地下室及基础结构设计要点探讨1
地下室及基础结构设计要点探讨
摘 要:本文根据笔者多年工作经验，以地下室结构设计中的技术要点为主线, 辅以一定的经济分析比较, 简要分析地下室结构设计中的技术经济问题及其相互关系。
关键词:高层建筑；地下室；结构设计
随着人们对地下空间需求的不断增长, 地下工程在整个建设项目中所占的比重还会越来越大。由于地下工程材料消耗大、建造周期长、施工难度大, 结构设计的好坏将会对整个项目的设计周期、施工工期以及建造费用产生巨大的影响。另外, 地下室结构的设计也比较复杂, 其中所涉及的技术问题繁多, 主要有:地基承载力及变形问题、抗浮问题、不均匀沉降问题、结构超长问题、基础形式的选取和计算方法问题、人防设计等等。技术问题与经济因素息息相关, 先进适用的技术能使建设项目取得良好的经济效益, 而经济因素在一定程度上也会制约一些先进技术的使用。因此, 如何协调好技术与经济在建设工程中的相互关系问题, 是每个设计人员应该认真考虑以下要点：
1 抗浮
对于具有大底盘地下室的高层建筑群体而言, 塔楼部分一般在使用阶段不会存在抗浮问题, 但裙房及纯地下室部分经常会有抗浮不满足要求, 针对此种情况, 结合本人的工程设计经验, 总结出以下一些措施。
1.1 确定科学合理的抗浮设防水位
目前, 地质勘查单位提供的岩土工程勘查报告中对地下水水位提出了三个指标:1)拟建场地历史最高水位； 2) 近3～5年最高水位；3) 勘查时的实测静止地下水位。确定地下室抗浮设防水位时应根据设计规范中确定的原则:防水要求严格的地下室, 其设防水位可按历年最高地下水位；对防水要求不严格的地下室其设防水位可参照近3～5年最高水位及勘查时的实测静止地下水位。
1.2 在建筑允许的情况下, 尽可能提高基坑坑底的设计标高, 间接降低抗浮设防水位。具体措施有以下几种:
1) 采用平板式筏板基础。
一般而言, 平板式筏板基础的重量与“低板位”梁板式筏板基础上填覆土的重量基本相当, 但后者的基础高度一般要比前者高。
2) 楼盖提倡使用宽扁梁或无梁楼盖。
一般宽扁梁的截面高度为跨度的1/16～1/22 , 宽扁梁的使用将有效地降低地下结构的层高, 从而相对降低了抗浮设防水位。
1.3 增加地下室的重量
增加地下室本身的重量有以下几方面的优点:1) 增加地下室的重量是解决地下室抗浮问题的一个直接有效的方法, 但这种方法还应该结合地基土的承载力而定, 不能顾此失彼；2) 在对主体结构的地基承载力进行深度修正时, 增加地下室的重量可以提高主体结构的有效埋置深度, 从而提高了主体结构修正后的地基承载力特征值。
如果设计中决定采取增加地下室重量的方法来解决抗浮问题的话, 笔者认为可以采用以下两种方法:
1) 增加基础配重。此种方法大致又有以下几种情况:a.增加基础底板的厚度；b. 增加基础顶面覆土厚度；c. 基础顶面采用重度大且价格低廉的填料。这三种方法的共同特点是:在增加基础配重用以解决抗浮问题的同时又不可避免的增加了基础的埋置深度, 从而相对地提高了地下室抗浮设防水位的高度, 因此它不是一种效率最高的方法。
2) 增加地下室顶板的厚度。这种方法的优点是:在不增加基坑坑底标高的前提下, 增加了地下
室的重量, 而且使用厚板后, 地下室顶板的大板块之间可以不再设置次梁, 既有利于其他专业的使用, 又简化了施工工序；但此种方法的缺点是会略增加地下室顶板框架梁的负荷, 而且由于板厚有限, 这种方法解决抗浮问题的效果也是有限的。
1.4 设置抗浮桩
表面上看这是一种解决抗浮问题行之有效的方法, 但仔细分析, 这种方法也有一定的局限性, 且不说设置抗浮桩的造价如何, 单从结构受力方面讲, 由于地下室的抗浮设防水位是根据拟建场地历年最高水位结合近几年的水位变化情况提出来的, 即使是经过重新评估后确定的抗浮设防水位, 也是按一定的统计规律得出的结论, 很显然, 这种方法确定的地下水位在一般的情况下是很难达到的, 加之设计计算的不精确性也使得抗浮桩都具有一定的安全储备, 因此, “抗浮桩”实际上长期起着“抗压桩”的作用, 这种“反作用”将阻碍有抗浮要求的地下室的合理沉降, 而这种变化将会使不设缝的大底盘地下室在主体结构和裙房之间产生更大的不均匀沉降差, 这正是我们在设计中想极力避免的；同时设置抗浮桩后, 计算基础底板内力及配筋时应考虑地下水压力, 这样也会增加基础底板的荷载。另外一方面, 如果地下水位长期处于一种较高的水平之上, 设置抗浮桩也不乏是一种有效的方式。因此, 抗浮桩是一把双刃剑, 使用时需仔细考虑。
方法1和2可以称之为主动方法, 而方法3和4是一种被动的方法, 有时方法1、2和3也会同时使用。
2 不均匀沉降
不均匀沉降对于大底盘高层建筑群而言是一个必须面对而且必须得到很好解决的问题, 除非该建筑群直接坐落在坚硬的岩石地基上。
2.1 采用人工处理地基
