特殊场地条件下覆土空腔结构设计探讨

朱佳

上海现代建筑装饰环境设计研究院有限公司上海200040

摘要：常规建筑通常以承受竖向荷载为主，水平力为风荷载及地震力，均为短期荷载。而覆土建筑结构、特别是存在大面积立面开口的覆土建筑，和普通建筑相比，除了承受竖向荷载外，还存在长时间承受侧向土体水平力的情况，类似于山地建筑，设计中应引起重视。设计师应根据场地和完成效果采用合理的结构方案，必要时对建筑周边堆土区域进行一定的地基加固措施，避免周边超载及长期变形对建筑造成不利影响。

从设计理念考虑，采用挡土墙抵抗周边堆土的水平力，利用建筑物承受屋面顶部的覆土及其他竖向荷载，受力清晰，结构合理，结构体系相对简单。只要处理好堆坡与覆土空腔的衔接节点，并借助景观堆坡找型进行表面造型处理，可形成浑然一体的效果，将建筑隐入场地内。

基于所描述工程的特殊地理位置，桩基施工采用了高频免共振的创新型施工工艺，本文也简单介绍了这种新型工艺的施工原理和特点，供大家参考。

关键词：高频免共振钢管桩；水泥搅拌桩；滑动支座；挡土墙

DiscussiononStructureDesignofEarthCoveredCavityunderSpecialSiteConditions

Zhujia

Abstract：Conventionalbuildingsareusuallysubjectedtoverticalloads，horizontalforcesarewindloadsandseismicforces，andallareshort-termloads.Inaddition，theearth-coveredbuildingstructure，especiallytheearth-coveredbuildingwithalargeareaofopen-facedopenings，comparedtoordinarybuildings，inadditiontoundergoingverticalloads，therearealsosituationsinwhichhorizontalsoilforcesaresubjectedtolateralforcesforalongperiodoftime，similartomountainousconstructions.Shouldpayattentionto.Designersshouldadoptareasonablestructureschemeaccordingtothesiteandthecompletioneffect，andifnecessary，carryoutcertainfoundationreinforcementmeasuresforthesurroundingearthworkareaofthebuildingtoavoidadverseeffectsofsurroundingoverloadandlong-termdeformationonthebuilding.Consideringthedesignconcept，theretainingwallresiststhehorizontalforceofthesurroundingsoil，andthebuildingbearstheearthcoveringandotherverticalloadsatthetopoftheroof.Theforceisclear，thestructureisreasonable，andthestructuralsystemisrelativelysimple.Aslongasthejointsbetweenthepile-upslopeandthesoil-coveredcavityareproperlyhandledandthesurfacemodelingtreatmentisperformedwiththehelpofthelandscapeslope-sortingmodel，aseamlesseffectcanbeformedandthebuildingcanbehiddenintothesite.Basedonthespecialgeographicallocationofthedescribedproject，theconstructionofthepilefoundationadoptsaninnovativeconstructionmethodwithhigh-frequencyresonance-free.Thisarticlealsobrieflyintroducestheconstructionprinciplesandfeaturesofthisnewprocessforyourreference.

Keywords：High-frequencyresonance-freesteelpipepile；Cementmixingpile；Slidingbearing；retainingwall

引言

为了缓解经济发展与环境保护之间的矛盾，我国提出了“可持续发展”理论，衍生出生态建筑，而覆土建筑则是生态建筑中不可忽视的一个部分。特别是绿色建筑提倡按照以人为本的思想，遵循可持续发展的原则，致力于创造崭新的理念，优化环境，提高品味，按照环境与生态规划设计的原则，充分考虑利用环境绿化等生态要素，创造出丰富的、具有视觉效果变化的园区内部空间，达到人、环境、建筑的和谐统一。

1工程概况

本工程坐落于我国东部某沿海城市，本城市有一条通航河道贯穿城市，根据总体城市规划，在未来几年内，将沿河打造景观风貌带，作为城市名片，本工程作为景观风貌带的重要组成部分，坐落于河道南侧，性质为覆土空腔建筑，西侧与北侧为自然土坡直接延伸至屋顶，沿江面局部设置3个夹层，形成观光平台，共市民观赏江景，寓意“滨江之眼”。东侧与南侧为临空面，形成开敞空间，供人员通行及作为疏散场地。屋面上设置跑步道与骑行道，供市民健身、休闲及观光使用。本工程为长196m，宽29~45m的矩形建筑，面积约6500m2，层高顺坡变化为3.5~6m不等，屋顶覆土高度0.8m~1.5m。本工程平面与立面效果如下图所示：

