坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題與處理對策

王佳煒

（貴州省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴州貴陽 550081）

0 引言

根據(jù)《貴州省第三次全國國土調(diào)查主要數(shù)據(jù)公報》，全省61.01%的土地坡度在25 度以上，6 度及以下相對平緩?fù)恋貎H占6.10%，超過70%的建設(shè)用地處于6度以上的坡地上[1]；山高坡陡、地形破碎、土地利用情況復(fù)雜是貴州省自然資源的本底現(xiàn)狀。因此在貴州地區(qū)要利用好寶貴的建設(shè)用地資源，在高差較大、地形復(fù)雜的坡地修建建筑物，應(yīng)結(jié)合坡地建筑的特殊性，把結(jié)構(gòu)設(shè)計真正地做到安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工。為此本文結(jié)合實際案例對此進(jìn)行分析和討論，希望能為坡地建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面引起大家的共鳴。

1 坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題

貴州省大部分地區(qū)山林環(huán)繞、地勢起伏，坡地建筑成為這些地區(qū)的建筑特色。雖然坡地建筑日益見多，但是坡地建筑結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計有所不同，若用常規(guī)的設(shè)計方法來進(jìn)行坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，必然會忽略考慮場地的特殊性。因此，本文依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范，從對坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中遇到的關(guān)鍵問題及處理對策展開討論，為類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一些參考經(jīng)驗。

1.1 場地的自身的穩(wěn)定

由于坡地建筑建設(shè)場地相對特殊，所以設(shè)計之初首先要考慮場地的整體穩(wěn)定性，其次還要考慮建筑物自身的穩(wěn)定性。特別是坡地建筑中修建大量的建筑物，形成建筑集群。大規(guī)模的建設(shè)已經(jīng)完全改變了坡地的原貌，一方面是結(jié)合場地總圖布置，需要將坡地形成相應(yīng)的臺地，對坡地的原始狀態(tài)發(fā)生了較大的擾動；另一方面是由于擬建建筑物的存在，對每一個臺地增加的新的荷載，改變了原始地貌的受力狀態(tài)。對此考慮場地自身的穩(wěn)定是坡地建筑首要考慮的關(guān)鍵問題。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度來說，保證結(jié)構(gòu)安全合理是首要任務(wù)。不過針對大規(guī)模的坡地建筑群來說，首先要從場地條件、方案設(shè)計開始入手，既然從源頭入手那涉及的因素就繁雜得多，過程中應(yīng)充分地與地災(zāi)評估單位、勘察單位、總圖設(shè)計、支擋設(shè)計等相應(yīng)的團(tuán)隊做好充分的溝通和協(xié)調(diào)，分清各自的工作界面，有助于落實保證場地自身穩(wěn)定性的各項手段是否在該項目中得以充分考慮。

1.2 坡地建筑與場地條件的相對關(guān)系

針對坡地建筑從單體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度來說，前期應(yīng)該及時介入建筑方案，為建筑總圖在布局上，從初步勘察報告、從結(jié)構(gòu)概念、從建設(shè)可實施性方面，提出相應(yīng)的建議，避免后期出現(xiàn)不合理或者需要付出較大經(jīng)濟(jì)代價才能實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)方案。從方案前期或總圖設(shè)計階段重點解決好與場地條件關(guān)系比較密切的幾個問題，有助于實現(xiàn)“安全適用、經(jīng)濟(jì)合理”的目標(biāo)。

（1）在方案階段，盡量考慮采用邊坡支護(hù)解決場地高差，避免采用單體建筑直接擋土，減少場地對單體建筑的不利影響；根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中：在山（坡）地建筑中出現(xiàn)地下室各邊填埋深度差異較大時，宜單獨設(shè)置支檔結(jié)構(gòu)[2]。即在建筑的迎坡面設(shè)置永久的支檔結(jié)構(gòu)，完全與主體結(jié)構(gòu)脫開[3]，用邊坡支擋解決臺地穩(wěn)定，單體結(jié)構(gòu)保證自身的穩(wěn)定，兩者受力明確，傳力簡單清晰，主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與常規(guī)的平地建筑無區(qū)別，同時場地排水方案合理，建筑的防水防潮性能較好，但是這種設(shè)計方案造價較高。同時由于邊坡支護(hù)自身設(shè)計的需要，應(yīng)與主體建筑避開一段距離，對建筑的總體布置有一定的影響。

