某邊坡建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計思路分析

梁大偉

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西太原 030001)

1 工程概況

某建筑場地位于山西北部濕陷性黃土地區(qū)，屬于黃土臺地，建筑場地高差較大，邊坡上下高差達到12 m左右，邊坡現(xiàn)狀接近直立，邊坡上、下各為一條規(guī)劃道路。邊坡上邊沿至規(guī)劃道路距離為4 m，邊坡下邊沿至規(guī)劃道路距離為20 m。

場地現(xiàn)狀見圖1。

考慮其地理位置優(yōu)越性和其商業(yè)價值，建設(shè)單位考慮在邊坡下邊沿至規(guī)劃道路之間，建設(shè)一幢商業(yè)住宅樓，并且1層～4層商業(yè)區(qū)在上、下兩條規(guī)劃路上南向、北向均設(shè)置出入口。規(guī)劃商住樓地下1層，地上8層，地上1層～4層為商業(yè)，5層～8層為公寓式住宅，整個建筑規(guī)劃長140余米，寬12 m，總高32 m。建筑剖面圖見圖2。

圖1 建筑場地現(xiàn)狀圖

圖2 建筑剖面圖

2 總體設(shè)計思路

經(jīng)建設(shè)單位委托后，結(jié)合建筑功能、場地特點等分析考慮，該建筑主要難點在于邊坡支護工程和主體結(jié)構(gòu)工程的處理方法。

考慮到的處理方法有兩種，辦法一是先進行邊坡治理，邊坡支護治理后，再進行結(jié)構(gòu)主體施工。但邊坡治理時，要考慮地下室及基礎(chǔ)開挖約5 m深而導(dǎo)致的邊坡高度增加、破壞原邊坡土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定帶來的危險性。同時邊坡治理時必然會放坡，4層北側(cè)的出入口與邊坡頂上規(guī)劃路搭接需要采取措施，搭接部分下部如不回填土，則形成建筑死角，如回填土，則建筑北側(cè)1層～3層外墻還必須做成擋土墻，且4層高的擋土墻雖然其土壓力不大，但相比填充墻，其造價必然會成倍增加。辦法二是邊坡?lián)跬翂χёo與建筑北側(cè)外墻結(jié)合為一，采取做厚建筑北側(cè)外墻兼做邊坡?lián)跬翂Γ瑫r利用建筑物總體的重量，抵抗其邊坡的土壓力。該辦法從建筑施工角度、建筑成本角度考慮，必然是經(jīng)濟合理的，該辦法其實是將邊坡和建筑結(jié)合在一起，該建筑抗滑移和抗傾覆的利害關(guān)系和邊坡的穩(wěn)定性是一致的。主要難點在于，如何利用建筑的自重來抵抗邊坡土壓力，采取什么其他措施，保證建筑在使用階段邊坡的穩(wěn)定性。

該建筑基坑及邊坡開挖后現(xiàn)場情況見圖3。

圖3 建筑基坑及邊坡開挖后現(xiàn)場情況

3 設(shè)計思路分析確定

兩個設(shè)計思路，各有利弊，第一種辦法其結(jié)構(gòu)設(shè)計思路簡單，可以完全將邊坡治理拋開，交給專業(yè)的巖土工程單位完成，但其一邊要進行邊坡治理，邊坡高度達到約17 m，另一方面，邊坡治理后，其建筑1層～3層北側(cè)外墻仍需做成擋土墻，相比成本很高，巖土施工和結(jié)構(gòu)施工也存在搭接處理問題。辦法二將邊坡治理與結(jié)構(gòu)外墻設(shè)計結(jié)合，其成本造價會大幅縮減，同時結(jié)構(gòu)主體與擋土墻可以連續(xù)一次完成施工，不存在搭接處理問題，但其難點是如何利用建筑自重抵抗土壓力，如何滿足邊坡和建筑的抗滑移和抗傾覆要求，這都給結(jié)構(gòu)工程設(shè)計帶來很大的難度。

