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郑 俊
杭州中翰建筑设计有限公司
【摘 要】本文通过一住宅工程项目设计实例，简要归纳了高层建筑地下室结构设计的相关问题，总结了地下室结构设计应注意的要点，分析了地下室结构设计必须符合抗震设防、裂缝控制、建筑防水等各方面要求的必要性。
【关键词】地下室；嵌固端；地基承载力；抗浮设计
随着现代建筑水平的快速提高，地下空间的开发和利用日益增多。在整个项目建设过程在中，地下工程占据着重要的地位，但随着地下工程的不断扩大，其复杂程度也不断增大，这就在一定程度上增大了地下工程设计的难度。地基的不均匀沉降、地下室抗浮能力等问题是常见的地下工程问题，所以，为确保地下室的可靠性、安全性、以及其经济效益的合理性，在建筑工程设计地下室时，应综合考虑建筑工程所在位置、相关地理条件、以及地下环境等因素。
一、工程概況
某项目位于某市城区的一高层住宅小区，六度抗震设防。设计方案由5栋22层的塔式高层住宅楼组成，并规划有2层地下车库及设备用房，地上建筑面积有63000平方米，地下室建筑面积有20000平方米。该项目修建于山区岩石地基上，东面和西面建设有城市主要道路，北面和南面临近城市大型住宅区。本工程地下室如果设计不当，对抗震性能、结构安全、周边建筑安全、建筑防水、工程造价会产生较大影响。
二、地下室结构设计的分析
1合理确定地下室结构抗震等级
在《高层建筑混凝土结构技术规程》中，对地下室工程做出了如下规定：确保底部加强部位剪力墙、非底部加强部位的剪力墙，以及超出上部主楼范围 且无上部结构的部分，要求最低可抗三级地震；地下室顶层与上部结构紧密相联，起着嵌固作用，其框支框架最低可抵抗二级地震。
2选择结构嵌固端
影响高层建筑结构计算结果的一个最大因素结构嵌固端的确定。该高层建筑的特点是大底盘多塔楼，地下室顶层是本项目的结构转换层，所以可以将其作为塔楼的嵌固端。由于大底盘的楼层平面刚度比塔楼的楼层刚度大很多，因此，为提高大底盘部分的侧向刚度，从而使使转换层上下侧向刚度基本保持一致，需在转换层以下设置较多的落地剪力墙。
3地下室结构荷载
地下室结构竖向荷载有上部各层传来的重力荷载、地下室顶板面的覆土荷载、景观植被荷载、消防车荷载、施工和使用过程中可能出现的载重车荷载；水平荷载有侧向土压力、地下水压力、人防等效静荷载。地下室侧墙除承受侧向土压力、水压力等水平荷载外，还承受上部结构及各层地下室顶板传来的竖向荷载。根据《建筑结构荷载规范》规定，消防车荷载取20kn/ m2，地下水位以下土的容重，可取11kn/ m2。
4地下室侧墙结构计算
地下室侧墙设有足够数量的框支）架柱和扶壁柱，在侧向土压力和地下室顶板传来的竖向荷载作用下，侧墙板块一般按双向板计算配筋。扶壁柱按地下室整体结构计算结果配筋，并按侧墙双向板板块传递的水平荷载作用验算配筋。通常情况，由于竖向荷载产生的截面应力很小，为了计算方便，侧墙墙板仅按平面外受弯计算配筋；当竖向荷载很大时，也可分别按受弯和轴心受压计算墙体配筋，然后将二者叠加。
5地基承载力计算
塔楼部分传至基础的竖向荷载标准值和与其相连的裙房（或地下室车库）处相差很大，一般情况下两者的地基处理方式也不同。对于大底盘的地下室基础应分别验算地基承载力。
1）塔楼部分基础计算时，由于风荷载等水平荷载作用边角轴力较大，地基承载力应适当提高到1. 1 —1. 2倍。高层建筑物还应分别计算“重力荷载与水平荷载标准值组合”及“重力荷载标准值与多遇水平地震标准值组合”下的基地零应力区范围，以满足结构整体倾覆稳定。
2）上部无塔楼的地下室部分计算，不仅需要验算地基承载力，还应该按照《全国民用建筑工程设计技术措施》的抗浮验算公式进行抗浮验算。
6地下室抗浮设计
