地下室擋土墻的設(shè)計(jì)

孔 鵬

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

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地下室擋土墻的設(shè)計(jì)

孔 鵬

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

理論分析了混凝土地下室外墻的防水措施，并采用結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施對(duì)兩種材料的連接作了進(jìn)一步加強(qiáng)處理，指出混凝土結(jié)構(gòu)的外墻計(jì)算要選擇合理的計(jì)算模型，且需要做詳細(xì)分析并加強(qiáng)重點(diǎn)受力部位的配筋。

砌體結(jié)構(gòu)，混凝土結(jié)構(gòu)，地下室外墻，防水措施

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們的生活水平也有了不斷地提高。由于土地資源的緊張促使目前建筑朝著超高和大深度方向不斷發(fā)展。地下建筑的開發(fā)和利用已經(jīng)給我們帶來生活上的便利和舒適的享受。地下建筑外擋墻的防水和安全問題既影響到建筑工程造價(jià)又關(guān)系到室內(nèi)的正常合理使用，故地下外墻的合理設(shè)計(jì)與防護(hù)顯得尤為重要。

1 高水位地區(qū)砌體建筑地下外墻的設(shè)計(jì)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，華北某市城區(qū)有大量的砌體結(jié)構(gòu)房屋地下室存在不同程度的滲水現(xiàn)象(20世紀(jì)80年代～90年代的舊有建筑更嚴(yán)重一些)，這造成許多地下室儲(chǔ)物間內(nèi)長期充水而不能有效利用。根據(jù)該市地形及地質(zhì)情況研究可知漏水的砌體建筑共同特點(diǎn)是地下水位相對(duì)較高及防水層嚴(yán)重失效。從結(jié)構(gòu)耐久性角度講，高水位地下建筑在防水層失效后在水壓作用下容易通過建筑磚縫的孔隙滲入建筑內(nèi)部，且在北方隨著季節(jié)性凍融的變化凍土層范圍內(nèi)的砌體更容易受到凍融影響，隨著時(shí)間的推移必將影響到結(jié)構(gòu)的耐久性。砌體地外墻同混凝土地外墻不同，由于散體材料的砂漿粘結(jié)及施工的不確定性，目前結(jié)構(gòu)本身并沒有特別有效的抗?jié)B措施，從GB 50108—2008條款內(nèi)容看，大部分條款均為介紹混凝土部分的防水與防漏措施。

從以上分析可知，從防護(hù)的角度講，這對(duì)建筑外防水層提出更高要求，尤其是其耐久性的要求。從結(jié)構(gòu)角度講，對(duì)最高水位超過基礎(chǔ)頂面的砌體結(jié)構(gòu)用混凝土地外墻并確定抗?jié)B等級(jí)也更加合理。

以砌體住宅為例，砌體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度大，地震作用下側(cè)向位移小，地下層結(jié)構(gòu)本身所承受的地震力小，且在僅局部地下外墻改為較薄厚度的混凝土墻的情況下，結(jié)構(gòu)地下層整體剛度增大較小，因此局部調(diào)整情況下對(duì)結(jié)構(gòu)抗震影響甚微，故抗震問題暫且不在這里討論。因砌體和混凝土材料的彈性模量的差別較大，加之砌體為散體材料，抵抗不均勻變形的能力比一般混凝土結(jié)構(gòu)差些，故豎向荷載下地下室交接處的變形協(xié)調(diào)是突出的問題，尤其在結(jié)構(gòu)兩種材料銜接部位。這個(gè)問題理論上可以通過調(diào)整地下室砌體材料和混凝土強(qiáng)度等級(jí)及混凝土墻截面尺寸來解決。

