1、第 43 卷 增 刊2013 年 10 月建 筑 结 构Building StructureVol43OctS22013作者 简介 : 陆道渊 ， 教授级高工 ， 副总工程师 ， 一级注册结构工程师 ，Email: daoyuan_lu ecadi com。世茂深坑酒店基础设计陆 道 渊 ， 哈敏强 ， 陆益鸣 ， 黄 良 ， 季 俊 ， 任 涛( 华东建筑设计研究院有限公司 ， 上 海 200002) 摘 要 世茂深坑酒店位于松江采石深坑内 ， 依 崖壁建造 ， 本文讨论了该结构的基础设计 。对预应力锚索加固后的深坑岩质边坡的稳定性进行了静力荷载和大震下的非线性有限元分析 。结构顶部的钢桁架
2、一端连接主体结构 ， 一端在坑口通过预埋件铰接于基础梁 ， 预埋件采用了结合工程受力特点和施工需要而研究开发的多道格构式构件 ; 结构底部结合场地基岩面标高分别采用了箱形基础和筏板基础 。结构水平地震作用分别由坑顶崖壁边的坑口基础梁和坑底箱型基础承担 。坑口基础梁设置了预应力锚索 ， 来保证支座承担地震水平力并传递到远离坑口的边坡岩体 。坑外裙房基础采用了嵌岩桩和筏板 ， 离坑口较近的裙房基础采用了释放水压水箱 。基础设计中综合运用了桩基 、筏板基础 、预应力锚索 、箱形基础等多种形式 。 关键词 基础设计 ; 预应力锚索 ; 有限元分析 ; 格构式钢埋件 ; 边坡稳定性 ; 箱形基础中图分类
3、号 : TU473 文献标识码 : A 文章编号 : 1002-848X( 2013) S2-0592-06Foundation design of Shimao Chasm HotelLu Daoyuan， Ha Minqiang， Lu Yiming， Huang Liang， Ji Jun， en Tao( East China Architectural Design esearch Institute Co， Ltd， Shanghai 200002， China)Abstract: Shimao Chasm Hotel is located in geologic chasm， c
4、onstructed along the cliff， foundation design of the structurewas introduced The rock slope is reinforced by prestressed anchor cable， and nonlinear finite element analysis of rockslope stability under the action of static load and rare earthquake was carried out The top and the bottom of the struct
5、ureare supported by the chasm The upper steel truss is connected with the main structure on one end， and is articulated onthe lattice steel bearing which is embedded in the pithead foundation beam on the other end The application of latticesteel bearing combined the characteristics of engineering me
6、chanics and the requirement of construction Box foundationand raft foundation are applied on the bottom The horizontal seismic load of the structure is taken on by the pitheadfoundation beam and the box foundation Prestressed anchor cable is used in the pithead foundation beam， to ensure thehorizont
