坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題及設(shè)計要點

（廣東順建規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510335）

1 坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要問題以及設(shè)計方法

1.1 設(shè)計建模問題及其設(shè)計方法

（1）通過YJK 結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件建模，需遵循逐層設(shè)置支座的原則，實際操作環(huán)節(jié)較多、工作量較大，在層數(shù)較高的坡地建筑中缺乏可行性，即便在小型坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中也需要耗費大量時間。

（2）YJK 建模樓層組裝過程中，與基礎(chǔ)相連構(gòu)件的最大底標高填寫與基礎(chǔ)相連的最大底標高，即對應(yīng)的是開始掉層的柱頂，在此工作機制下軟件會自動識別支座，操作相對便捷。

上述提到的兩種建模方法均需在相應(yīng)樓層根據(jù)土推力的支座反力輸入等效水平推力，使軟件自動計算各工況作用下的抗傾覆穩(wěn)定性。雖然上述兩種計算方法現(xiàn)階段的坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中都得到廣泛應(yīng)用，但由于坡地建筑抗震資料不足以及設(shè)計人員坡地建筑項目經(jīng)驗不足，導(dǎo)致施工過程中出現(xiàn)失控的現(xiàn)象，建筑施工要素難以得到把控，過于呆板地依據(jù)經(jīng)驗開展設(shè)計工作，缺乏對實際情況的分析，所得方案與實際需求不匹配。此時，設(shè)計人員需要提高綜合水平，廣泛收集抗震設(shè)計相關(guān)資料，兼顧多方面因素系統(tǒng)性地做好結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，保證各項設(shè)計內(nèi)容都滿足要求。

1.2 基礎(chǔ)設(shè)計問題及其設(shè)計方法

坡地建筑常用基礎(chǔ)形式有筏板基礎(chǔ)、復(fù)合地基基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)[1]。

筏板基礎(chǔ)、復(fù)合地基基礎(chǔ)是風(fēng)化巖土層或基巖出露面較淺的坡地建筑常用的基礎(chǔ)形式，關(guān)鍵在于盡量保證基底持力層一致，基底標高盡量處于同一水平面及不存在臨空面。當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)附近有臨空面時，應(yīng)驗算向臨空面的傾覆和滑移穩(wěn)定性。存在不穩(wěn)定的臨空面時，應(yīng)將基礎(chǔ)加埋深加大至下伏穩(wěn)定巖體，并滿足抗傾覆和抗滑移要求。同一基礎(chǔ)的地基可以根據(jù)坡地地形或臺地要求放階處理，但應(yīng)滿足抗傾覆和抗滑移要求。因坡地多為地層起伏且基巖上部可壓縮層厚度不均，筏板基礎(chǔ)、復(fù)合地基基礎(chǔ)較難控制建筑物的最大沉降量和整體傾斜量，此時宜設(shè)置200～300mm 的褥墊層作為調(diào)節(jié)上述不利因素的措施，或加大埋深，使同一基礎(chǔ)處于相同穩(wěn)定的地基持力層。筏板基礎(chǔ)或復(fù)合地基基礎(chǔ)能提高坡地建筑抗滑移安全系數(shù)，建議根據(jù)地質(zhì)情況優(yōu)先采用或與樁基礎(chǔ)組合使用。

樁基礎(chǔ)關(guān)鍵在于做平樁底，盡量保證樁底處于同一水平面標高及同一巖層，樁端應(yīng)進入潛在滑動面以下穩(wěn)定巖土層內(nèi)，并對樁進行整體穩(wěn)定性驗算及水平承載力驗算。坡地樁基礎(chǔ)易形成露樁，即因坡地地形差異，部分樁出露基巖外，部分樁則埋于基巖內(nèi)。基巖外的樁主要采取短柱樁的形式，難以獲得側(cè)向基巖的約束，為獲得足夠的基巖約束需增加柱樁的設(shè)計長度，因此會出現(xiàn)與實際模型不匹配的情況并增加施工難度。有研究表明，對于地震高發(fā)區(qū)而言，在坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，露樁設(shè)計的方式會導(dǎo)致外露地面處的樁身缺乏穩(wěn)定性，表現(xiàn)出受損、變形等問題，并作用于建筑整體。綜上，需要注重樁基礎(chǔ)設(shè)計要求，采取合適的措施以維持基巖外樁的穩(wěn)定性，確保其與實際模型保持一致，且在條件允許的情況下盡可能避免短柱樁的形式。