本项目修建于高坡地基上，地下室底板部分位于砂质泥岩石土层上，部分位于新近回填土层上。位于新近夯填粘土层上层滞水地表渗水、管道渗水）产生浮力，地下室就会上浮，或将地下室底板拱裂，柱子压坏等。因此，地下室结构设计中不能忽略抗浮问题。在地下水位较高的情况下，结构自重和其上的永久荷载如地下室顶板覆土、建筑面层等）不足以抵抗地下水的浮力，这时，地下室整体抗浮不满足设计要求，通常需要设置抗拔桩、抗拔锚杆满足整体抗浮要求。地下室侧墙和底板采用抗渗混凝土，抗渗等级按《地下工程防水技术规程》的相关要求确定。地下室结构抗浮验算必须根据岩土工程勘察单位提供的地下水浮力的设计水位进行验算。当抗浮水位较高，上部无塔楼的地下室部分抗浮验算不能满足要求时。应综合比较经济技术条件采取抗浮锚杆、抗拔桩和配重法来进行整体抗浮。
7地下室基础设计方案
由于高坡地基的不均匀性，为确保建筑物不致发生不均匀沉降或倾斜，在选择基础型式时应认真分析建筑场地的地质状况、由上部结构传给基础的荷载分布情况、抗震性能和施工条件。本工程选择采用机械嵌岩灌注桩基础，桩端持力层为中等风化砂质泥岩，桩长有6～18m，桩嵌岩深度不小于3倍桩径。深填方区灌注桩桩端采用后注浆技术，大幅度提高了桩基础单桩承载力。
8地基变形
长宽尺寸很大且上部荷载差异悬殊的地下室整体设计，是结构设计难题。如何控制因为地下室混凝土收缩应力和温度应力产生裂缝是工程质量保证的要求之一，工程中常用的措施有很多，通常采取综合措施：主裙楼设置的沉降后浇带、地下室的伸缩后浇带、膨胀加强带、混凝土中增加添加剂和抗裂纤维等。
施工阶段通过提高施工质量、加强混凝土的养护、做好保温隔热、减小混凝土的收缩和温度变形等措施进行裂缝控制。沉降后浇带设置在上部荷载很大的塔楼周圈，其基础沉降与周围裙房和地下室的基础沉降相差很大，因此，沉降后浇带必须待主楼封顶，沉降观测稳定后才能封闭。一般情况下，筏板基础沉降后浇带可设置在塔楼与相邻裙房的第一跨内。伸缩后浇带及膨胀加强带，主要用于减少混凝土的收缩应力，伸缩后浇带一般在混凝土浇筑60 d后才可以封闭，而膨胀加强带可以与主体结构一起浇筑。对于超长地下室结构应设置一定数量的伸缩后浇带。
基础不均匀沉降会导致基础产生倾斜，建筑物总重心对基础底面形心产生新的倾覆力矩，新的倾覆力矩增量增加基础倾斜度。为减少基础产生的倾斜，应尽量使结构竖向重心与基础底面形心重合。实际工程中建筑物平面形状复杂，应按规范规定的偏心距进行控制。另一个方面控制地下室基础底面持力层综合沉降量、提高地下室周边回填土质量，有利于确保地下室嵌固、抗震及抗倾覆。
9地下室混凝土裂缝控制方法
地下室一般会设置施工后浇带和施工缝，而不设置变形缝，以满足防水要求。后浇带通常分为两种，一种是沉降后浇带，一种是收缩后浇带。后浇带宽度应大于800mm，以确保可以贯通地下室侧墙、顶板、以及底板，其间距是30到40米。先绑扎好后浇带内的所有钢筋，并用微膨胀混凝土填充，在2个月后进行浇灌最为合适。地下室混凝土使用抗渗混凝土，裂缝宽度不宜超过0.2mm。
10地下室深基坑排水和支护施方案
按照场地平整挖填平衡施工方案要求，挖方土岩体采用压路机械分层夯填至地下室基坑底面，基坑侧壁采用自然放坡方式挖掘或分层夯填，放坡坡度对于岩层为1：0.75，土层为
1：1.2。当基坑侧壁为土层时，采用土钉墙进行支护，以保护基坑周边土体稳定，确保施工安全。基坑降水采用明沟、集水坑法排水，排水工作一直持续到基础和地下室施工完成以及侧
壁回填土完成。中途若停止降水，不仅影响正常施工，还可能因地下水浮力将地下室底板拱裂。
三、结束语
综上所述，高层建筑地下室的特点是埋置深、荷载大，且需严格计算沉降。在设计过程中，要认真分析计算高层建筑、地下室结构、以及抗浮分析计算，在设计地下室结构的抗震等级和基础方案，以及基坑降水支护方案和混凝土裂缝控制方法时，必须确保其合理性，从而提高地下室结构的质量安全。