（2）總圖設(shè)計階段盡量做到挖填平衡，避免大挖大填，適當(dāng)?shù)臅r候為了避免大面積的回填，減少回填對場地穩(wěn)定性帶來的不利影響，可以結(jié)合地形設(shè)置一些帶有架空層的單體，因地制宜采用掉層結(jié)構(gòu)、吊腳結(jié)構(gòu)等形式。由于山地建筑修建于坡地上，建筑布置應(yīng)充分考慮山地的地形地貌特點和道路規(guī)劃情況。因此山地建筑應(yīng)結(jié)合山地地形、巖土邊坡條件和建筑功能等因素布置。充分利用地形、地貌，平面和場地豎向高程設(shè)計應(yīng)考慮山地斜坡的走向和坡角，依山就勢，采用合理的山地建筑結(jié)構(gòu)形式，不應(yīng)對原地貌進(jìn)行大開挖和深填方[4]。這種情況下，在修建架空層時當(dāng)挖形成具有不同嵌固面的掉層結(jié)構(gòu)，可根據(jù)巖土邊坡高度及穩(wěn)定性情況確定分階數(shù)量。由于山地建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則程度大，建筑布置方案階段應(yīng)與結(jié)構(gòu)專業(yè)加強(qiáng)配合，應(yīng)重視結(jié)構(gòu)布置和邊坡支護(hù)的合理性，圖1 為幾種常見的掉層結(jié)構(gòu)、吊腳結(jié)構(gòu)。

圖1 幾種常見的掉層結(jié)構(gòu)、吊腳結(jié)構(gòu)

1.3 坡地建筑單體結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮的重要問題

山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)保證基礎(chǔ)嵌固條件的有效性，用作結(jié)構(gòu)嵌固的邊坡應(yīng)達(dá)到罕遇地震作用下不破壞的性能要求。山地建筑結(jié)構(gòu)計算時往往假定各接地端為嵌固，因此，需采取措施確?；A(chǔ)嵌固條件的有效性。設(shè)計時，基礎(chǔ)宜置于穩(wěn)定的巖土層中，避開滑塌區(qū)域。為此，在坡地建筑中特別強(qiáng)調(diào)應(yīng)補(bǔ)充遇地震作用下的分析[5]，罕遇地震作用下薄弱層或薄弱部位彈塑性變形計算，可采用靜力彈塑性分析方法或彈塑性時程分析法等。當(dāng)結(jié)構(gòu)高度較高時，宜采用彈塑性時程分析法。

2 與協(xié)作單位配合中的技術(shù)要點

2.1 與勘察單位的配合要點

從《勘察報告》中應(yīng)重點關(guān)注的內(nèi)容：一是關(guān)注場地穩(wěn)定性方面的內(nèi)容，充分了解場地的情況；二是關(guān)注地基基礎(chǔ)方案分析方面的內(nèi)容，以便后續(xù)考慮單棟建筑的基礎(chǔ)設(shè)計[6]。因此在坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計之初，重點關(guān)注《勘察報告》中的技術(shù)要點包含以下幾點：在建設(shè)場地內(nèi)在自然條件下應(yīng)無危巖崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等不良地質(zhì)現(xiàn)象，有無斷層、破碎帶；場地周邊有無穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足要求的邊坡；巖溶、土洞的發(fā)育程度；工程建設(shè)誘發(fā)危巖崩塌、滑坡、泥石流、巖溶塌陷、滾石、落石等不良地質(zhì)現(xiàn)象的可能性；地表及地下水（含洪水）對建筑地基、建設(shè)場地和結(jié)構(gòu)的影響；建筑地基的不均勻性等。同時坡地建筑結(jié)構(gòu)常形成邊坡，由于提供給設(shè)計的勘察結(jié)果常與實際地質(zhì)水文條件不相符，故應(yīng)根據(jù)邊坡的檢測結(jié)果對山地建筑結(jié)構(gòu)及邊坡進(jìn)行動態(tài)設(shè)計，當(dāng)實際情況與原設(shè)計不相符，或邊坡發(fā)生非正常變形時，應(yīng)對設(shè)計做校核、修改和補(bǔ)充。

2.2 與邊坡支擋設(shè)計單位的配合要點

與平地普通結(jié)構(gòu)相比，山地建筑結(jié)構(gòu)顯著的特點是其安全性受邊坡的影響[7]，一般情況下，同一建筑場地，地形通常存在較大的高差，巖土工程特性可能存在差異，不良地質(zhì)現(xiàn)象較為普遍，地表水和地下水的影響顯著，結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)相互影響明顯，不同的建筑接地（坡）形式其影響程度不同，地基設(shè)計時應(yīng)考慮這些不利因素，重點考慮邊坡自身的穩(wěn)定性及動力穩(wěn)定性。往往整個工程的設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計和邊坡支擋設(shè)計，大多數(shù)情況下是兩個不同的設(shè)計團(tuán)隊共同完成，因此兩個團(tuán)隊之間的配合就尤為重要。對邊坡應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性評價和邊坡支護(hù)設(shè)計，邊坡必須達(dá)到穩(wěn)定且嚴(yán)格控制變形，支護(hù)設(shè)計時需考慮罕遇地震作用下邊坡動土壓力對支擋結(jié)構(gòu)的影響，要求達(dá)到罕遇地震作用下邊坡結(jié)構(gòu)不破壞的性能要求。對此，結(jié)構(gòu)設(shè)計團(tuán)隊設(shè)計工作推進(jìn)過程中，應(yīng)及時為邊坡支擋設(shè)計單位提供單體在罕遇地震下的基礎(chǔ)反力，以便其在邊坡支擋設(shè)計的過程中充分考慮建筑物加載后場地的整體穩(wěn)定性。

