项目地处重庆市渝北区中央公园西侧,为大型综合体项目。东西地块三层地下室连成一体,在1层以上设置防震缝分为两个单体。西地块由T1塔楼(215m高办公楼)、T2塔楼(81.1m高酒店)及8层商业裙楼(40m高)组成;东地块由6层商业裙房(36.1m高)及T3塔楼(113.5m高办公楼)组成,以上高度均为结构高度;5,6层设空中走廊连接东西地块,见图1。

　　 项目为坡地建筑,场地东侧室外道路高程326.0～328.0m,西侧室外道路高程308.4～309.8m,北侧室外道路高程309.8～326.0m,南侧室外道路高程308.4～328.0m,地块中部市政道路高程为321.5～323.0m,东西侧场地路面高差约为19m(图2),南北侧场地高差约为1.5m。

　　 抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度0.05g,场地特征周期T_g=0.45s。基本风压为0.40kPa,地面粗糙度为B类。

　　 除T1塔楼采用混凝土框架-核心筒结构外,其他各部分均采用框架-剪力墙结构。

　　 拟建区属构造剥蚀浅丘地貌,总体呈北东高南西低,场地经一定的开挖整平,现状地貌多为广泛分布的人工开挖、深回填的施工区。主要成分多为泥岩、砂岩碎块石,含量约50%～80%,夹杂一定的粉质黏土,为机械无序抛填而成,抛填时间约4年,厚度为16～62m,见图3。抛填土天然重度取20.50kN/m³,天然综合内摩擦角为30°,饱和重度取21.00kN/m³,饱和综合内摩擦角为28°^[1]。为提高场地素填土密实度,减少负摩阻力的影响,要求基坑开挖后采用高能级强夯进行填土层的处理^[2]。

　　 填土层下为1～2m的粉质黏土层,再其下即为互层分布的中风化泥岩(J2X-Ms)和中风化砂岩(J2s-Ss)。设计时中风化岩层天然抗压强度标准值取12.4MPa,饱和抗压强度标准值取7.8MPa。

　　 场地未见滑坡、危岩、崩塌、泥石流、断裂等不良地质现象,现状稳定,对各类边坡进行有效治理后,场地适宜建设。场区地下水贫乏,地表水多为降雨补给,为上层滞水,可不考虑基坑抗浮设计。地震作用下场地不会发生液化、震陷及边坡失稳等岩土稳定问题。素填土覆盖层为软弱土,场地属于抗震不利地段,整体坡度较缓,不需放大其水平地震影响系数。

　　 因基坑底均为人工填土,无法满足地基承载力要求,故采用桩基础方案^[3]。桩基础采用大直径旋挖成孔灌注端承桩,持力层为中风化岩层,嵌岩深度取5倍桩径。

　　 东侧考虑减少土压力对主体结构的作用,从地下室底板至地上4层(即东侧地面标高)侧壁设计为收进形成退阶状掉层结构。部分桩基础需置于基坑边坡上施工,承台标高同各层楼面,并需要根据地下室施工顺序边回填边打桩。

　　 业主要求,根据建筑方案平场后,在施工期间整个场地四周设置挖方土质临时基坑边坡,设计使用年限不超过2年,边坡安全等级确定为一级^[4]。边坡开挖最大深度达30m,见图4。

　　 地下室抵御土压力的抗力主要包括以下三部分:1)地下室外侧土体侧限约束产生的抗力;2)地下室桩基础水平抗剪能力;3)地下室底板底摩擦力。采用盈建科建筑结构计算软件(YJK 1.9.2.0)进行整体建模计算,分析传递至地下室部分水平力的分配情况。底板下的桩按水平刚度输入模型,对于地下室外侧土体侧限约束,分别取土压力参数m=0/4/10MN/m⁴三种情况分析,地下室各部分承担水平力比例的计算结果见表1。选取几片典型抗推墙(典型抗推墙位见第7.1节)的剪力进行对比,见表2,地下室各层最大位移值见表3。

　　 表1～3结果表明:1)地下室底板的变形条件和侧限m值,是影响水平力传力路径的因素。2)当地下室有侧限约束时,水平力主要由地下室侧向约束承担,由于水平变形量较小,桩基础可分担5%左右的水平总剪力。3)m值越大,地下室侧限约束所承担的水平力越大。由于底板底为尚未固结的新填土,虽然开挖施工前已采用8 000kN高能级强夯处理,但由于底板摩擦力系数取值的离散性和稳定性差,为减少传至主体结构桩基础的水平力,应采取有效措施控制回填土的质量(如采用级配砂石分层夯实,密实度达到94%以上),以保证实际回填土的m值达到10MN/m⁴以上。即便允许地下室底板滑动,实际位移量也很小,底板摩擦力和桩基础分担的水平力基本可忽略不计。

