建筑工程地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鄭 俊

鄭 俊

杭州中翰建筑設(shè)計(jì)有限公司

【摘 要】本文通過一住宅工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)例，簡要?dú)w納了高層建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題，總結(jié)了地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的要點(diǎn)，分析了地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須符合抗震設(shè)防、裂縫控制、建筑防水等各方面要求的必要性。

【關(guān)鍵詞】地下室；嵌固端；地基承載力；抗浮設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代建筑水平的快速提高，地下空間的開發(fā)和利用日益增多。在整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)過程在中，地下工程占據(jù)著重要的地位，但隨著地下工程的不斷擴(kuò)大，其復(fù)雜程度也不斷增大，這就在一定程度上增大了地下工程設(shè)計(jì)的難度。地基的不均勻沉降、地下室抗浮能力等問題是常見的地下工程問題，所以，為確保地下室的可靠性、安全性、以及其經(jīng)濟(jì)效益的合理性，在建筑工程設(shè)計(jì)地下室時(shí)，應(yīng)綜合考慮建筑工程所在位置、相關(guān)地理?xiàng)l件、以及地下環(huán)境等因素。

一、工程概況

某項(xiàng)目位于某市城區(qū)的一高層住宅小區(qū)，六度抗震設(shè)防。設(shè)計(jì)方案由5棟22層的塔式高層住宅樓組成，并規(guī)劃有2層地下車庫及設(shè)備用房，地上建筑面積有63000平方米，地下室建筑面積有20000平方米。該項(xiàng)目修建于山區(qū)巖石地基上，東面和西面建設(shè)有城市主要道路，北面和南面臨近城市大型住宅區(qū)。本工程地下室如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，對(duì)抗震性能、結(jié)構(gòu)安全、周邊建筑安全、建筑防水、工程造價(jià)會(huì)產(chǎn)生較大影響。

二、地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析

1合理確定地下室結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)

在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中，對(duì)地下室工程做出了如下規(guī)定：確保底部加強(qiáng)部位剪力墻、非底部加強(qiáng)部位的剪力墻，以及超出上部主樓范圍 且無上部結(jié)構(gòu)的部分，要求最低可抗三級(jí)地震；地下室頂層與上部結(jié)構(gòu)緊密相聯(lián)，起著嵌固作用，其框支框架最低可抵抗二級(jí)地震。

2選擇結(jié)構(gòu)嵌固端

影響高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的一個(gè)最大因素結(jié)構(gòu)嵌固端的確定。該高層建筑的特點(diǎn)是大底盤多塔樓，地下室頂層是本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，所以可以將其作為塔樓的嵌固端。由于大底盤的樓層平面剛度比塔樓的樓層剛度大很多，因此，為提高大底盤部分的側(cè)向剛度，從而使使轉(zhuǎn)換層上下側(cè)向剛度基本保持一致，需在轉(zhuǎn)換層以下設(shè)置較多的落地剪力墻。

3地下室結(jié)構(gòu)荷載

地下室結(jié)構(gòu)豎向荷載有上部各層傳來的重力荷載、地下室頂板面的覆土荷載、景觀植被荷載、消防車荷載、施工和使用過程中可能出現(xiàn)的載重車荷載；水平荷載有側(cè)向土壓力、地下水壓力、人防等效靜荷載。地下室側(cè)墻除承受側(cè)向土壓力、水壓力等水平荷載外，還承受上部結(jié)構(gòu)及各層地下室頂板傳來的豎向荷載。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定，消防車荷載取20kn/ m2，地下水位以下土的容重，可取11kn/ m2。

4地下室側(cè)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算

地下室側(cè)墻設(shè)有足夠數(shù)量的框支）架柱和扶壁柱，在側(cè)向土壓力和地下室頂板傳來的豎向荷載作用下，側(cè)墻板塊一般按雙向板計(jì)算配筋。扶壁柱按地下室整體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果配筋，并按側(cè)墻雙向板板塊傳遞的水平荷載作用驗(yàn)算配筋。通常情況，由于豎向荷載產(chǎn)生的截面應(yīng)力很小，為了計(jì)算方便，側(cè)墻墻板僅按平面外受彎計(jì)算配筋；當(dāng)豎向荷載很大時(shí)，也可分別按受彎和軸心受壓計(jì)算墻體配筋，然后將二者疊加。

5地基承載力計(jì)算

塔樓部分傳至基礎(chǔ)的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值和與其相連的裙房（或地下室車庫）處相差很大，一般情況下兩者的地基處理方式也不同。對(duì)于大底盤的地下室基礎(chǔ)應(yīng)分別驗(yàn)算地基承載力。

1）塔樓部分基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)，由于風(fēng)荷載等水平荷載作用邊角軸力較大，地基承載力應(yīng)適當(dāng)提高到1. 1 —1. 2倍。高層建筑物還應(yīng)分別計(jì)算“重力荷載與水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合”及“重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值與多遇水平地震標(biāo)準(zhǔn)值組合”下的基地零應(yīng)力區(qū)范圍，以滿足結(jié)構(gòu)整體傾覆穩(wěn)定。

2）上部無塔樓的地下室部分計(jì)算，不僅需要驗(yàn)算地基承載力，還應(yīng)該按照《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》的抗浮驗(yàn)算公式進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。