3 工程實例

3.1 工程概況

本工程為某典型坡地建筑群，每棟單體結(jié)構(gòu)類型為框架結(jié)構(gòu)，建筑單體約8000m2。建筑單體均為多層建筑，高度均未超過24m。本工程設(shè)計基準(zhǔn)期為50 年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級?；撅L(fēng)壓是Wo=0.30kN/m2，地面粗糙程度為B 類，該建筑物的體形系數(shù)為1.4，但是由于該建筑工程位置在坡地，因此還需要考慮罕遇地震下分析。本工程抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，場地類別Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第一組特征周期為0.35s，建筑的結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，水平地震的影響系數(shù)的最大值為0.04。

3.2 勘察資料的情況

結(jié)合本工程《勘察報告》擬建場區(qū)自然斜坡坡度為10°～15°，本場區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)不良的地質(zhì)作用，未發(fā)現(xiàn)明顯的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，場地內(nèi)現(xiàn)狀穩(wěn)定，該工程適宜在此進(jìn)行建設(shè)。擬建場區(qū)位于斜坡地帶，上部擬建建筑物修建加載后斜坡會整體沿層面順層滑動滑動破壞，必須對斜坡進(jìn)行支護(hù)處理確保擬建建筑物修建加載后斜坡整體穩(wěn)定。

該工程基礎(chǔ)持力層是以中風(fēng)化白云巖作為其基礎(chǔ)持力層，該中風(fēng)化白云巖frk=35.8MPa，承載力特征值fa=3500kPa。巖石結(jié)構(gòu)面（層面）內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值φ=40°，粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值C=350kPa。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，結(jié)合實際設(shè)計情況，該工程的基礎(chǔ)選型如下：框架柱釆用樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)釆用機(jī)械旋挖樁，擬建建筑物基礎(chǔ)采用下伏中風(fēng)化基巖為地基持力層，基礎(chǔ)形式為端承樁，考慮1.0m 嵌巖深度。同時還要考慮斜坡對基礎(chǔ)嵌巖深度的影響，應(yīng)從斜坡與樁基礎(chǔ)相交的下緣計算嵌巖深度。

3.3 邊坡支擋考慮情況

根據(jù)各擬建子項目設(shè)計的標(biāo)高，結(jié)合場地地形環(huán)境，按設(shè)計標(biāo)高開挖將在各擬建子項目及道路兩側(cè)形成高度不同的永久性挖填方邊坡，填方邊坡的填土材料為周邊建設(shè)產(chǎn)生的含粘土碎石、含粘土塊石組成；挖方邊坡為含粘土碎石、含粘土塊石及中風(fēng)化灰?guī)r組成，若邊坡開挖堆填暴露時間過長，受大氣降水、地表水及基礎(chǔ)施工等因素影響，不支護(hù)將失穩(wěn)，發(fā)生圓弧滑動破壞。在邊坡頂部、底部為道路及規(guī)劃建設(shè)建（構(gòu)）筑物，且道路、規(guī)劃建設(shè)建（構(gòu)）筑物距離邊坡較近，應(yīng)對邊坡采取可靠的安全措施，避免可能會出現(xiàn)邊坡滑移、滑塌等現(xiàn)象，將危及擬建建筑物及道路的正常使用功能，必須及時采取可靠的支護(hù)處理。

因此，在邊坡支擋設(shè)計的過程中，需要結(jié)合總圖設(shè)計將場地治理為若干個穩(wěn)定的臺地，對邊坡應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性評價和邊坡支護(hù)設(shè)計要求較高，邊坡必須達(dá)到穩(wěn)定且嚴(yán)格控制變形，支護(hù)設(shè)計時需考慮罕遇地震作用下邊坡動土壓力對支擋結(jié)構(gòu)的影響，必須達(dá)到罕遇地震作用下邊坡結(jié)構(gòu)不破壞的性能要求。圖2 為典型的場地剖面，需要通過相應(yīng)的支擋形式，實現(xiàn)局部臺地和整體場地的穩(wěn)定。

圖2 場地剖面

4 結(jié)語

基于坡地建筑的特殊性，要把結(jié)構(gòu)設(shè)計切實地做到安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工。與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，坡地建筑應(yīng)重點從勘察報告、邊坡支擋設(shè)計、總圖設(shè)計等方面把握好場地穩(wěn)定性。通過勘察報告掌握場地的基本情況，通過邊坡支擋實現(xiàn)場地穩(wěn)定的治理，通過總圖設(shè)計確保布局合理，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計保證單體建筑安全可靠，最終才能實現(xiàn)坡地建筑的設(shè)計目標(biāo)。