杭州中翰建筑设计有限公司
【摘 要】本文通过一住宅工程项目设计实例，简要归纳了高层建筑地下室结构设计的相关问题，总结了地下室结构设计应注意的要点，分析了地下室结构设计必须符合抗震设防、裂缝控制、建筑防水等各方面要求的必要性。
【关键词】地下室；嵌固端；地基承载力；抗浮设计
随着现代建筑水平的快速提高，地下空间的开发和利用日益增多。在整个项目建设过程在中，地下工程占据着重要的地位，但随着地下工程的不断扩大，其复杂程度也不断增大，这就在一定程度上增大了地下工程设计的难度。地基的不均匀沉降、地下室抗浮能力等问题是常见的地下工程问题，所以，为确保地下室的可靠性、安全性、以及其经济效益的合理性，在建筑工程设计地下室时，应综合考虑建筑工程所在位置、相关地理条件、以及地下环境等因素。
一、工程概況
某项目位于某市城区的一高层住宅小区，六度抗震设防。设计方案由5栋22层的塔式高层住宅楼组成，并规划有2层地下车库及设备用房，地上建筑面积有63000平方米，地下室建筑面积有20000平方米。该项目修建于山区岩石地基上，东面和西面建设有城市主要道路，北面和南面临近城市大型住宅区。本工程地下室如果设计不当，对抗震性能、结构安全、周边建筑安全、建筑防水、工程造价会产生较大影响。
二、地下室结构设计的分析
1合理确定地下室结构抗震等级
在《高层建筑混凝土结构技术规程》中，对地下室工程做出了如下规定：确保底部加强部位剪力墙、非底部加强部位的剪力墙，以及超出上部主楼范围 且无上部结构的部分，要求最低可抗三级地震；地下室顶层与上部结构紧密相联，起着嵌固作用，其框支框架最低可抵抗二级地震。
2选择结构嵌固端
影响高层建筑结构计算结果的一个最大因素结构嵌固端的确定。该高层建筑的特点是大底盘多塔楼，地下室顶层是本项目的结构转换层，所以可以将其作为塔楼的嵌固端。由于大底盘的楼层平面刚度比塔楼的楼层刚度大很多，因此，为提高大底盘部分的侧向刚度，从而使使转换层上下侧向刚度基本保持一致，需在转换层以下设置较多的落地剪力墙。
3地下室结构荷载
地下室结构竖向荷载有上部各层传来的重力荷载、地下室顶板面的覆土荷载、景观植被荷载、消防车荷载、施工和使用过程中可能出现的载重车荷载；水平荷载有侧向土压力、地下水压力、人防等效静荷载。地下室侧墙除承受侧向土压力、水压力等水平荷载外，还承受上部结构及各层地下室顶板传来的竖向荷载。根据《建筑结构荷载规范》规定，消防车荷载取20kn/ m2，地下水位以下土的容重，可取11kn/ m2。
4地下室侧墙结构计算
地下室侧墙设有足够数量的框支）架柱和扶壁柱，在侧向土压力和地下室顶板传来的竖向荷载作用下，侧墙板块一般按双向板计算配筋。扶壁柱按地下室整体结构计算结果配筋，并按侧墙双向板板块传递的水平荷载作用验算配筋。通常情况，由于竖向荷载产生的截面应力很小，为了计算方便，侧墙墙板仅按平面外受弯计算配筋；当竖向荷载很大时，也可分别按受弯和轴心受压计算墙体配筋，然后将二者叠加。
5地基承载力计算
塔楼部分传至基础的竖向荷载标准值和与其相连的裙房（或地下室车库）处相差很大，一般情况下两者的地基处理方式也不同。对于大底盘的地下室基础应分别验算地基承载力。
1）塔楼部分基础计算时，由于风荷载等水平荷载作用边角轴力较大，地基承载力应适当提高到1. 1 —1. 2倍。高层建筑物还应分别计算“重力荷载与水平荷载标准值组合”及“重力荷载标准值与多遇水平地震标准值组合”下的基地零应力区范围，以满足结构整体倾覆稳定。
2）上部无塔楼的地下室部分计算，不仅需要验算地基承载力，还应该按照《全国民用建筑工程设计技术措施》的抗浮验算公式进行抗浮验算。
6地下室抗浮设计
