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
Discussion on Structure Design of Earth Covered Cavity under Special Site Conditions
Zhu jia
Abstract：Conventional buildings are usually subjected to vertical loads，horizontal forces are wind loads and seismic forces，and all are short-term loads. In addition，the earth-covered building structure，especially the earth-covered building with a large area of open-faced openings，compared to ordinary buildings，in addition to undergoing vertical loads，there are also situations in which horizontal soil forces are subjected to lateral forces for a long period of time，similar to mountainous constructions. Should pay attention to. Designers should adopt a reasonable structure scheme according to the site and the completion effect，and if necessary，carry out certain foundation reinforcement measures for the surrounding earthwork area of the building to avoid adverse effects of surrounding overload and long-term deformation on the building.Considering the design concept，the retaining wall resists the horizontal force of the surrounding soil，and the building bears the earth covering and other vertical loads at the top of the roof. The force is clear，the structure is reasonable，and the structural system is relatively simple. As long as the joints between the pile-up slope and the soil-covered cavity are properly handled and the surface modeling treatment is performed with the help of the landscape slope-sorting model，a seamless effect can be formed and the building can be hidden into the site.Based on the special geographical location of the described project，the construction of the pile foundation adopts an innovative construction method with high-frequency resonance-free. This article also briefly introduces the construction principles and features of this new process for your reference.
Keywords：High-frequency resonance-free steel pipe pile；Cement mixing pile；Sliding bearing；retaining wall
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。
论文作者:朱佳
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/30
标签：空腔论文; 建筑论文; 挡土墙论文; 荷载论文; 结构论文; 桩基论文; 地基论文; 《建筑学研究前沿》2018年第16期论文;