7、al seismic load can be transferred to the slope rock ock-socketed piles and the water tank of pressure reductionare used in the annex foundation aft foundation， piles， prestressed anchor cable and box foundation were applied in thedesign of foundationKeywords: foundation design; prestressed anchor c
8、able; finite element analysis; lattice embedded part; slope stability;box foundation1 工程 简介 1， 2世茂 深坑酒店主体工程位于松江天马山采石坑坑底 ， 整栋建筑附建在深坑边坡上 ， 依崖壁建造 ， 总建筑面积 55 万 m2。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 ; 地下至水面建筑共 14 层 ; 水下部分建筑 2 层 。建筑效果图见图 1， 图 2 是采石坑的现状 。结构为特殊的两点支承体系 ， 坑内主体建筑座落在坑底弱风化基岩上 ， 同时在坑顶通过地下
9、1 层楼板( 跨越钢桁架下弦 ) 支承在坑口基础梁上 ， 提供竖向和水平约束 ， 坑顶采用跨越钢桁架支托上部 2 层裙房的部分结构 。结构水平地震荷载分别由坑顶崖壁边的坑口基础梁和坑底箱形基础承担 3。特殊 的结构形式也使得其基础设计特殊而复杂 ， 设计中综合运用了图 1 建 筑 效果图桩 基 、筏 板基础 、箱形基础 、预应力锚索等多种方式 ，坑口基础梁支座埋件则设计了格构式钢埋件来抵抗恒活载和地震作用下的水平力 。第 43 卷 增 刊 陆道渊 ， 等 世茂深坑酒店基础设计 593图 2 采 石 坑现状2 工程 地质情况根 据 岩土勘察报告 ， 采石坑外部场地地基土除基岩外均属第四纪松散沉积
10、物 ， 可划分为 8 层及分属不同层次的亚层 ， 分别为填土层 ( 1) 、浜 填 土层 ( 2) 、灰 黄 兰 灰色黏土层 ( ) 、灰色黏土层 ( ) 、暗绿 草黄色黏土层 ( ) 、灰色黏土层 ( ) 、强风化基岩 、中风化基岩 、弱风化基岩 ( 图 3) 。采石坑由采石厂下挖开采石料形成 ， 坑外部场地邻近深坑处部分黏土层缺失 ， 基岩面标高为天然地面下 5m 左右 。随着水平位置逐渐远离深坑 ， 基岩面标高逐渐降低 。采石坑内部地基土可划分为碎石层和弱风化基岩 。( a) 邻近 深坑处 ( b) 远离深坑处图 3 采石坑外部土层情况3 岩质 边坡稳定性研究 4， 5本 项 目边坡高度
11、达 70m， 超出现行规范的规定 。坑内主体建筑通过分块箱形和实体混凝土基础座落在坑底弱风化基岩上 ; 在坑口处设置岩石基础支承跨越钢桁架作为建筑物顶部的支座 ， 深坑边坡顶部将承受竖向及水平荷载 。在建筑物使用期内 ， 深坑岩体边坡在静力荷载以及地震作用下的整体稳定 、位移等是否满足目前主体建筑的支座和结构形式的需求将成为目前结构体系是否合适的关键 。因此 ， 需要对边坡稳定性分析评价报告进行审查 ， 并提出完善补充意见 。上海申元岩土工程有限公司完成了 世茂深坑酒店工程深坑边坡长期稳定性评价 和深坑酒店边坡长期稳定性研究和支护分析设计 ， 并由上海市城乡建交委组织专家进行了咨询 。分析中考
