地下室结构设计中问题分析及解决措施

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　　摘要：地下室支承着上部结构，不可预见的因素影响较多，设计方案的选择受不确定性（如地下水、土质等）的因素影响，造成地下室设计的复杂化，同时也影响建造成本的经济性。笔者根据多年的工程设计经验，针对一些不确定性因素，总结出以下一些措施来解决地下室结构设计中存在的问题。
　　关键词：地下室；结构设计；问题
　　1 抗浮问题
　　 对于具有大底盘地下室的高层建筑群，塔楼部分的地下室一般在使用阶段不会存在抗浮不足问题，但裙房及纯地下室部分经常会有因为抗浮不满足要求而出现底板被拉裂渗水的现象，在施工阶段，何时停止降水才能借助带地下室的高层建筑的自身重量来平衡浮力，直接影响到建造成本和施工质量。所以，抗浮设计对带地下室的高层建筑是不容忽视的。怎样才能做好抗浮设计，本人认为可以这样考虑：
　　1.1确定科学合理的抗浮设防水位
　　 地下水位及其变幅是地下室抗浮设计的重要依据，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3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，科学地确定地下水位可以合理地选择抗浮措施，降低建造成本，缩短施工周期。
　　1.2 降低抗浮设防水位的措施
　　 在保证建筑使用净高的前提下减少地下室的总高度，提高基坑坑底的设计标高，可以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室顶板结构高度，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，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：①增加基础底板的厚度；②增加基础顶面覆土厚度；③基础顶面采用重度大且价格低廉的填料。这3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。
　　2 不均匀沉降问题
　　 不均匀沉降问题对于大底盘高层建筑群而言是一个必须面对而且必须周详解决的问题，除该建筑群直接坐落在坚硬的岩石地基上之外。通常解决此类问题大致以下有几种方法。
　　2.1 采用人工处理地基
　　 首先按照上部结构的竖向荷载分布对沉降的影响确定基础不同区域的地基处理程度，然后再根据地基处理程度的不同，采取以下两种措施：
　　 (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均匀布桩，允许主体结构在施工期间有相对量的自由沉降，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：①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；②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；③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不均匀布桩，在竖向荷载大的区域布间距稍小的密桩，在竖向荷载小的区域面布间距稍大的疏桩，以获得不同区域沉降基本一致的协调，同时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主体结构的基础采用桩基础
　　 主要以端承桩为主，通过灌注桩或预制桩把力直接传递到承载力很大且变形很小的岩层或园砾层上，这样可以保证主体结构具有较小的最终沉降量，也就不用再考虑天然浅层地基的承载能力问题了，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浅层地基条件较差的情况。
　　3 基础形式的选取及计算分析方法的确定问题
　　 现代高层建筑大都为大底盘多塔楼式建筑群，由于上部结构荷载在基础平面上的分布差异巨大，通过基础将荷载扩散出去的范围有限，导致不同区域的基底反力相差很大，因此，对基础而言，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、是否对地下空间进行利用等条件，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、箱型基础、桩筏和桩箱基础等。
　　 (1)梁高、板厚的选取及计算方法问题。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》(GB50007-2002)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。
　　 (2)基础底板抗冲切验算及抗剪切计算问题。按《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)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。
　　 (3)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：①解决底板抗冲切问题；②减小底板的计算跨度；③减小支座负筋。
　　4 人防地下室的结构设计问题
　　 大底盘地下室根据其使用要求通常会分为人防区和非人防区两部分，普通民用建筑的防空地下室人防等级一般以五、六级居多。按照平战结合的设计原则同时考虑结构的受力特点以及经济因素，五级人防区大都设置在主体结构部分，六级人防区大都设置在裙房或纯地下室部分，并且人防区基本上都位于地下室最下一层；人防地下室和非人防地下室相比，由于增加了核爆动荷载以及对辐射等方面的要求，使人防地下室在结构设计上与非人防地下室有较大区别，主要体现在以下几个方面：荷载及荷载组合、材料强度、内力计算和构造规定等，《人民防空地下室设计规范》(GB50038-2005)中都有详细的规定，本文仅涉及其中几个具体的问题。
　　5 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上讲，都需要我们更深入地研究上部结构、基础与地基三者之间的相互作用、协调变形的机理，以解决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]《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)
　　[2]《人民防空地下室设计规范》(GB50038-2005)

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