實(shí)際工程中，任何結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)材料相同的情況下同一樓層不可能每個(gè)豎向構(gòu)件的軸向應(yīng)力都相同(如框架結(jié)構(gòu)同層柱各柱的軸壓比)，均為各個(gè)部位大小不等的應(yīng)力分布，因此按理論分析工程總存在豎向構(gòu)件的豎向變形差，一般結(jié)構(gòu)會(huì)通過結(jié)構(gòu)樓層處構(gòu)件的面外變形以及地基沉降予以調(diào)節(jié)，但這個(gè)差值會(huì)隨樓層的增大而逐漸積累。另外從基礎(chǔ)規(guī)范5.3.4條可知砌體承重結(jié)構(gòu)的局部傾斜為0.2%～0.3%，這里是對(duì)地基變形條件下的結(jié)構(gòu)變形控制并且未考慮砌體結(jié)構(gòu)的豎向壓縮變形。假如該變形是砌體房屋內(nèi)橫墻的兩端沉降差，則對(duì)于一般建筑外墻橫向尺寸假設(shè)為15 m(如住宅的單元分戶隔墻，且一般無洞口)的砌體房屋來說，該墻兩端點(diǎn)間的豎向變形為30 mm～45 mm,這也從側(cè)面說明砌體結(jié)構(gòu)本身具有一定的豎向不均勻變形的調(diào)節(jié)能力。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度講，該處所說的混凝土墻和砌體墻變形不協(xié)調(diào)問題可通過以下結(jié)構(gòu)措施在結(jié)構(gòu)內(nèi)部予以消除。具體原因可說明如下：其一，既然兩種材料彈性模量差別大，那就可以通過改變上下兩種材料的截面尺寸來調(diào)整，讓模量小的材料截面尺寸盡量大些，而模量大的材料截面尺寸盡量小些，在地下室部分建筑橫墻截面加大(對(duì)于住宅樓一般由240 mm變?yōu)?90 mm)。兩種材料豎向交界面處通過類似“牛腿”構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)豎向傳力的順暢，在有混凝土樓板的情況下，這種方案對(duì)結(jié)構(gòu)整體分析不會(huì)產(chǎn)生大的影響。其二，由于砌體結(jié)構(gòu)的豎向承重墻普遍較多，結(jié)構(gòu)縱橫向通過砌體咬合連接，這樣實(shí)現(xiàn)了較大的結(jié)構(gòu)空間剛度(遠(yuǎn)大于框架結(jié)構(gòu)的梁柱連接剛度)，故在荷載向下傳遞的過程中砌體結(jié)構(gòu)的空間內(nèi)力重分布效應(yīng)更大，這有利于不同剛度構(gòu)件間變形的協(xié)調(diào)，剛度大的部分荷載自然會(huì)承擔(dān)多一些。這種有利作用因?yàn)槠鲶w材料的離散性較大的本性而不易在目前的空間結(jié)構(gòu)軟件中實(shí)現(xiàn)，但確實(shí)是客觀存在的，設(shè)計(jì)時(shí)需要合理把握。其三，以上分析的基礎(chǔ)上再增加一些結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施來進(jìn)一步減少不同剛度材料的豎向變形差異，這對(duì)于結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的措施?？梢栽诨炷镣鈮推鲶w連接部位設(shè)置高度適當(dāng)大一些的圈梁并配合設(shè)置離外墻尺寸較近的橫墻(即支撐墻)內(nèi)構(gòu)造柱以盡量改善該部分砌體抵抗不均變形的能力。另外地下砌體部分墻體中部可以多設(shè)幾道素混凝土帶以達(dá)到置換墻體的目的，這樣會(huì)進(jìn)一步改善墻體抗變形能力并且提高墻體總體的豎向變形模量(如圖1，圖2所示)。第四，如果當(dāng)?shù)貤l件允許，還可以盡量選用彈性模量大的砌塊和砂漿組合來加大地下部分的砌體的彈性模量，這樣可以從根本上解決兩種材料變形差異的問題。由以上可知，鋼筋混凝土外墻配合建筑柔性防水層基本上可以從理論上解決高水位地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的地下室防水問題。從上述分析看，該方法在實(shí)際操作中亦具有可行性。

2 混凝土建筑地下外墻的設(shè)計(jì)

目前大部分民用建筑的地下室外墻普遍采用簡化的計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)際工程中，混凝土擋土墻的設(shè)計(jì)應(yīng)該向稍微精細(xì)化的方向邁進(jìn)。

在工程土壓確定的情況下，合理確定結(jié)構(gòu)的周邊支承是非常重要的。一般情況下，擋墻較厚而樓板較薄，擋墻頂部樓板對(duì)其面外的轉(zhuǎn)動(dòng)約束較弱，通常取鉸接設(shè)計(jì)擋土墻；但是在有人防工況或者樓板較厚時(shí)，樓板與擋墻厚度比較接近時(shí)兩者面外剛度相差不懸殊，可以適當(dāng)考慮樓板對(duì)擋墻的約束作用。這時(shí)擋墻和頂部樓板連接的鋼筋構(gòu)造宜按固接處理。這樣可以降低擋墻中部的面外彎矩，并且在擋墻越靠近頂部土壓會(huì)線性減少的情況下，這樣簡化更有利于減小擋墻厚度并因受力的合理性而降低結(jié)構(gòu)含鋼量。