本项目修建于高坡地基上，地下室底板部分位于砂质泥岩石土层上，部分位于新近回填土层上。位于新近夯填粘土层上层滞水地表渗水、管道渗水）产生浮力，地下室就会上浮，或将地下室底板拱裂，柱子压坏等。因此，地下室结构设计中不能忽略抗浮问题。在地下水位较高的情况下，结构自重和其上的永久荷载如地下室顶板覆土、建筑面层等）不足以抵抗地下水的浮力，这时，地下室整体抗浮不满足设计要求，通常需要设置抗拔桩、抗拔锚杆满足整体抗浮要求。地下室侧墙和底板采用抗渗混凝土，抗渗等级按《地下工程防水技术规程》的相关要求确定。地下室结构抗浮验算必须根据岩土工程勘察单位提供的地下水浮力的设计水位进行验算。当抗浮水位较高，上部无塔楼的地下室部分抗浮验算不能满足要求时。应综合比较经济技术条件采取抗浮锚杆、抗拔桩和配重法来进行整体抗浮。
7地下室基础设计方案
由于高坡地基的不均匀性，为确保建筑物不致发生不均匀沉降或倾斜，在选择基础型式时应认真分析建筑场地的地质状况、由上部结构传给基础的荷载分布情况、抗震性能和施工条件。本工程选择采用机械嵌岩灌注桩基础，桩端持力层为中等风化砂质泥岩，桩长有6～18m，桩嵌岩深度不小于3倍桩径。深填方区灌注桩桩端采用后注浆技术，大幅度提高了桩基础单桩承载力。
8地基变形
长宽尺寸很大且上部荷载差异悬殊的地下室整体设计，是结构设计难题。如何控制因为地下室混凝土收缩应力和温度应力产生裂缝是工程质量保证的要求之一，工程中常用的措施有很多，通常采取综合措施：主裙楼设置的沉降后浇带、地下室的伸缩后浇带、膨胀加强带、混凝土中增加添加剂和抗裂纤维等。
施工阶段通过提高施工质量、加强混凝土的养护、做好保温隔热、减小混凝土的收缩和温度变形等措施进行裂缝控制。沉降后浇带设置在上部荷载很大的塔楼周圈，其基础沉降与周围裙房和地下室的基础沉降相差很大，因此，沉降后浇带必须待主楼封顶，沉降观测稳定后才能封闭。一般情况下，筏板基础沉降后浇带可设置在塔楼与相邻裙房的第一跨内。伸缩后浇带及膨胀加强带，主要用于减少混凝土的收缩应力，伸缩后浇带一般在混凝土浇筑60 d后才可以封闭，而膨胀加强带可以与主体结构一起浇筑。对于超长地下室结构应设置一定数量的伸缩后浇带。
基础不均匀沉降会导致基础产生倾斜，建筑物总重心对基础底面形心产生新的倾覆力矩，新的倾覆力矩增量增加基础倾斜度。为减少基础产生的倾斜，应尽量使结构竖向重心与基础底面形心重合。实际工程中建筑物平面形状复杂，应按规范规定的偏心距进行控制。另一个方面控制地下室基础底面持力层综合沉降量、提高地下室周边回填土质量，有利于确保地下室嵌固、抗震及抗倾覆。
9地下室混凝土裂缝控制方法
地下室一般会设置施工后浇带和施工缝，而不设置变形缝，以满足防水要求。后浇带通常分为两种，一种是沉降后浇带，一种是收缩后浇带。后浇带宽度应大于800mm，以确保可以贯通地下室侧墙、顶板、以及底板，其间距是30到40米。先绑扎好后浇带内的所有钢筋，并用微膨胀混凝土填充，在2个月后进行浇灌最为合适。地下室混凝土使用抗渗混凝土，裂缝宽度不宜超过0.2mm。
10地下室深基坑排水和支护施方案
按照场地平整挖填平衡施工方案要求，挖方土岩体采用压路机械分层夯填至地下室基坑底面，基坑侧壁采用自然放坡方式挖掘或分层夯填，放坡坡度对于岩层为1：0.75，土层为
1：1.2。当基坑侧壁为土层时，采用土钉墙进行支护，以保护基坑周边土体稳定，确保施工安全。基坑降水采用明沟、集水坑法排水，排水工作一直持续到基础和地下室施工完成以及侧
壁回填土完成。中途若停止降水，不仅影响正常施工，还可能因地下水浮力将地下室底板拱裂。
三、结束语
综上所述，高层建筑地下室的特点是埋置深、荷载大，且需严格计算沉降。在设计过程中，要认真分析计算高层建筑、地下室结构、以及抗浮分析计算，在设计地下室结构的抗震等级和基础方案，以及基坑降水支护方案和混凝土裂缝控制方法时，必须确保其合理性，从而提高地下室结构的质量安全。