經(jīng)過反復(fù)的方案討論，以及多次與建設(shè)單位商討，最后決定采用辦法二進行設(shè)計施工。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案確定

本工程的難點就在于結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中主要遇到以下幾個難點:

1)整體結(jié)構(gòu)形式的確定;

2)建筑北側(cè)擋土墻的確定;

3)建筑整體抗滑移的安全性問題;

4)建筑整體抗傾覆的安全性問題;

5)其他結(jié)構(gòu)措施。

4．1 結(jié)構(gòu)整體形式的確定

本建筑地下1層，地上8層，1層～4層均為商業(yè)用途，考慮到商業(yè)用途的特點，必然采用大跨度、大空間結(jié)構(gòu)體系，所以初步確定采用框架結(jié)構(gòu)體系，框架結(jié)構(gòu)在1層～4層，其北側(cè)外墻均采用鋼筋混凝土擋土墻，其余部分采用混凝土砌塊填充墻，其北側(cè)擋土墻沿建筑長方向都有布置，長度可達140余米，考慮到其擋土高度，加地下室高度達到16 m，其墻厚也必然大于常規(guī)建筑的擋土墻，故采用整體框架結(jié)構(gòu)加北側(cè)鋼筋混凝土擋土墻結(jié)構(gòu)，其抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置屬于嚴重不規(guī)則，北側(cè)結(jié)構(gòu)剛度與其他部位相比會很大，剛度嚴重不均勻，抗震驗算過程中，其結(jié)構(gòu)振型也發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)位移，對抗震很不利。

同時考慮到上部4層為公寓式住宅，大截面的框架柱、框架梁體系必然影響其使用和美觀要求，故結(jié)構(gòu)方案調(diào)整為框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，同時減小原方案中框架柱、框架梁的截面尺寸，在建筑的內(nèi)部、南側(cè)及東西側(cè)局部適當位置增加部分剪力墻，減小結(jié)構(gòu)剛度不均勻及扭轉(zhuǎn)變形的影響，結(jié)構(gòu)模型經(jīng)過多次的反復(fù)調(diào)整驗算，才達到比較理想的結(jié)果。

4．2 建筑北側(cè)擋土墻的確定

一般常規(guī)的結(jié)構(gòu)擋土墻，其厚度一般為250 mm或300 mm，考慮到本擋土墻高度，計劃地下室部分采用550 mm厚，上部依次遞減，最上部為300 mm厚擋土墻。該建筑北側(cè)擋土墻，包括地下室其高度達到約16 m，共分為4層，計算時考慮中間有框架柱和框架梁劃分結(jié)構(gòu)單元，按結(jié)構(gòu)板進行計算。北側(cè)擋土墻進行配筋計算時，其相當于將側(cè)向土壓力施加于結(jié)構(gòu)板，結(jié)構(gòu)板將荷載傳遞于框架梁，最后傳給框架柱，這樣最北側(cè)一排的框架柱，其受力必然大于其他位置的框架柱，除主要承受軸向壓力外，同時要承受較大的彎曲變形，框架柱截面和配筋都將大幅增加，影響其使用和美觀。故考慮將最北側(cè)一排框架柱的內(nèi)力進行二次傳遞，以減小其荷載，結(jié)構(gòu)采取的措施是在南北方向最北側(cè)一跨框架柱之間的部位，設(shè)置側(cè)向支撐，即將最北一跨的兩排框架柱之間增加墻肋，為不影響使用，主要設(shè)置在兩側(cè)山墻、單元隔墻、樓梯間等部位，通過墻肋的傳遞，將最北側(cè)一排直接承受擋土墻作用的框架柱內(nèi)力向第二排框架柱傳遞，同時墻肋與兩排框架柱整體澆筑配筋，相當于變相的將最北側(cè)一跨整體做成變截面柱，與原來兩排框架柱相比，剛度大幅增加，抵抗彎矩的能力也增加。該建筑結(jié)構(gòu)平面墻、柱布置見圖4。

