1、问题的提出
2009年上海市闵行区“莲花河畔景苑”13层的楼房整体倒塌,根据中国工程院院士江欢成为首的专家组初步调查结果,“房屋倾倒的主要原因是,紧贴7号楼北侧,在短期内堆土过高,最高处达10m左右;与此同时,紧邻大楼南侧的地下车库基坑正在开挖,开挖深度4.6m,大楼两侧的压力差使土体产生水平位移,过大的水平力超过了桩基的抗侧能力,导致房屋倾倒”。从初步调查结果表明,大楼倾覆倒塌的破坏机理可以这样分析:大楼嵌固端结构计算模型不满足结构力学的三个平衡方程,∑x=0、∑y=0、∑M=0。大楼两侧的压力差使土体产生水平位移,即∑x≠0,导致桩基剪切破坏,基础型式发生变化(桩承台已成为条形基础作用在土层上),与此同时,紧邻大楼南侧的地下车库基坑深度4.6m,南侧基础埋深为零,在荷载倾斜作用下地基整体失稳。出现∑M≠0,大楼沿着嵌固端转动,最后倾覆倒塌。这一事故的主要责任虽然不是勘察设计失误造成的,但它能给从事勘察设计的工程技术人员什么样的重要启示?是值得我们深思的。
在该事故发生后,笔者曾试想过,假如参与该工程设计、勘察、施工、监理的工程技术人员在目睹事故之前那种极其危险的施工现场时,有某一位工程技术人员能用专业知识分析一下该楼嵌固端的实际受力模型,就会发现问题,今天震惊全国的房屋倒塌事件也就不会发生。又假如,紧邻大楼南侧的地下车库基坑没有开挖,大楼保持有一定的基础埋深,也许不会出现该楼整体倾覆倒塌……在这些假设的过程中,引发了笔者对高层建筑基础埋深的思考,本文就高层建筑基础埋深的几个问题进行一些探讨。
2、高层建筑基础埋深的作用和要求
高层建筑由于质心高、荷载重,除了满足地基基础设计的一般规定外,在我国现行的《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称为《砼高规》)第12.1.7条,明确规定,“基础应有一定的埋深,在确定埋深时,应考虑建筑的高度、体型、地基土质、抗震设防烈度等因素、埋置深度可从室外地坪算至基础底面,并宜符合下列要求:
1)天然地基或复合地基,可取房屋高度的1/15;
2)桩基础可取房屋高度的1/18。”
《砼高规》在大量科学研究和工程实践总结的基础上,对基础埋深做出了相应规定,是出于下列四个方面的考虑:
1)提高基础的稳定性,防止基础在水平风力和水平地震作用下发生滑移和倾斜;
2)提高地基的承载力,减少基础的沉降量:
3)增大地下室外墙的土压力、摩擦力,限制基础的倾斜,使基底下土反力的分布趋于平缓;
4)增大阻尼,减少输入加速度,减轻地震灾害;
在工程设计中,有少数工程技术人员对高层建筑基础埋深的作用认识不足,暂且不谈上述2)、3)、4)方面的研究和探讨,有些工程实际的基础埋深达不到规范要求的安全度,不满足抗倾覆和滑移要求,甚至危及到基础整体稳定性,例如:房屋四周地坪标高不同时,主楼与裙房设沉降缝、伸缩缝时,基础埋深的起算面采用最高侧的室外地坪,类似于选择“莲花河畔景苑”七号楼北侧堆土的坡顶面。土力学大量的实验表明,在中心受压且土质均匀时,地基破坏面是四周对称挤出。如果土质不均匀或荷载有偏心或荷载倾斜作用时,地基内的滑动面则不对称,或向一侧挤出。如果高层建筑的嵌固面不在一个水平面时,高的一侧不仅不能作为嵌固面,还会造成荷载偏心或荷载倾斜作用。它的受力机理与规范给出的高层建筑基础埋深限值的基本假设存在相悖。
土力学实验同时揭示,基础埋深对滑动面的形状有很大的影响,当埋深较大时,在重心荷载下滑动面一般不出露至地面,只封闭在基础底面附近不太大的范围内,此时还可利用基础埋深的被动土压力来抵抗高层建筑倾覆弯矩和水平作用。《砼高规》中规定的基础埋深取值是基于工程实践和科学成果,并来自北京市勘察设计研究院张在明等在分析北京八度抗震设防区内高层建筑地基整体稳定性与基础埋深的关系的研究,以两栋分别为15层和25层的建筑,考虑了地震作用和地基的种种不利因素,用圆弧滑动面法进行分析,其结论是:从地基稳定的角度考虑,当25层建筑物基础埋深为1.8m时,其稳定安全系数为1.44,如埋深为3.8m(1/17.8)时,则安全系数达到1.64,从而给出了一个最基本的指导性指标。考虑高层建筑地震作用下结构的动力效应与基础埋置深度关系较大,软弱土层时更为明显,因此高层建筑基础应有一定的有效埋置深度,箱形和筏板基础可取房屋高度的1/1 5;桩基础可取房屋高度的1/18。
因此,基础埋深的起算面不仅应选取嵌固面的最低标高处,同时还应计算高侧的土压力作用对地基整体稳定性的影响。道理十分简单,高层建筑其形态近似于一根嵌固在地面的巨型电线杆。电线杆基坑某一方向存在缺口,当荷载超过允许值时,首先电线杆就将会向该方向倾倒,高层建筑也是如此。
3、基础埋深的计算方法