目前，有人員活動(dòng)的地下建筑出于對(duì)建筑功能的考慮普遍要求地下室要采光及加強(qiáng)通風(fēng)，這樣就需設(shè)置窗井墻。地下室窗井墻要配合建筑專業(yè)要求盡可能合理確定窗井墻的縱向分段長度，適當(dāng)設(shè)置橫隔可以有效減小墻厚并合理確定配筋。窗井墻設(shè)計(jì)時(shí)一般情況下自重可以忽略不計(jì)，這樣就簡化成面外受力的純彎構(gòu)件。曾經(jīng)遇到高層住宅兩層地下室，約10 m高的窗井墻沿建筑外墻通長設(shè)置。原設(shè)計(jì)按照純懸臂計(jì)算擋墻配筋造成墻厚過大并造成配筋的極大浪費(fèi)，并且結(jié)構(gòu)配筋方案并不合理。對(duì)于多層超深地下室這種方案更不合理。在這種情況下，將內(nèi)外墻交接處混凝土墻延伸至窗井墻以形成有效面外支承，在采用有限元軟件合理模擬邊界條件的情況下計(jì)算并根據(jù)擋墻受力狀態(tài)分區(qū)配置鋼筋才是更加合理的方案。從圖3，圖4可知，擋墻內(nèi)側(cè)的配筋有可能起控制作用，而懸臂板配筋計(jì)算模式下，墻內(nèi)側(cè)只受壓，根本不可能出現(xiàn)受拉區(qū)。由以上可知擋土墻計(jì)算模式的假定不可以過于隨意，這樣容易造成安全隱患。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力詳細(xì)分析，選擇出符合結(jié)構(gòu)受力的模型才是最合理的。通常情況下，應(yīng)力分布圖決定了結(jié)構(gòu)配筋可采用分區(qū)域配置，一般擋墻截面尺寸不大，可以采用雙層雙向配置最小配筋率(若同時(shí)為抗震墻時(shí)需在結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算滿足的前提下)局部再補(bǔ)充附加鋼筋的方案，對(duì)重點(diǎn)受力部位局部加強(qiáng)處理。這不僅可以節(jié)省鋼筋用量且受力合理，還有利于防止高水位地區(qū)的外墻裂縫的開展。

對(duì)于高層框架結(jié)構(gòu)或剪力墻結(jié)構(gòu)的混凝土地外墻因其上部荷載較大，故設(shè)計(jì)時(shí)宜考慮墻體軸向應(yīng)力的影響。墻體作為壓彎構(gòu)件，其軸向應(yīng)力有利于減小混凝土裂縫的開展。對(duì)于框剪結(jié)構(gòu)或框架結(jié)構(gòu)因地外墻的應(yīng)力從框柱與混凝土墻交接部位才開始向下擴(kuò)散，這樣混凝土地外墻的開間尺寸及墻體凈高成為確定墻體軸向應(yīng)力的關(guān)鍵因素，因地外墻在豎向有非常大的豎向剛度且整體性好，故在墻體開間和凈高之比接近時(shí)可以適當(dāng)考慮框柱軸向應(yīng)力的平均分布，其他情況可暫不考慮此有利因素。為進(jìn)一步增加結(jié)構(gòu)的安全度，分布應(yīng)力需適度折減，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況合理把握。

3 結(jié)語

1)高水位區(qū)常規(guī)砌體結(jié)構(gòu)地下室外墻可采用較薄尺寸的混凝土外擋墻解決結(jié)構(gòu)自防水問題。

2)混凝土建筑地下室外墻的設(shè)計(jì)應(yīng)采用精細(xì)化設(shè)計(jì)，對(duì)于大寬度及大深度的地下室擋墻應(yīng)選取合適的結(jié)構(gòu)方案。擋墻采用分區(qū)域配筋的方案更加合理且重點(diǎn)部位應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

3)對(duì)于高層剪力墻、框架剪力墻結(jié)構(gòu)的混凝土外墻，當(dāng)開間與凈高尺寸接近時(shí)可以適當(dāng)考慮墻體上部的軸向應(yīng)力影響按壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)。

[1] GB 50108—2008，地下工程防水技術(shù)規(guī)范[S].

[2] GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 朱丙寅，婁 宇，楊 琦.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法及實(shí)例分析[M].第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

The design of the retaining wall in the basement

Kong Peng

(ShanxiArchitecturalDesignResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

For masonry structure with concrete retaining wall in the basement waterproofing measures are analyzed in theory and adopts the structure measures to further strengthen the connection of two kinds of material do processing, reasonable calculation model of retaining wall of concrete structure in the basement needs to be done a detailed analysis and strengthen the reinforcement of the key mechanical parts is necessary.

masonry structure, concrete structure, retaining wall in the basement, waterproofing measures

1009-6825(2016)31-0051-02

2016-08-20

孔 鵬(1983- )，男，工程師

TU476.4

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