6地下室抗浮設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目修建于高坡地基上，地下室底板部分位于砂質(zhì)泥巖石土層上，部分位于新近回填土層上。位于新近夯填粘土層上層滯水地表滲水、管道滲水）產(chǎn)生浮力，地下室就會(huì)上浮，或?qū)⒌叵率业装骞傲眩訅簤牡?。因此，地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不能忽略抗浮問題。在地下水位較高的情況下，結(jié)構(gòu)自重和其上的永久荷載如地下室頂板覆土、建筑面層等）不足以抵抗地下水的浮力，這時(shí)，地下室整體抗浮不滿足設(shè)計(jì)要求，通常需要設(shè)置抗拔樁、抗拔錨桿滿足整體抗浮要求。地下室側(cè)墻和底板采用抗?jié)B混凝土，抗?jié)B等級(jí)按《地下工程防水技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)要求確定。地下室結(jié)構(gòu)抗浮驗(yàn)算必須根據(jù)巖土工程勘察單位提供的地下水浮力的設(shè)計(jì)水位進(jìn)行驗(yàn)算。當(dāng)抗浮水位較高，上部無塔樓的地下室部分抗浮驗(yàn)算不能滿足要求時(shí)。應(yīng)綜合比較經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件采取抗浮錨桿、抗拔樁和配重法來進(jìn)行整體抗浮。

7地下室基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

由于高坡地基的不均勻性，為確保建筑物不致發(fā)生不均勻沉降或傾斜，在選擇基礎(chǔ)型式時(shí)應(yīng)認(rèn)真分析建筑場地的地質(zhì)狀況、由上部結(jié)構(gòu)傳給基礎(chǔ)的荷載分布情況、抗震性能和施工條件。本工程選擇采用機(jī)械嵌巖灌注樁基礎(chǔ)，樁端持力層為中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，樁長有6～18m，樁嵌巖深度不小于3倍樁徑。深填方區(qū)灌注樁樁端采用后注漿技術(shù)，大幅度提高了樁基礎(chǔ)單樁承載力。

8地基變形

長寬尺寸很大且上部荷載差異懸殊的地下室整體設(shè)計(jì)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難題。如何控制因?yàn)榈叵率一炷潦湛s應(yīng)力和溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫是工程質(zhì)量保證的要求之一，工程中常用的措施有很多，通常采取綜合措施：主裙樓設(shè)置的沉降后澆帶、地下室的伸縮后澆帶、膨脹加強(qiáng)帶、混凝土中增加添加劑和抗裂纖維等。

施工階段通過提高施工質(zhì)量、加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)、做好保溫隔熱、減小混凝土的收縮和溫度變形等措施進(jìn)行裂縫控制。沉降后澆帶設(shè)置在上部荷載很大的塔樓周圈，其基礎(chǔ)沉降與周圍裙房和地下室的基礎(chǔ)沉降相差很大，因此，沉降后澆帶必須待主樓封頂，沉降觀測穩(wěn)定后才能封閉。一般情況下，筏板基礎(chǔ)沉降后澆帶可設(shè)置在塔樓與相鄰裙房的第一跨內(nèi)。伸縮后澆帶及膨脹加強(qiáng)帶，主要用于減少混凝土的收縮應(yīng)力，伸縮后澆帶一般在混凝土澆筑60 d后才可以封閉，而膨脹加強(qiáng)帶可以與主體結(jié)構(gòu)一起澆筑。對(duì)于超長地下室結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的伸縮后澆帶。

基礎(chǔ)不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生傾斜，建筑物總重心對(duì)基礎(chǔ)底面形心產(chǎn)生新的傾覆力矩，新的傾覆力矩增量增加基礎(chǔ)傾斜度。為減少基礎(chǔ)產(chǎn)生的傾斜，應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)豎向重心與基礎(chǔ)底面形心重合。實(shí)際工程中建筑物平面形狀復(fù)雜，應(yīng)按規(guī)范規(guī)定的偏心距進(jìn)行控制。另一個(gè)方面控制地下室基礎(chǔ)底面持力層綜合沉降量、提高地下室周邊回填土質(zhì)量，有利于確保地下室嵌固、抗震及抗傾覆。

9地下室混凝土裂縫控制方法

地下室一般會(huì)設(shè)置施工后澆帶和施工縫，而不設(shè)置變形縫，以滿足防水要求。后澆帶通常分為兩種，一種是沉降后澆帶，一種是收縮后澆帶。后澆帶寬度應(yīng)大于800mm，以確?？梢载炌ǖ叵率覀?cè)墻、頂板、以及底板，其間距是30到40米。先綁扎好后澆帶內(nèi)的所有鋼筋，并用微膨脹混凝土填充，在2個(gè)月后進(jìn)行澆灌最為合適。地下室混凝土使用抗?jié)B混凝土，裂縫寬度不宜超過0.2mm。

10地下室深基坑排水和支護(hù)施方案

按照場地平整挖填平衡施工方案要求，挖方土巖體采用壓路機(jī)械分層夯填至地下室基坑底面，基坑側(cè)壁采用自然放坡方式挖掘或分層夯填，放坡坡度對(duì)于巖層為1：0.75，土層為

1：1.2。當(dāng)基坑側(cè)壁為土層時(shí)，采用土釘墻進(jìn)行支護(hù)，以保護(hù)基坑周邊土體穩(wěn)定，確保施工安全?；咏邓捎妹鳒稀⒓臃ㄅ潘?，排水工作一直持續(xù)到基礎(chǔ)和地下室施工完成以及側(cè)

壁回填土完成。中途若停止降水，不僅影響正常施工，還可能因地下水浮力將地下室底板拱裂。

三、結(jié)束語

綜上所述，高層建筑地下室的特點(diǎn)是埋置深、荷載大，且需嚴(yán)格計(jì)算沉降。在設(shè)計(jì)過程中，要認(rèn)真分析計(jì)算高層建筑、地下室結(jié)構(gòu)、以及抗浮分析計(jì)算，在設(shè)計(jì)地下室結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)和基礎(chǔ)方案，以及基坑降水支護(hù)方案和混凝土裂縫控制方法時(shí)，必須確保其合理性，從而提高地下室結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全。