　　 东西侧地面19m高差对建筑物形成土质边坡,由于并未设计永久支护承受边坡土压力,在地下室周边回填后,边坡不平衡土压力将由主体结构承担。东侧挡土侧壁采用退阶及架空设计(图5),旨在减少边坡圆弧滑动面以上土体的体积,从而最大程度减小边坡对主体结构的作用力。在东侧地下室底板至室外地坪高度范围,各层地下室近东侧区域设置了与侧壁垂直的分级挡土抗推墙结构,利用抗推墙较大的刚度将1层以上土推力(剪力)通过抗推墙逐级传到地下室。

　　 1层以下为全埋深地下室,楼盖较为完整;西侧室外地坪标高接近1层楼板,东侧1层以上至坡顶最大高度为19m,东西侧高差产生的不平衡土推力将通过结构主体向地下室及桩基础传递,最终传至地下室周边土体。

　　 东侧土推力传力路径为:东侧侧壁→各层分级抗推墙→各层楼板→竖向构件→1层以上工程桩→地下室范围内楼板→地下室侧限。因不平衡土推力造成的整体稳定性问题,基本解决思路如下:1)验算主结构在土推力下的整体稳定性;2)验算地震作用、风荷载及土推力的组合工况下,东侧1层以上各层侧壁、抗推墙及楼板承载力;3)验算地震作用和风荷载组合工况下,东侧1层以上位于边坡上的桩水平承载力。

　　 根据桩基规程JGJ 94—2008^[3]、抗规GB 50011—2010^[5]以及重庆地基基础规范DBJ 50-047—2016^[6]的相关条文,地下室整体稳定验算及基础构件承载力验算的具体计算内容和控制指标分别见表4,5。

　　 根据地勘报告提供的土层设计参数及边坡规范GB 50330—2013 ^[7]第6.2.11条及第7.2.3条(表6),主体结构作为挡土构件时,非抗震情况下按照静止土压力考虑,抗震时考虑主动土压力系数(参考7度区参数),考虑到结构侧壁为直立光滑,土体表面水平,边坡支护结构的侧向土压力按朗肯土压力理论计算。坡脚线到坡顶重要建(构)筑物基础外边缘的水平距离a=18m,边坡高度H=32.8m,a/H=0.55,偏安全考虑土压力,侧向岩土压力数值取静止土压力E₀的数值。

　　 土压力系数取值采用饱和人工填土物理力学参数值^[5],内摩擦角φ=26°,黏聚力c=5kPa,边坡顶部考虑30kPa的附加荷载,根据边坡规范GB 50330—2013^[7]附录B采用退阶方式计算的土压力见表7。

　　 根据边坡规范GB 50330—2013^[7]第5.2节及5.3节,该场地为土质边坡,其滑动稳定性按圆弧形滑动面(图6)计算,见规范附录A,安全系数按一级永久边坡取值1.35。典型剖面见图6。圆弧形滑面的边坡稳定性系数按公式(A.0.1-1～ A.0.1-3)计算。

　　 通过计算发现,边坡滑动安全系数不满足1.35(表8),边坡自身不稳定,对主体结构存在下滑力作用,设计时需将剩余下滑力作为荷载作用在主体结构上进行验算。经对比分析发现,坡脚剩余下滑力小于静止土压力合力,整体计算时按静止土压力计算可包络滑动土推力情况,局部构件计算则按照两者设计值包络计算。

　　 通过计算边坡各个剖面土体稳定性发现,将土体剩余下滑力与对应静止土压力进行比较,两者计算数值较为接近,后续分析可采用静止土压力进行复核。

　　 根据边坡规范GB 50330—2013^[7]第13.2.5条,对土质地基桩基础水平刚度按m法取值,地勘报告提供填土的m值为10MN/m⁴。地下室顶板设为嵌固端,桩端嵌固于基岩中,不考虑承台底土的竖向抗力和水平摩阻力,按照桩基规范JGJ 94—2008^[3]附录C,计算桩等效水平刚度,结果见表9。

　　 桩受压及受拉工况下,桩竖向刚度按照非嵌岩端桩身混凝土弹性变形计算,桩混凝土弹性模量E_c=3.25×10⁴N/mm²,桩等效竖向刚度K_v=E_cA_c/L(A_c为桩横截面面积,L为桩长)。