根据地基处理程度的不同, 又有以下两种情况:
1) CFG 桩地基处理+ 设置沉降后浇带。此方法的出发点是:在CFG 桩复合地基承载能力满足设计要求的前提下, 允许主体结构在施工期间有相对量的沉降, 由此造成的沉降差靠主体结构和非主体结构之间的沉降后浇带来解决。这种方法的优点是:降低地基处理的程度, 进而减少CFG 桩的数量, 降低建设成本, 减少施工周期；缺点是:a.由于沉降后浇带一般是在主体结构封顶后1～2个月封闭, 这样将使施工期间的基坑降水时间加长, 增加了降水费用；b. 后浇带放置时间过长质量难以保证, 而且相应位置底板还要加厚；c. 由于沉降后浇带的存在使得主体结构在施工期间长时间不能处于四边嵌固的状态, 对结构在施工期间的整体稳定性也不利。如果能采取有效措施避免由于设置沉降后浇带所带来的问题的话, 这种方法还是很经济适用的。
2) CFG桩地基处理+ 不设置沉降后浇带。这种方法要求在CFG 桩复合地基承载能力满足设计要求的前提下, 严格控制主体结构的最终沉降量, 这样做的优缺点正好和方法1) 相反。
2.2 主体结构采用桩基础。
这样即能保证主体结构具有较小的最终沉降量, 也不存在地基的承载能力问题, 而且可以避免设置沉降后浇带后所带来的一些问题。但此种方法造价较高, 一般适用于超高层建筑或地基条件较差的情况。
2.3 主体结构部分采用整体基础, 裙房及地下室部
分采用独立基础外加防水板这种处理方法充分发挥了各种不同基础形式的优点且造价低廉, 但施工工序复杂, 目前在实际工程中使用较少。
2.4 计算措施
计算措施应结合以上相应方法, 在一定程度上准确确定不均匀沉降量, 具体措施有:1) 计算主体结构的沉隆量时应考虑基础的补偿作用； 2) 考虑基坑开挖后基坑坑底的土反弹量。 3 基础形式的选取及计算分析方法
现代高层建筑大都为大底盘多塔楼式建筑群, 由于上部结构荷载差异巨大, 导致基底反力相差
很大, 因此, 对基础而言, 有必要根据不同的上部结构形式、上部结构荷载大小、地基的承载力及压缩模量等问题, 因地制宜地采用不同的基础形式。目前高层建筑中比较成熟且常用的基础形式有:筏板基础(包括平板式筏板基础和“低板位”梁板式筏板基础) 、箱型基础、桩筏和桩箱基础等。
1) 平板式筏板基础和梁板式筏板基础的适用范围
相邻柱间距及柱荷载差别较小时适用平板式筏板基础, 反之则宜采用梁板式筏板基础。通常, 在材料用量相当的情况下, 梁板式筏板基础的刚度较平板式筏板基础大, 底板标高变化较多时宜采用平板式筏板基础。
2) 梁高、板厚的选取及计算方法
目前计算筏板基础时, 常用的方法有“倒楼盖”方法、弹性地基梁板方法和有限元分析方法, 其中“倒楼盖”方法是一种传统方法, 按该法进行基础设计时, 基础内力按基底反力直线分布进行计算。按《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002) 的要求, 基础内力按基底反力直线分布进行计算时, 要求地基土比较均匀、上部结构刚度较好、荷载分布比较均匀、梁板式筏板基础梁的高跨比或平板式筏板基础的厚跨比不小于1/6 , 当不满足上述要求时应按弹性地基梁板计算。“规范”对基础梁高跨比和板厚跨比的要求, 其本质是要保证基础具有一定的刚度, 但笔者认为基础刚度应与基底反力的大小相匹配, 对于层数较多的高层建筑而言, 该要求很容易满足, 但对于层数较少的高层建筑而言, 该条要求就显得偏严。
3) 基础底板抗冲切验算及抗剪切计算
按《建筑地基基础设计规范》( GB 50007 - 2002) 第8.4.5 条规定, 梁板式筏基底板应满足受冲切承载力和受剪切承载力的要求, 通过对跨度从6～10m 、长宽比从1～3、板厚从400～1000mm 变化的梁板式筏基底板的计算来看, 梁板式筏基底板都是受冲切承载力起控制作用, 因此一般的梁板式筏基底板可以不进行底板受剪切承载力的验算。对于平板式筏基而言, 底板的柱下及核心筒边的抗冲切验算则必不可少, 且应考虑不平衡弯矩的作用, 尤其是边柱和角柱。
4) 采用平板式筏板基础时, 宜设置平面尺寸较大的柱帽。当有条件时设置上翻式柱帽, 没条件时设置下翻式柱帽。设置柱帽有以下优点:a. 解决底板抗冲切问题；b. 减小底板的计算跨度；c. 减小支座负筋。
4 结语
总之, 地下室的结构设计是一个综合性很强问题, 涉及到的内容繁多而复杂, 有些问题至今尚未得到很好的解决, 如:地基与基础的相互作用问题、上部结构刚度对地基基础的影响等等。现代高层建筑由于地下工程庞大, 建设工程在地下的投资已经接近甚至超过了地上, 因此无论是从技术还是从经济的角度讲都需要我们更深入地研究地下室结构设计的技术问题, 提高地下室结构设计的水平, 真正做到技术与经济同步、安全与适用协调。
参考文献:
[1] GB 50007-2002 建筑地基基础设计规范[S].