12、虑到上海世茂天马深坑酒店工程深坑边坡区所处的特殊环境 ， 三维计算中将整个边坡及周围岩土体 ， 作为一个整体进行总体分析 ， 对边坡进行了静力 、动力计算研究 ( 图 4) 。( a) 网格模型的三维整体图 ( b) 坑 周 单元图 4 边坡稳定分析的计算模型分 析 结果表明 ， 在无锚固支护的自然状态下 ， 深坑底部坡脚应力集中明显 ， 坡顶在地震载荷作用下水平相对位移较大 ， 大震作用下边坡坡顶点及坡脚点间最大水平相对位移达 125mm。边坡发生强度软弱带或应力集中区 ， 该部位岩体单元将产生不同程度的不可恢复的塑性变形 。此时边坡的安全系数仅为 10。对上述部位的岩体采取系统设计的锚杆
13、、锚索支护 ， 在应力集中部位布置预应力锚索等措施保证围岩的稳定 ( 图 5) 。在锚固支护措施后 ， 静力超载下的深坑水平相对位移为 2 0mm， 边坡稳定性安全系数为22; 小震作用下深坑的水平相对位移为 20mm， 边坡稳定性安全系数为 1 6; 大震作用下深坑的水平相对位移为 80mm， 边坡稳定性安全系数为 1 4。锚固措施有效地控制了深坑的水平位移 ， 并使深坑失稳的塑性区相对于天然状态下明显后移 ( 图 6) 。边坡稳定性满足要求 。4 坑口基础梁设计研究在 坑 顶部坑口位置采用基础梁 + 岩石预应力锚索作为建筑物顶部跨越钢桁架的基础 ， 坑口基础梁将承受静力作用下的竖向及水平荷
14、载作用 ， 并承受较大的水平地震荷载 ， 因此确保坑口基础梁的安全至关重要 ( 图 7) 。设置梁板把基础梁和外围地下室底板连成整体 。基础梁持力层为中风化基岩 ， 岩石承载力特征值为 1700kPa。基础梁上设置一圈混凝土挡土墙 ，起到围护挡土作用并加强支座所在部位的刚度 ， 满足作为地上 2 层钢框架结构嵌固支座的要求 。基础梁底部预埋钢支座和埋件 ， 和预应力锚索一起保证支座水平力的传递和基础梁的稳定性 ( 图 8) 。594 建 筑 结 构 2013 年图 5 深坑边坡支护的锚杆及锚索( a) 三 维 整体模型( b) 坑周 单元图 6 在锚固支护措施后大震作用下总位移云图图 7 坑口
15、基础梁平面布置图支 座 处产生的向坑外的水平力主要通过底板等构件传递到外围土层 ( 有约 7m 高的被动土压力平衡 ) ; 支座处产生的向坑内的水平拉力主要由预应力锚索承担 。本工程结构在坑顶部位受到很强的约束 ，坑顶支座安全性对整个结构在地震作用下的性能产生很大的影响 ， 因此需要对坑顶支座特别加强安全储备 ， 设计中对支座按 “大震不屈服设计 ”。图 8 坑口基础梁详图基 础 梁顶面同钢桁架连接的钢支座和钢埋件受水平荷载极大 ， 最大位置荷载有 12500kN， 设计选用了球形钢支座 。而对于钢埋件 ， 不仅需要能承受极大的水平荷载 ， 而且需要便于混凝土浇筑施工 ， 为此研究了特殊的多道
16、格构式型钢埋件 ( 图 9) 。图 9 格 构 式钢埋件采 用 ABAQUS 对钢埋件和混凝土基础梁进行大震不屈服性能目标下的有限元分析 ， 结果表明钢材基本在弹性工作范围 ， 未进入塑性 ( 图 10) 。坑口梁混凝土部分的主压应力小于其抗压强度 ( 图 11) ， 基础梁内的钢筋也未屈服 ( 图 12) 。5 坑底 基础设计本工程坑内水下部分 2 层 ， 水 下 1 层 为水下客房和水下特色餐饮 ， 水下 2 层为机房层 。钢管混凝土柱第 43 卷 增 刊 陆道渊 ， 等 世茂深坑酒店基础设计 595( a) 整体局部 放大图 10 预埋件等效应力 /MPa图 11 混凝土第三主应力 /M
17、Pa图 12 钢 筋 等效应力 /MPa在水下部分延伸下去 ， 并 锚 入底板 。水下部分迎水面混凝土外墙厚度为 600mm， 混凝土强度等级为 C35。水下部分楼面采用现浇钢筋混凝土梁板 。水下结构外墙抗渗等级为 P8 P10， 添加混凝土抗裂剂或微膨胀剂 。由于坑内水下部分平面超长 ， 为了减小施工期间的温度应力和混凝土收缩应力 ， 在平面中央竖向交通等部位设置施工后浇带 。坑底结构依崖壁建造 ， 基础持力层为弱风化基岩 ， 基岩面标高起伏变化很大 ， 为了适应复杂变化的基岩要求 ， 坑底主体结构采用分块箱形基础结合筏板基础 。根据基岩面标高由高至低的渐变 ， 按平面分成多块分别采用筏板基