《砼高规》中规定,基础埋深一般从室外地面算起,天然地基算至基础底面,桩基础算至承台底面。对于一些埋置比较复杂的高层建筑基础,在不少的相关资料中均有论述,本文作一个简单归纳:
1)房屋四周地坪标高不同时的基础埋深起算面,应按室外最低的地坪起计,详见(图2)
2)主楼与裙房设沉降缝、伸缩缝时。
如(图3)所示,主楼与裙房之间设有沉降缝或伸缩缝,设缝的一侧是起不到嵌固作用的。因此(图3a)基础的有效埋深为零。(图3b)中间主楼的基础埋深的起算面,应选择裙房地下室底板的顶面。
目前在一些设计中,采用在缝中回填砂石,企图限制建筑的侧向变形,为达到改变基础埋深的起算面。这种做法是不可取的,设缝的主要目的是让结构自由变形,特别是当伸缩缝、沉降缝兼抗震缝时,对缝宽有一定的要求,其目的是为了减少在地震发生时两个不同结构单元的碰撞造成房屋严重破坏。而填砂能起到限制侧向变形的作用,设缝无法实现其预期目标,两者自相矛盾,还会造成双重危害。
3)当地下室有通长采光井时。
两种情况,第一种,采光井挡土墙和地下室外墙没有连接或连接很弱时,基础埋深起算面应从采光井底地坪起算。第二种,采光井挡土墙与地下室外墙有可靠的连接,能起到约束作用,可从建筑物四周最低室外地坪起算。见(图4)
4、岩石地基上基础的抗倾覆、抗滑移设计
在《砼高规》12,117条中提到“当建筑物采用岩石地基或采取有效措施时,在满足地基承载力、稳定性要求及本规程第12.1.6条规定的前提下,基础的埋深可不受本条第1、2款的限制。当基础可能产生滑移时,还应采取有效的抗滑移措施。”由于场地土的复杂性和工程的多样性,凡是高层均套用1/15、1/18的基础埋深,对有些工程实施起来相当困难,特别对有些工程是不具备可操作性的。因此,2002版《砼高规》的修订中在第12.1.7条中增加了部分内容,即当建筑物采用岩石地基或某些底座较大的高层建筑而使用功能又无多层地下室要求时,施工不便
且不经济,对基础埋置深度的限值给予了放宽,即不受1/15、1/18埋深的限制。但也不是简单的降低基础埋深的要求,必须满足基本条件和采取有效措施,验算分析能满足建筑安全要求,方可实施。
1)放宽基础埋深限制的基本要求
《砼高规》第12.1.5条,“在地基土比较均匀的条件下,箱形基础及筏形基础的基础平面形心应尽量与上部结构的荷载重心相重合,当偏心难以避免,应对其偏心距加以限制,以满足公式e≤0.1W/A。”
《砼高规》第12.1.6条,“高宽比大于4的高层建筑,基础底面下不出现零应力区;高宽比不大于4的高层建筑,基础底面与地基之间零应力区面积不超过基础底面面积的15%”。
控制上部结构的荷载重心与基础平面形心的偏心距e、控制基础底面零应力的出现是适当放宽基础埋深的基本条件。其目的是使高层建筑在水平和竖向荷载作用下,地基压应力不致过于集中。一般情况下,满足了上述基本要求,高层建筑的抗倾覆能力具有足够的安全储备。
2)进行计算分析
对于上部结构的抗倾覆验算,我国现行的计算软件较为完善,但对基础嵌固端的抗倾覆验算分析,目前还没有相应的计算软件,主要通过人工建立相应的简化计算模型进行分析计算。
例如,基础的抗滑移验算应保证,抗倾覆验算应保证,基础实际受力详见图6,计算分析模型详见图5。
EX=O,即F+Ea+Ep+Ft=0
∑M=0,即M+Ma+Mp+Mw=O
式中,F――为上部结构水平地震作用和风荷载作用对基础的水平总推力:
Ea――主动土压力qa其产生的合力,Ea=qa*Ha/2;
qa――非倾覆侧(BB’侧)主动土压力:
Ha――BB’侧室外地坪至倾覆点A’垂直距离;
Ep――被动土压力qP产生的合力,Ep=qP*Hp/2;
Hp――AA’侧室外地坪至倾覆点A’垂直距离;
qP――倾覆点侧(AA’侧)被动土压力;
Ft――基底抗滑移的力,天然基础,Ff为基底摩擦力,桩基,Ft为桩基的抗水平剪力,应验算桩基抗剪承载力:
M――上部结构传至基础的倾覆力矩:
Ma--主动土压力q倾覆点A’产生的弯矩,
Mp=1/6qp*H2p
Mp――被动土压力qP对于倾覆点A’产生的弯矩,
Ma=1/6qa*H2a
Mw――上部结构重力W产生的抗抗倾覆力矩+抗拔桩的抗倾覆弯矩(若上部结构自重不满足平衡条件时,采取措施加设的抗倾覆弯矩);
w――上部结构自重;
b――基底宽度;
qt――基底反力,对于箱形和筏板基础,根据高规要求,不宜出现零应力区域,对于桩基础,考虑边缘桩基参与抗倾覆时,可存在负应力区:
3)采取有效措施
箱形和筏板基础应满足《砼高规》相关规定的要求。特别是筏板基础向外有延伸时,应充分考虑因倾覆点外移对外挑筏板的作用力。桩基础应满足《砼高规》的相关规定,特别是应按照四周边缘桩基承载力分析的结果,合理选择桩形和桩的配筋构造,不宜采用预应力管桩。