1.3 坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏針對性

常規(guī)設(shè)計方式在坡地建筑中存在可行性不足的情況，缺乏對各項特殊施工內(nèi)容的針對性分析，僅停留在“虛模型”的層面。若采用常規(guī)設(shè)計方式無法提供準確的加強量度，同時坡地建筑結(jié)構(gòu)的受力也將處于異常狀態(tài)，影響到建筑整體的穩(wěn)定性。

部分坡地建筑工程中，豎向構(gòu)件均采取相同的標高控制標準，此時計算模型變得更加精簡，但存在較明顯的偏差，不符合實際要求。豎向構(gòu)件采取相同的標高時，則要分別計算不等高嵌固后的模型，確定各高度所對應(yīng)的豎向構(gòu)件的具體設(shè)置方式，使其能夠下落至一層掉層的底標高上，再分別展開計算與對比分析。此方法的優(yōu)勢在于便捷性較高，但缺乏可靠性，即在實際使用中存在諸多不適用之處。對此，坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須富有針對性，不可完全依賴常規(guī)方法展開設(shè)計工作，要以實際情況為立足點，兼顧地形、地質(zhì)等因素對建筑結(jié)構(gòu)所造成的影響，將其作為坡度建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點考慮對象，采取正確的設(shè)計方法，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的可行性。

1.4 坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計抗滑移與抗傾覆的驗算問題

坡地建筑常見一面為高填土區(qū)，一面為臨空面，使建筑物承受較大的水平推力。設(shè)計階段必須準確計算建筑物的抗滑移及抗傾覆穩(wěn)定性，確保建筑物的安全，可在方案階段根據(jù)地形坡度設(shè)置獨立重力式擋土墻及階梯型半地下室，形成“類卸荷平臺”作用，可減少土推力對建筑物的影響。在設(shè)計過程中，除常規(guī)驗算土推力對建筑物的整體穩(wěn)定性的驗算外，對于高層及超限高層建筑還需進行大震作用下的基底剪力與地震工況下的土推力的合力對建筑物整體穩(wěn)定性的驗算，風(fēng)荷載工況作用下的基底剪力與土推力的合力對建筑物整體穩(wěn)定性的驗算。

2 工程實例

某3 層底商高層住宅樓建于坡地上，0.000 以上共設(shè)置16 層、0.000 以下共設(shè)置4 層，總高度64m，北面路面絕對標高36.50，南面路面絕對標高22.00，采取階梯型半地下室建筑布置，北面為純地下室及裙房，南面為塔樓，純地下室底板面絕對標高23.70，塔樓底板面絕對標高20.20，高差3.5m。建筑采用框架-剪力墻的結(jié)構(gòu)形式。基本期風(fēng)壓W0=0.50kN/m2，地面粗糙程度B 類，體形系數(shù)1.4，根據(jù)規(guī)范，風(fēng)荷載承載力設(shè)計取基本風(fēng)壓的1.1 倍采用，抗震設(shè)防烈度7 度，基本地震加速度0.1g，設(shè)計地震分組第一組，建筑場地類別Ⅱ類，因裙房底層框架部分承受的地震傾覆力矩＜結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的10%，按剪力墻結(jié)構(gòu)進行設(shè)計、綜合考慮，框架及剪力墻抗震等級均為三級。

