基作为第2道防线,支护+桩基方案建筑分组及挡墙布置示意如图5所示。

图5 支护+桩基方案建筑分组及挡墙布置示意

结合现场地形高差,坡度陡降位置设置土坡放脚,主体采用掉层吊脚结构解决竖向高差,从而达到节省造价目的,掉层吊脚方案建筑分组及挡墙布置示意[14-15]如图6所示。

图6 掉层吊脚方案建筑分组及挡墙布置示意

两种方案优缺点如表2所示。可见,两种方案各有优缺点。从造价角度考虑,不考虑施工工期影响,支护+桩基方案较为节省;而掉层吊脚方案造价略偏高,主要是由于掉层吊脚方案需要考虑部分挖方量外运费用、主体结构按掉层吊脚设计相较于常规方案设计造价增加等因素导致的。从结构安全储备考虑,该项目位于8度区且台地高差很大,设置永久支护桩+高边坡楼座桩基起到二道防线的作用[14]。综上所述,本项目采用支护+桩基方案。

表2 两种方案优缺点

6 山地建筑基础设计

针对本工程设计过程中各种疑难问题,组织北京和重庆地勘及山地的专家通过评审方式予以解决,在保证建筑整体安全的基础上达到造价最优。

6.1 基础形式

因本项目场地条件复杂,基础持力层主要为碎石混黏土,岩石层埋深较深,且边坡高差比较大,在设计过程中主要考虑以下几种情况。

(1)考虑场地地形地貌复杂、不良地质作用强烈发育、土层很不均匀,同时考虑桩锚支护锚索应力松弛等引起的变形不能准确预估,邻近边坡楼座建设风险性较大。故临近高边坡顶部附近的楼座采用桩筏基础,边坡中部和内部楼座、地下车库、景观挡墙(除特殊不利地质条件外)采用天然地基[16]。典型楼座基础布置示意图如图7所示。

图7 典型楼座基础布置示意图

图8 桩基础复核计算示意图

(2)楼座基底土层部分位于风化泥质粉砂岩,部分位于碎石混黏性土,因其基底下地基土压缩模量差异过大,最终确定基础方案:基底位于全风化泥质粉砂岩楼座采取筏板基础,基底位于碎石混黏性土楼座采用桩基础。经验算,楼座沉降量12mm,整体倾斜0.28%<0.4%,均满足地基基础规范[17]相关要求。

计算时需注意,建筑基底位于地面以上时,新回填土因没有固结需作为荷载考虑,对原土层产生附加荷载及沉降;当同一建筑的基础部分为筏板基础、部分为桩基础时,对其进行沉降分析时,可以通过控制基床系数实现模拟。

(3)部分楼座基础处于高填方区,填方高度约10～17m,为考虑高填方带来的沉降风险,采取高填方楼座增加结构架空层方式减少填方高度,控制填方高度不大于8m,且该楼座基础采用桩基础,同时采取土工格栅的方式进行回填,保证施工时压实系数及压缩模量。经验算楼座沉降量8mm,整体倾斜0.20%<0.4%,均满足地基基础规范[17]相关要求。

6.2 基础侧限

依《山地建筑结构设计标准》(JGJ/T 472—2020)3.1.4条,作为结构嵌固的边坡应达到罕遇地震作用下不破坏的性能要求。设计中边坡采用放坡形式,达到减少支护高度的作用。经验算结构主体与支护之间土体无法满足“双破裂面”要求,故无法满足罕遇地震作用下基础的侧限要求。设计中,从支护桩顶-500mm位置至基底(见图18中阴影区域)作为地上结构(增加1层地下室),按大震不屈服目标复核桩基础满足承载力要求配筋(实现大震不倒的抗震性能目标)[18]。

6.3 基础稳定性验算

依《山地建筑结构设计标准》(JGJ/T 472—2020)5.1.7条、6.1.5条,需验算高边坡处楼座在大震作用下的基础稳定性。

大震稳定性验算时,经计算,筏板基础不能满足要求,需采用桩基础。根据评审专家意见不考虑桩土共同作用,水平地震影响系数最大值增大系数可取1.0,桩顶按刚接考虑(桩顶增设桩墩或整体增厚筏板),承载力按极限值考虑。SAUSAGE软件的大震弹塑性分析计算结果显示,靠上部结构自重产生的基底摩擦力不能满足稳定性要求,需采用桩基础才能满足抗倾覆、抗滑移要求,稳定性验算桩布置图如图7所示。

为确定紧邻边坡楼座桩的个数,分别对小震、罕遇地震作用下两种基础形式在竖向荷载作用(竖向荷载可产生抗倾覆力矩及摩擦力)下基础稳定性所需桩数进行了计算。以叠拼1个单元为例,地下室挡墙高度4.0m,不设置结构空腔,筏板厚度500mm,桩径700mm、桩间距3～4m,分别按小震、罕遇地震进行计算。边坡处楼座基础稳定性验算结果如表3所示。经计算,边坡处楼座桩基础每个单元需28根桩。