1.2本次建设的主要内容包括：

a、土坡下的结构空腔；

b、空腔周边的挡土墙；

c、特殊地理位置及场地条件下的桩基及地基处理；

2结构设计

2.1结构体系

覆土空腔的结构体系为钢筋混凝土框架结构。（局部有小夹层，夹层总面积约占楼层总面积的8%），屋面覆种植土厚度根据不同区域0.8~1.5m，详见屋面设计荷载分布图，厚度超过屋面设计荷载分布图时下铺EPS土工泡沫板。由于结构超长，且部分区域位于市政桥梁保护范围内，因此在中部设置一道沉降缝，缝宽2m，屋面处采用两侧屋面板悬挑方式预留100mm伸缩缝，并在合适位置设置两道2m宽现浇加强带，用于抵抗温度应力，如下图所示。覆土空腔与周围景观堆土采用挡土墙隔开，为独立的抗震单元。

挡土墙采用混凝土悬臂式挡土墙结构。

图1.5结构分缝平面图

2.2基础方案

空腔采用预制桩基础，位于市政桥梁保护区范围内采用高频免共振工艺钢管桩，钢管桩直径700mm，材质Q345B，桩长34m，共142根。位于市政桥梁保护区范围外采用直径500mm的预应力管桩，桩长31m，共250根。

挡土墙采用天然基础，由于墙背覆土最高高度约5m，而天然地基承载力为85kpa。为控制沉降、减轻对周边新建建筑物的影响，采用单轴水泥搅拌桩进行地基处理。采用直径700mm的单轴水泥搅拌桩，桩长18m，穿越淤泥质土层，桩端位于5-1层土（粉质粘土），间距1.2x1.5m，矩形布置，置换率21.3%。总桩数1520根，处理面积3500m2。经地基处理后，复合地基承载力取110kpa，复合压缩模量取8Mpa。

2.3抗震等级

空腔使用功能为公共停车场，参照规范《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008）的要求，房屋的抗震设防类别为丙类（标准设防类）。房屋大屋面高度为8.5m，属于单层建筑。根据《抗震设计规范》，本结构的抗震等级为三级。挡土墙抗震等级取三级。

2.4空腔整体指标结果

采用YJK结构系列软件进行计算，得到结构整体指标，如下表：

2.5高频免共振工艺钢管桩设计：

高频免共振工艺钢管桩是最近几年新兴的桩基施工方法。免共振液压振动锤在桩基施工时通过高频振动将土体液化，再把桩体压入土壤中。由于其振动频率大于土体共振频率，因此不会与土体发生共振效应，对土壤也无挤土效应，也不损伤周围建筑和已有桩基。同时，也不像采用钻孔切削工艺的钻孔灌注那样，会在施工过程中会产生大量泥浆。具有施工速度快，无振动，对周边环境无影响的优点，适用于软土地基。免共振液压振动锤施工设备轻巧，所占空间极小，而且可以与履带吊或者汽车吊相结合，达到自由通行的目的，可以在晚上交通流量较低时实施桩基施工，完成后及时离开，恢复交通，特别适用于本工程处于市中心的特点。针对本工程，单桩长度34m，在桩就位后，平均施打速度为30分钟。

此类桩基的设计基本与普通钢管桩类似，但由于其施工工艺的特殊性，有以下几点需设计人员注意：

1.单桩承载力设计：由于此工艺是采用液压振动机使钢管桩产生高频振动，造成桩周土体短期液化，便于迅速压桩，因此，桩周土体的固结速度会慢于预制静压桩，类似于灌注桩。建议桩基设计时，桩侧、桩端设计承载力的计算参数取值均采用灌注桩的数值。

2.桩顶节点设计：由于此工艺采用卡钳夹于桩端钢管侧壁，因此无法按非普通静压桩的要求在桩顶设置钢盖板。为保证基础荷载有效传递到桩身，避免钢管侧壁对基础产生较大的冲切力，宜在桩端部分设置一定高度的灌芯层，并沿桩身内壁设置钢板摩擦片，灌芯层宜采用微膨胀混凝土，保证基础与钢管的摩擦，使钢管桩有效发挥作用。同时，灌芯层也可显著增加钢管桩的水平承载力。典型节点做法如下图所示：