圖4 建筑結(jié)構(gòu)墻柱平面布置圖

4．3 建筑整體抗滑移安全性

由于本建筑位于黃土臺地，其北側(cè)為黃土邊坡，且建筑承擔(dān)邊坡?lián)跬翂Γ瑸榉乐菇ㄖ镅鼗A(chǔ)底面發(fā)生滑移破壞，故必須對該建筑進行抗滑移驗算，驗算公式采用式(1)［1］。

式中:Gn——結(jié)構(gòu)擋土墻自重在垂直于基底平面方向的分力;

Gt——結(jié)構(gòu)擋土墻自重在平行于基底平面方向的分力;

Ean——Ea在垂直于基底平面方向的分力;

Eat——Ea在平行于基底平面方向的分力;

μ——基底地基土對擋土墻基底的摩擦系數(shù);

KS——基底抗滑移安全系數(shù)，即抗滑力與滑動力之比，一般要求大于 1．3。

根據(jù)當?shù)氐慕?jīng)驗結(jié)合本次工程的巖土工程勘察報告，本次計算中取 γ=18 kN/m3，c=10 kPa，φ =20°，地面道路荷載按 q=20 kN/m2，摩擦系數(shù)取 0．5。

考慮到本次基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，故特別要求將筏板下面做300 mm的褥墊層，為增大摩擦系數(shù)，褥墊層必須采用碎石土及中粗礫砂，這樣其摩擦系數(shù)即由原來濕陷性黃土的0．35提高至0．55，有效地增大了摩擦力［2］。經(jīng)過計算本工程其抗滑移安全系數(shù)為 1．7，大于 1．3，滿足工程需要。

4．4 建筑整體抗傾覆驗算

由于該建筑北側(cè)外墻兼做邊坡的擋土墻，考慮到多數(shù)擋土墻都是由于墻后土壓力過大而基礎(chǔ)埋置較淺，發(fā)生整體傾覆破壞，故需驗算建筑整體在北側(cè)擋土墻后土壓力的作用下，不發(fā)生沿建筑南側(cè)墻踵點發(fā)生傾覆破壞，要求其抗傾覆力矩必須大于傾覆力矩。本次計算采用式(2)［1］進行計算。

式中:Eax——Ea的水平分力;

Eaz——Ea的豎向分力;

G——擋土墻每延米自重;

xf——土壓力作用點距離墻踵點的水平距離;

x0——擋土墻重心距離墻踵點的水平距離;

Kt——基底抗傾覆安全系數(shù)，一般要求大于1．5。

本次計算參數(shù)選取與抗滑移驗算一致，計算結(jié)果抗傾覆安全系數(shù)為3．4，遠大于1．5，滿足工程需要。計算中擋土墻與建筑為一個整體，擋土墻自重即采用建筑自重，由于建筑自重較大，遠大于一般的擋土墻，故其抗傾覆安全系數(shù)也較大。

4．5 其他結(jié)構(gòu)措施

本建筑位于黃土臺地，建筑外側(cè)即為邊坡，部分建筑外墻還兼做邊坡?lián)跬翂Γc其他一般場地的建筑有很大不同，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計及地基基礎(chǔ)設(shè)計時，采取了多項有效措施，保證結(jié)構(gòu)在使用期限內(nèi)整體的穩(wěn)定性與安全性。

1)建筑北側(cè)為邊坡，北側(cè)外墻為擋土墻，墻后土體對建筑整體有一個側(cè)向的土壓力作用，考慮到其抗滑移安全系數(shù)為1．7，雖滿足工程需要，但沒有足夠的安全儲備。故為了增大建筑整體的抗滑移安全性，在建筑南側(cè)，基礎(chǔ)筏板邊緣外側(cè)，緊貼筏板邊緣，沿擋土墻方向打2排鋼筋混凝土抗滑樁，樁頂標高高出筏板頂面0．5 m，樁長15 m，樁間距 1．2 m，樁徑 0．8 m，三角形布置。抗滑樁的施工，大大地增加了建筑整體的抗滑移性能。