3 地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 基礎(chǔ)設(shè)計圖

本工程塔樓采用CFG 樁復(fù)合地基筏板基礎(chǔ)，純地下室部分（裙樓部分）采用鉆孔灌注樁及筏板基礎(chǔ)。復(fù)合地基設(shè)計褥墊層下方樁間土為粉質(zhì)粘性土，fak=200kPa，CFG 樁樁徑均為500mm，樁體采用C25 混凝土，有效樁長＞6m，樁端持力層為全風(fēng)化粉砂巖，樁端進入持力層＞5.0m，單樁承載力特征值要求Ra≥550kN，復(fù)合地基承載力特征值fspk≥350kPa，筏板高差變化處需60°放坡形成剛性角。鉆孔灌注樁樁徑800mm，樁端持力層為中風(fēng)化粉砂巖，單樁承載力Ra=3700kN，Rh=550kN，樁長約20h，需結(jié)合現(xiàn)場實際地質(zhì)情況及超前鉆情況確定入巖深度，樁端進入潛在滑動面以下穩(wěn)定巖土層內(nèi)。

3.2 掉層部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）控制好各樁底標高，使其達到相齊平的狀態(tài)。

（2）樁體澆筑過程中嚴格控制好樁頂標高，各樁結(jié)構(gòu)采取相同的控制標準，再預(yù)留豎向構(gòu)件插筋。

（3）加強對掉層豎向構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施，通過板式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與坡上基礎(chǔ)的穩(wěn)定連接，構(gòu)成穩(wěn)定性較好的整體結(jié)構(gòu)。

（4）相應(yīng)樓層根據(jù)土推力的支座反力輸入等效水平推力。采取上述所提的方法完成處理工作后，僅通過常規(guī)方法即可建模并計算。

3.3 抗滑移與抗傾覆的驗算

經(jīng)模型計算，建筑物上部恒荷載標準值Gd=280626kN，活荷載標準值Gl=18173kN，塔樓筏板自重標準值G_FB=29625kN，純地下室（裙房）底板自重標準值G_DB=16262kN，樁豎向承載力總標準值Nk=54990kN，樁水平承載力總標準值Nk_h=30800kN，大震作用下的基底剪力V_Ehk=39115kN，風(fēng)荷載作用下基底剪力V_wk=3968kN，土壓力合力（含水）Ea=39342kN，地震工況下的土壓力合力（含水）Ea_S=52885kN。

塔樓筏板基礎(chǔ)底板為250 厚級配砂石褥墊層，密實狀態(tài)，內(nèi)摩擦角35°,摩擦系數(shù)u=0.35。經(jīng)模型計算及結(jié)果，風(fēng)荷載作用下及大震作用下，建筑物抗傾覆穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）抗滑移驗算如下：

（1）風(fēng)荷載作用下：Fr_W=98213kN，F(xiàn)_W=43310kN，F(xiàn)s=2.26＞1.3，滿足規(guī)范要求；

（2）大震作用下：Fr_S=98213kN，F(xiàn)_S=92000kN，F(xiàn)s=1.06＜1.1，不滿足規(guī)范要求。需增加考慮樁的水平承載力，F(xiàn)r_S=98213+30800=129013kN，F(xiàn)_S=92000kN，F(xiàn)s=1.40＞1.1，滿足規(guī)范要求。

以上計算均未考慮筏板（底板、承臺）側(cè)面土的被動土壓力對抗滑移計算的貢獻，作為安全儲備考慮。

4 結(jié)束語

土地資源有限，社會經(jīng)濟的發(fā)展導(dǎo)致土地資源緊缺的局面愈發(fā)明顯。在此背景下坡地建筑成為重要突破口，其建設(shè)規(guī)模隨之?dāng)U大，但地形、地質(zhì)條件錯綜復(fù)雜，必須做好坡地建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作，使建筑各部分維持穩(wěn)定，構(gòu)成完整的整體結(jié)構(gòu)，保證建筑物的安全可靠。