2.6地基处理设计

本工程堆土高度最高达到5m，根据地质报告，本地区地基承载力特征值为85kpa，局部区域堆载高度超过地基承受荷载，须采用相关手段进行土体加固。设计前期从经济性，施工速度及对周边影响考虑，经过多方比较，最终选用单轴水泥搅拌桩进行地基加固。水泥搅拌法是在软土地基中较常用的地基处理方法，工艺成熟，可提高地基承载力，增加地基土复合压缩模型，减小沉降。同时，为减小对周边既有或新建建筑物的的水平侧压力影响，在桩顶以上设置碎石褥垫层及土工布，使堆高区域的应力扩散范围尽可能的减小。

2.7挡土墙与结构空腔过度区节点设计：

根据建筑效果，场地要形成浑然一体的覆土效果。如覆土建筑四周均为堆坡，则四周的土体水平力可以互相平衡，结构可采用混凝土挡土墙与主体结构外墙双墙合一的方式处理。而针对本工程，由于为单边堆土，对边临空，如采用双墙合一，则主体结构会承受较大的单边水平力。由于本工程采用桩基础，桩抗水平承载力较弱，须增加桩的数量，显著增加基础造价。另外，为了保证主体结构的刚度平衡，需要在临空面部分区域设置混凝土墙，会对立面效果产生较大影响。由于本空腔超长，为保证结构刚度的合理性，难免也需要在空腔内部的局部区域增设剪力墙，对今后的使用功能也会造成一定的影响。经综合考虑，最终采用了双墙分离的结构方案。沿建筑堆高周边设置了挡土墙，用于抵抗堆土的水平力，主体结构采用混凝土框架结构，用于承受竖向荷载。此方案结构受力清晰，空腔内部空间可随意分隔，不受影响。同时，为避免常规分离式建筑周边伸缩缝处理在表面形成的明缝，影响立面及平面效果，结构采用设置沉降缝的方式，双墙之间的净距保证2m，基础完全脱开。顶部采用预制盖板封闭，预制板两端分别搁置于挡土墙及主体结构外框架梁顶，且搁置处设置聚氯乙烯涂层，形成滑动支座，避免挡土墙区域的水平力传递给主体结构。之后采用种植土覆盖，上覆植被，形成浑然一体的绿坡效果。同时预制盖板下的区域可供设备管道使用，类似于综合管廊，也契合"海绵城市"的理念。典型节点做法如下图所示：

图2.3挡土墙与结构空腔过渡节点

3结语

常规建筑通常以承受竖向荷载为主，水平力为风荷载及地震力，均为短期荷载。而覆土建筑结构、特别是存在大面积立面开口的覆土建筑，和普通建筑相比，除了承受竖向荷载外，还存在长时间承受侧向土体水平力的情况，类似于山地建筑，设计中应引起重视。设计师应根据场地和完成效果采用合理的结构方案，必要时对建筑周边堆土区域进行一定的地基加固措施，避免周边超载及长期变形对建筑造成不利影响。

从设计理念考虑，挡土墙抵抗周边堆土的水平力，建筑物承受屋面顶部的覆土及其他竖向荷载，受力清晰，结构合理，结构体系相对简单。只要处理好堆坡与覆土空腔的衔接节点，并借助景观堆坡找型进行表面造型处理，可形成浑然一体的效果，将建筑隐入场地内。

同时，从结构受力、使用功能和项目投资考虑，建议尽量避免利用建筑结构本身抵抗单侧长期堆土水平力，会增加投资，限制内部空间的使用。另外，由于土体沉降变形是一个长期的过程，如建筑本身常时间承受水平荷载，在使用过程中也会产生一定的开裂风险。

结束语：

本工程桩基施工采用了高频免共振的创新型施工工艺，经实践证明，此工艺施工速度快，对周边环境影响小，在市政与土建行业具有一定的应用前景，供各位同行在类似的工程中参考。

参考文献

[1]GB50011-2010（2016年版）建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2]中国地震局文件.中震防发[2009]49号，2009.

[3]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4]GB50007-2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011

[5]JGJ97-2012建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013

[6]JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008

作者简介：朱佳，本科学历，工程师。