帶地下室坡地建筑的結構建模分析與基礎設計探析

袁 猛 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

0 引言

坡地建筑不僅可以滿足正常使用性能，還可以因地制宜，充分利用土地資源，符合綠色環保和可持續發展的目標。近年來，在國內許多城市都進行坡地建筑的開發利用，坡地建筑以其特有的錯落有致的變化，使建筑具有與環境融為一體的優勢。然而，在高差較大、地形復雜的坡地建造的建筑物，基礎持力層不在同一標高上，且標高相差較大。坡地建筑由于基礎持力層高差大，特別是帶地下室的建筑，常會出現結構模型與實際工況不一致的問題，因此，這就要結構設計人員根據坡地建筑結構的特點，利用設計軟件進行合理的建模分析。

本文通過對位于坡地上的某公共建筑進行研究，給出了合理的建模措施和設計方案。

1 帶地下室坡地建筑結構設計存在的問題

1.1 上部結構建模問題

坡地建筑通常在建筑的一個或兩個方向存在較大的場地高差，對于帶地下室的坡地建筑，其地下室通常存在一側有覆土，一側對外敞開的半地下室情況。半地下室只在一側或者兩側有覆土約束，與傳統地下室情況不同，對于結構建模中地下外墻的定義及地下室層數的定義存在一定的爭議性。而在模型計算中，這點直接影響到結構的扭轉不規則問題。結構建模中應結合具體的場地情況和建筑條件，合理地定義地下室外墻剛度和地下室層數，合理考慮部分覆土對半地下室的有效約束作用，避免模型計算中出現嚴重的扭轉不規則。同時應有概念設計的意識，合理分析軟件計算結果，從概念的角度，加強非覆土部位的結構剛度，減小剛度不均勻，減輕結構扭轉效應。

1.2 地下室底板的建模問題

帶地下室坡地建筑，其持力層標高變化較大，地下室底板通常存在部分區域位于基礎持力層，部分區域距離基礎持力層較遠的情況。因此會存在部分區域底板為筏板（或獨基+防水板）、部分區域底板為梁板結構的掉層問題。現有的結構設計軟件無法實現部分為基礎，部分為上部結構的建模計算，因此不能按傳統的上部結構與基礎獨立建模的設計方法。通常對于底板為基礎的區域可在基礎模塊中建模計算，而掉層部位應在上部結構建模中單獨按梁板結構建模計算其梁板配筋。掉層部位的基礎可與底板為基礎區域一同建模計算其承載力，但應考慮其上部底板的梁板荷載及回填土荷載的不利影響。

1.3 坡地建筑的基礎設計問題

根據建筑地基基礎設計規范，要求坡地建筑基礎設計應滿足以下幾點：滿足上部建筑的承載能力、滿足上部建筑的沉降變形要求、滿足建筑整體穩定性要求。基礎上部結構傳至基礎的荷載較小時，天然淺基礎是一種經濟合理的基礎形式，開挖深度小、工程造價低。當持力層埋藏相對較深，上部結構傳至基礎的荷載較大，采用人工挖孔樁基礎成孔簡單成樁質量好造價低，提供足夠的承載力和良好的經濟性。為了防止不均勻沉降，建筑抗震設計規范規定同一結構單元基礎不宜設置在性質截然不同的地基上。而坡地建筑的持力層高差起伏較大，設計時應根據地勘報告，準確地還原整個場地持力層的標高狀況，合理準確地確定基礎底標高。對于基礎埋深不同產生的長短柱，應針對性地加強柱子的截面與配筋，避免柱子的剪切破壞。

2 某坡地建筑實際工程項目的建模設計探討

2.1 工程概況

本工程為合肥肥西縣上派鎮公祭堂項目，位于坡地上，為骨灰存放與祭祀用房，結構類型為框架結構，基礎類型為獨立基礎加防水板。總建筑面積6800m2，地下1層，地上3層，建筑的總體高度12.3m。結構的設計使用年限50年，工程結構安全等級二級。基本風壓：W0=0.35kN/m2（重現期50年），地面粗糙度為B類，基本雪壓：S1=0.60KN/㎡（重現期50年）。本地區抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，擬建場地類別為Ⅰ1類，多遇地震作用下水平地震影響系數最大值αmax=0.080。抗震設防類別為標準設防類，抗震等級為三級。下面對該工程中的上部結構設計和基礎部分設計進行論述。

本工程使用北京構力科技有限公司編制的結構分析程序PKPM（2021V1.2版）進行結構分析。地震作用和風荷載按兩個主軸方向進行計算。地震作用計算采用振型分解反應譜法，計入雙向地震作用下的扭轉影響。

2.2 上部結構建模設計的問題

該建筑場地西高東低，東西高差約5m，地下室西側和南側為地下室外墻，北側和東側為地外敞開。結構模型如圖1所示。

圖1 上部結構模型圖

假定結構嵌固端位于基礎處，分別以1層地下室和0層地下室、擋土墻按剪力墻和深梁建模計算，對比地震力作用下各方向的水平力作用下的樓層層間最大位移與層高之比(Δu/h)和扭轉位移比，結果指標如表1。

粗骨料基本性質 表1

由表1計算結果可知，剪力墻和深梁的建模中，地下室層數對層間位移角(Δu/h)沒有影響，按深梁建模比按剪力墻建模的層間位移角(Δu/h)稍有增加，變化幅度在2.6%，基本可以忽略不計。