表3 边坡楼座桩基础稳定性验算结果

6.4 主动防排水措施

依据岩土工程勘察报告[3],本项目抗浮设计可采取两种方式,分别为按地面抗浮、采取主动疏排水措施后按基础顶抗浮。如按地面抗浮,设防水位需按主体四周较低地面进行验算,则三层地下室的主楼及地下车库压重无法满足抗浮需求,需采取抗拔桩、抗浮锚杆等措施予以抗浮。为有效节省工程造价,结合场地现有条件,采取主动防排水措施予以疏排地表及地下水,具体措施如下:场地外部设置排洪沟、红线边设置截洪沟及雨水明渠;红线内增设排水系统;肥槽回填需采用不透水材料;在基础周围设置排水盲沟,并确保水体有序排出场外;挡墙设置泄水孔;建筑周边地面尽量较大范围进行硬化处理。采取以上措施后,抗浮设防水位可按基础顶标高设计。

7 边坡支护设计

7.1 高边坡主楼处支护桩设计承载力取值

依《山地建筑结构设计标准》(JGJ/T 472—2020)3.1.4条,为保证基础嵌固条件的有效性,作为结构嵌固端的边坡应达到罕遇地震作用下不破坏的性能要求。此条文仅给出计算原则,对此通过专家评审并结合北京本地经验,计算选取荷载如下:支护土压力取静止土压力或朗肯土压力(动土压力);新老土层结合面滑体下滑力;建筑物重量按实际超载取值(桩基取50%的基底荷载);考虑重要性系数1.1;考虑地震作用与暴雨同时组合工况。在计入以上荷载后,同时考虑高边坡主楼采用桩基础对主体有较高的安全储备,无需按罕遇地震验算边坡承载力,即可确保边坡整体安全。

7.2 超高边坡主楼支护桩反压区探讨

设计过程中,针对16.9m高的超高边坡,原方案拟采取靠近边坡肥槽处回填反压土来减少支护计算高度;超高边坡主楼支护桩反压区示意如图9所示。但是,如采用反压区方式来减少支护高度,会存在如下问题:如肥槽回填较为密实,则支护桩较大的水平力会通过土体传递给较低台地地下车库,对地下车库承载力及稳定性(滑移)有较大影响;如肥槽回填较为松散,则反压区土体起不到减少支护高度的作用,且支护会产生较大变形,从而对较高台地高边坡主楼安全产生影响。回填反压不利于场地疏排水设计,反而有利于水体汇聚。考虑以上因素,应在方案阶段避免采用此方案。

图9 超高边坡主楼支护桩反压区示意

7.3 超高边坡地下车库支护桩变形问题探讨

高台地地下车库与低台地商业配套高差17.5m,采用桩锚体系+桩顶挡墙作为永久支护,支护、配套及地库关系图如图10所示。考虑高支护在土压力作用下,锚索长期应力松弛现象会导致高台地支护桩顶产生竖向及水平位移,采取加强桩锚体系构造措施及高台地地下车库补充计算两方面予以加强。

图10 支护、配套及地库关系图

加强桩锚体系构造措施如下:因锚索均会有应力松弛,不易判断水平及竖向最终变形;故采取支护桩底锚入岩石中,按抗滑桩设计,同时锚索也需锚入岩石中,此时按经验桩锚体系整体变形可控。

高台地地下车库补充计算:圆弧滑动范围内地下车库,需考虑锚索水平及竖向变形对其产生的不利影响。经分析,竖向变形主要是由于锚索的竖向分力产生的,在采取支护桩底锚入岩石中,按抗滑桩设计时,其竖向变形很小。为抵抗支护桩水平变形产生的影响,地下车库紧邻高边坡3跨范围内(由圆弧滑动范围确定其范围)YJK计算配筋时考虑竖向变形的影响。实现方式为YJK软件计算时,车库柱采用增加竖向位移(紧邻高边坡第1排框架柱30mm、第3排框架柱0mm,中间线性插值)的方式复核结果,并通过整体加厚竖向变形影响范围内的筏板厚度、适当增大通长筋的方式予以增强。支护水平变形主要由土压力及锚索应力松弛造成的,由于主楼(其基础为桩筏基础)及地下车库的存在,支护水平变形不会引起地下车库整体滑移;此时需验算基础底板混凝土抗拉强度及钢筋抗拉强度是否大于基底摩擦力。经验算,基础底板混凝土抗拉强度小于基底摩擦力,整体不会开裂。

8 结论

(1)因山地建筑各个楼座的基底形式差异较大,需根据不同的情况合理确定基础形式,以满足沉降差、倾斜等要求。

(2)结构基础应满足嵌固要求,本工程不满足嵌固要求的位置,通过将其作为上部结构并对其采取加强措施来保证建筑安全及稳定。

(3)本工程所在区域地质灾害有崩塌、不稳定斜坡、泥石流,持力层下卧土层有潜在滑移面。针对地质灾害本着先治理、后建房的原则,针对不同类型地质灾害进行专项治理,同时对潜在滑移面整体稳定性进行分析。

(4)本工程为达到经济效果最优,就现有地形支护+桩基方案及掉层吊脚方案,从造价、安全性等方面进行综合论述,最终选定支护+桩基方案。

(5)高边坡位置楼座应满足罕遇地震下的稳定性要求,通过考虑各种系数使其满足罕遇地震下弹塑性地震力要求,达到既满足计算要求又节省成本的目的。

(6)对边坡支护桩荷载选取、荷载反压及变形对结构的影响进行了探讨,给出了处理措施。

(7)本项目采取主动防排水措施,设置排洪沟、明渠及盲沟等措施以保证基底抗浮。