2)該建筑為地上8層，地下1層，抗滑移驗算中，其北側(cè)實際主動土壓力計算高度為3層樓高加地下室高，南側(cè)被動土壓力計算為地下室高。計算過程中根據(jù)實際情況，利用了南側(cè)的被動土壓力來抵抗建筑滑移，故結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在南側(cè)地下室基坑開挖后，配合其他各專業(yè)，將室外管溝施工同步進行，同步回填，并將管溝結(jié)構(gòu)采取加固措施。要求基坑施工完成回填后，尤其在擋土墻開始抵抗土壓力后以及在今后使用過程中，建筑南側(cè)地面不得隨意取土、開挖，防止由于南側(cè)被動土壓力的卸載而導(dǎo)致的建筑整體抗滑移安全性降低。

3)建筑南側(cè)、北側(cè)室外高差約12 m，北側(cè)四層地面出口與北側(cè)邊坡上規(guī)劃路相連，下部為回填土。建筑北側(cè)外墻與規(guī)劃路之間距離約4 m，開始建筑設(shè)計為1．2 m寬散水和2．8 m寬植草磚。后考慮到其下部為回填土，規(guī)劃路下部為原天然濕陷性黃土，為防止由于雨水滲入或其他排水不暢造成回填土和黃土濕陷下沉，對擋土墻安全性造成不利影響，故填土回填后在建筑北側(cè)外墻與規(guī)劃路之間取消原散水和植草磚，改為200 mm厚混凝土硬化地面，與建筑外墻做好柔性連接，并在硬化地面下做防水層一道，與擋土墻防水層相接。建議協(xié)調(diào)將來規(guī)劃路施工單位，使規(guī)劃路路牙與硬化地面做好連接，道路做好有組織排水，不得積水，同時道路外側(cè)地面不得超載。

4)在建筑使用過程中，建議建設(shè)單位委托有資質(zhì)的測繪單位，對建筑北側(cè)邊坡頂和南側(cè)邊坡底做好長期穩(wěn)定性觀測，保證使用過程中的安全性。

5 結(jié)語

1)邊坡場地的建筑，尤其是直立邊坡，可以考慮利用建筑外墻充當邊坡?lián)跬翂Γ媒ㄖw的自重來抵抗邊坡的穩(wěn)定性。

2)建筑結(jié)構(gòu)的外墻或部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)揮擋土作用時，在結(jié)構(gòu)整體抗震計算時，應(yīng)考慮擋土構(gòu)件對結(jié)構(gòu)整體性的影響，必要時采取其他措施來抵消其對結(jié)構(gòu)整體性的影響。

3)對于邊坡建筑，應(yīng)采取各種有效地措施增強其結(jié)構(gòu)整體的抗滑移、抗傾覆安全系數(shù)，可考慮增大結(jié)構(gòu)自重、增加摩擦系數(shù)、增長建筑寬度、主動土壓力卸載、增大被動土壓力等，特別是對于抗滑移安全系數(shù)不高的情況，打抗滑樁是一種十分有效的措施。4)邊坡建筑設(shè)計時，同其他一般場地建筑不同，結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)同其他專業(yè)密切配合，對室外管溝走向、管溝施工順序及開挖情況、室外防水措施、場地今后使用情況、邊坡周圍今后規(guī)劃情況等做詳細了解，充分考慮其是否對邊坡及建筑的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

［1］趙明華．土力學(xué)與基礎(chǔ)工程［M］．武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2000．

［2］譚成發(fā)，唐鴻卿．重慶某建筑邊坡居住建筑基礎(chǔ)設(shè)計［J］．四川建材，2011(3):124-125．