擋土墻按剪力墻建模時，地下室層數的定義對結果影響較大，當按剪力墻+零層地下室建模時，扭轉位移比大于1.5，屬于扭轉嚴重不規則。按剪力墻建模時，剛度偏心較大，若不考慮地下室回填土約束的有利作用，指標比較難以滿足規范要求。按深梁建模時，地下室層數為1層和0層時，結果相差不大，且均不屬于嚴重不規則。因深梁的剛度較剪力墻較小，結構本身的剛度偏心較小，地下室回填土約束作用對結構扭轉影響較小。但坡地建筑西側和南側有覆土，北側和東側無覆土，模型無法模擬這種回填土的約束作用。故上部結構建模時宜按0層地下室建模。

由上述對比可知，考慮到本工程基礎形式為獨立基礎加防水板，地下室外墻底部與防水板的連接剛度不可等效為絕對嵌固，剪力墻更加接近于兩端固接于框架柱的深梁，故上部結構可采用深梁+0層地下室模型建模計算，土壓力可以轉換為線荷載作用在柱上。同時可按剪力墻+0層地下室復核結構因扭轉效應引起的薄弱部位，對薄弱部位的梁柱進行加強處理。

2.3 地下室基礎建模設計的問題

根據地質勘察報告，擬建場地主要持力層分布穩定，無液化土層分布，場地內分布有均勻的中硬土，綜合判別擬建場地屬抗震一般地段。根據本次外業鉆探、原位測試，擬建場地巖土構成層序自上而下可分為①層填土、②層黏土、③1層強風化砂巖、③2層中風化砂巖。

各土層厚度均勻，但天然地面標高落差大，自西向東絕對標高標高由60m變化至50m。典型地質剖面圖如圖2所示。

圖2 典型地質剖面圖

建筑±0.000相當于絕對標高均為59.350m，地下室層高3.9m。由于②層黏土局部缺失，層厚0.30～1.00m，故以厚度較好的③1層強風化砂巖為持力層，以減小因持力層不同而造成的地基不均勻沉降，承載力特征值為300kPa。建筑的西側一半部分的地下室底板直接落在持力層上，而中軸線開始自西向東，持力層標高逐漸降低，基礎埋深逐漸加深，形成臺階式基礎。基礎模型如圖3所示。

圖3 基礎模型圖

由于場地內天然地面起伏較大，需要進行大面積、高厚度的回填土，基礎設計中應考慮不利影響，基礎計算考慮回填土的覆土重，將回填土自重按附加恒荷載輸入到基礎上。

獨立基礎變標高時，應根據土質類別的不同，滿足一定的放坡比例，按照放坡比例和基礎凈距，合理確定各基礎埋置深度。

對于帶地下室的坡地建筑的抗浮問題，由于地下室一半埋置于地下，一半上臺出天然地面，故設計時很難明確地下室的抗浮水位，且這種地形處一半不會形成地下積水，故可不進行抗浮設計。

2.4 地下室底板建模設計的問題

本工程地下室底板采用獨立基礎加防水板，但這種做法在基礎標高變化時會帶來一些問題。在建筑的西側部分，基礎直接落在持力層，防水板可與基礎做到頂標高一平，屬于常規的地下室做法。但在東側基礎標高落差處，防水板與基礎的最大高差將近5m，形成掉層結構。此時應在地下室底板標高處和框架柱之間做一層梁板結構，以梁板結構形式承擔地下室荷載。同時可以加強不同標高處基礎之間的聯系，增強結構的整體性，避免建筑物的不均勻沉降和局部滑移。

若此部分梁板結構在基礎模型中用基礎拉梁加防水板建模，則配筋計算結果會出現異常，因現有的基礎建模軟件無法進行這種上部結構加基礎的聯合建模，在基礎模塊中建立上部模型會照成計算結果失真。故基礎變標高區域的地下室底板配筋計算，應在上部結構中單獨建模計算。在進行地基承載力計算時，可在基礎模型中按防水板建模以倒算荷載，但應注意此時上部模型中不再建此區域梁板結構，以免重復計算荷載。

圖4 防水板模型圖

2.5 帶地下室坡地建筑施工的注意事項

帶地下室坡地建筑的施工方法不同于傳統的地下室結構的施工流程，施工時應因地制宜，根據具體的天然場地條件和結構形式，合理地確定施工工藝流程。

就本工程為例，由于天然場地東西高差較大，部分地下室埋置于天然地面以下，部分地下室架空于天然地面以上，地下室底板下需要大量的土方回填。而獨立基礎更是位于兩個結構層面上，故無法按照傳統的先施工獨立基礎后施工上部結構的流程。應先施工埋深較地下室底板深的獨立基礎，然后回填土至底板標高，最后再施工地下室底板和外墻。但應注意在回填獨立基礎上的覆土時，應均勻回填，避免單側回填造成基礎或柱子的傾斜，影響后續上部結構的施工及結構安全。

3 結論

本文結合實際工程案例，通過不同建模方式的對比，對帶地下室的坡地建筑的結構建模和基礎設計給出了合理建議，并對施工方法施工進行了分析。得出了如下幾條結論：

①上部結構可采用深梁+0層地下室模型建模計算。同時可按剪力墻+0層地下室復核結構因扭轉效應引起的薄弱部位，對薄弱部位的梁柱進行加強處理。

②場地內需要進行大面積、高厚度的回填土時，基礎設計中應考慮回填土的不利影響。

③掉層結構處應在地下室底板標高處在框架柱之間做一層梁板結構，以梁板結構形式承擔地下室荷載。

④施工時應因地制宜，根據具體的天然場地標高狀態和建筑結構形式，合理地確定施工流程。