18、础 、一层高箱形基础和二层高箱形基础 。各基础的分界位置结合建筑柱网关系确定 ，相应部分区域基岩需要爆破炸平 ， 部分区域需要混凝土垫平 。坑底局部爆破后会产生较多碎石 ， 对于本工程而言 ， 清理和向外运输坑底的碎石需要花费较多的费用 ， 并对环境有一定影响 。为了兼顾环保因素和经济性考虑 ， 需要垫平区域的混凝土浇筑中利用了坑底爆破的碎石 。基础底部需要混凝土垫平的区域采用碎石和混凝土共同浇筑而成 。这样 ， 即可以节约材料和成本 ， 又有利于环境保护 。基础设计结合场地基岩的变化 ， 将一个原本很复杂的基础结构变为若干个分块箱形基础结构的组合 ，主次分明 ， 分析清晰可靠 ( 图 13、
19、图 14) 。图 13 坑底基础底面标高平面图6 坑顶裙房基础设计坑 顶 裙房地下室基础在中风化基岩埋置较深区域采用嵌岩钻孔灌注桩 + 独立承台 + 梁板 ， 筏板厚度600mm; 坑顶中风化基岩埋置较浅区域采用岩石扩展浅基础 + 梁板 ， 岩石扩展浅基础高度 1400mm( 图15) 。嵌岩钻孔灌注桩桩径 800mm， 桩端持力层为中风化基岩 ( 安山熔岩 ) ， 分为抗压桩和抗拔桩两种 。其中 ， 抗压嵌岩钻孔灌注桩嵌岩深度不小于 1000mm， 单596 建 筑 结 构 2013 年( a) 类型 一( b) 类 型 二图 14 坑底基础剖面图桩 竖 向抗压承载力设计值为 4300kN;
20、 抗拔嵌岩钻孔灌注桩嵌岩深度不小于 1600mm( 桩顶至中风化基岩面桩身长度大于 15m 时 ) 及不小于 2400mm( 桩顶至中风化基岩面桩身长度不大于 15m 时 ) ， 单桩竖向抗拔承载力设计值为 1500kN。由于岩面起伏很大 ， 桩长变化较大 ， 桩长依据桩身嵌岩深度要求现场施工确定 。基础混凝土强度等级为 C40， 抗渗等级为 P8， 添加混凝土抗裂剂或微膨胀剂 。地下室设置施工后浇带 。坑顶近坑口处岩壁在经过锚杆及锚索边坡支护后完整性较好 ， 水流入渗很微弱 ， 因此坑顶地下室仍需考虑抗浮 。在远离坑口位置 ， 可用嵌岩抗压桩兼抗拔桩的形式 ， 但在近坑口位置 ， 桩基机械施
21、工较为危险 ， 而采用堆载的方法对坑口边坡的稳定有不利影响 ， 因此采用专门设计的多个释放水压水箱来解决 。释放水压水箱即在地下室底板设置泄水孔 ， 泄水孔四周浇筑混凝土侧壁形成水箱 ， 水箱位置的基础底板底面 4m 4m 范围需采用 200mm 厚度滤水砂石垫层代替混凝土垫层以避免地下水被垫层隔离 ， 以保证地下水能透过滤水砂石层进入水箱内 ( 图 16) 。水箱侧壁预留防水套管并用 1%坡度不锈钢管将水引入坑内排出 ， 从而降低底板下的水压力 。7 结论( 1) 结构顶部和底 部同时支承于采石深坑内的 特点使得基础设计特殊而复杂 。设计中综合运用了桩图 15 坑顶裙房基础设计第 43 卷
22、增 刊 陆道渊 ， 等 世茂深坑酒店基础设计 597图 16 释放水压水箱构造基 、筏 板 基础 、箱形基础 、预应力锚索等多种形式 。( 2) 边坡稳定性评价表明 ， 在对岩体采取锚杆 、锚索支护后 ， 大震作用下深坑边坡稳定性满足要求 。( 3) 坑底结合场地基岩面标高分别采用了箱形基础和筏板基础 。( 4) 坑口基础梁支座埋件设计了格构式钢埋件来抵抗恒载 、活载和地震作用下的巨大水平力 。坑口基础梁设置了预应力锚索 ， 来保证支座承担地震水平力并传递到远离坑口的边坡岩体 。( 5) 坑顶裙房基础采用了嵌岩桩和筏板 ， 离坑口较近的裙房基础采用了释放水压水箱 。致谢 : 感谢国家工程勘察设计大师汪大绥总工对本工程结构设计提出的宝贵意见 !参 考 文 献 1 “松江辰花路二号地块 ”深 坑 酒店结构抗震超限审查报告 上 海 : 华东建筑设计研究院有限公司 ， 2010 2 汪大绥 ， 陆道渊 ， 陆益鸣 ， 等 世茂深坑酒店总体结构设计 J 建筑结构 ， 2011， 41( 12) 3 哈敏强 ， 陆益鸣 ， 陆道渊 ， 等 世茂深坑酒店结构弹塑性时程分析 J 建筑结构 ， 2011， 41( 12) 4 辰花路二号深坑酒店工程深坑边坡长期稳定性分析报告 上海 : 上海申元岩土工程有限公司 ， 2009 5 GB 503302002 建筑边坡工程规范 S