　　 按桩顶固接计算桩水平承载力,结果见表9。

　　 根据地勘报告中风化岩层的岩石(土体)与锚固体极限粘结强度标准值400kPa,桩端抗拔承载力见表9。

　　 地下室顶板嵌固,因此1层(308.4m绝对标高)以下的边坡桩基础水平力可通过地下室楼板有效传递,1层以上的桩基础将承受由于不平衡土压力及地震引起的水平作用,需按照5.3节的分析结果将该部分基础按刚度计入整体模型(图7)内。

　　 计算显示1层以上各桩基础均满足土压力及大震作用下的水平承载力要求(图8),桩基础承担的水平力比例小于10%(表10),可见大于90%的水平力由主体结构承担。各楼层在静止土压力工况下最大平均桩顶水平位移为6.2mm,满足预设要求。

　　 根据计算结果,非地震工况下仅一根桩出现拔力,拔力值为199kN,未超过桩端抗拔承载力。大震工况下有3根桩出现拔力,最大拔力值为544kN,未超过桩端抗拔承载力。受拉的桩可按拉弯构件验算其抗剪承载力要求。

　　 对于1层以上的桩基础设定的抗震性能目标为:中震抗剪弹性,抗弯不屈服;大震抗剪不屈服。列举其中三桩的抗震性能验算结果,见表11。可见,1层以上桩基础纵向配筋率为0.65%时,可满足抗震性能设计要求;其余桩亦满足抗剪、抗弯要求。

　　 地下室顶板(1层楼板)设置为上部楼层的嵌固端,假定底板为不滑动的情况,地下室侧限参数m=10MN/m⁴。根据以上假定分析不平衡土压力引起的水平作用将由挡土侧壁和分级设置的抗推墙逐层传递至地下室(图9)。

　　 通过对土压力工况下1层及地下1层抗推墙、挡土侧壁、框架柱和桩剪力进行统计,则1层在土压力下各构件承担的X向水平剪力比例见图10。可见,1层X向的抗推墙及塔楼本身的剪力墙、X向挡土侧壁承担总剪力共计88%;1层的桩基础和框架柱承担的剪力仅约为总剪力的12%;1层以上抗推墙在抗震设计中应满足中震抗剪弹性、抗弯不屈服,大震抗剪不屈服的性能目标。

　　 同时计算表明,因为地下室侧限的存在,地下1层X向抗推墙及挡土侧壁承担的剪力已从1层的81%迅速下降到27%,说明大部分土压力由于地下室侧限约束已有效扩散到土体中。

　　 东侧的T3塔楼部分位于边坡上,为掉层结构,参考《山地建筑结构设计规程》(征求意见稿)第5.1.7条的方法对其进行X向抗倾覆验算,计算示意图见图11,验算结果详见表12、表13。

　　 验算结果表明,土压力及大震工况下,掉层结构T3塔楼抗倾覆验算的安全系数均大于3,可满足重庆市地基基础规范DBJ50-047—2016^[6]第8.1.5条的要求。

　　 本项目高填方区、高边坡的自然条件造成主体结构无法避免地需要承担边坡传来的土压力,是设计的不利条件。在结构设计中,笔者首先采用“减”的思路,将高边坡一侧的地下室设计为退阶形式(掉层结构),使边坡放坡,从而最大程度地减小边坡对主体结构的土推力。其次,对于边坡的剩余下滑力与静止土压力进行比较,取最不利工况施加于主体结构上并组合地震作用进行整体分析,验算结构的整体稳定性以及各相关结构构件的承载力,确保主体结构的安全。第三,施工措施上采用高能级强夯加固底板下回填土土体,提高底板底的摩擦力(不计入结构抗力,仅作为安全储备),并对边坡回填土的级配、压实系数、回填时间顺序等提出详细要求,同时做好排水措施,以减小边坡土推力对主体结构作用。

　　 重庆地区抗震设防烈度为6度,但属于山地区域,地质条件及建筑物周边道路标高条件均十分复杂,高差造成的土推力往往成为影响结构安全的一个不容忽视的重要因素。在本工程的抗震超限设计中,笔者对边坡与主体结构的关系及其相互作用进行了清晰的梳理和分析,并采用一系列设计措施实现主体结构的可靠度和合理性的平衡。

　　 本工程于2019年5月通过了重庆市超限高层抗震设计专项审查,2019年12月通过了重庆市施工图设计审查。

　　 笔者写作本文过程中参考了设计同行的有关文献^[8,9],在此对原文作者表示感谢。