淺析建筑地下室設計與構建方法

摘要：隨著現代人防工程、物流儲備、泊車需要等，大多數建筑通常都設計建筑了地下室，地下室和地上建筑均連成一個整體，地下室的設計關系著整個建筑的穩固與抗震等功能，筆者本文就地下室的補償性設計概念、抗浮設計及基礎性設計幾個問題談談自己的幾點心得，和同仁共商榷。

關鍵詞：地下室；補償性設計；地下室設計；地下建筑

地下室是當前建筑中通常施工和建造的底層基礎建設工程，地下室建筑設計事關整個建筑的質量和穩固，我們不妨將一艘航空母艦看成是一幢建筑物，我們會驚訝地發現該建筑物竟然可以建造在毫無抗剪強度的海水之中。船體之所以不會沉沒，是因為船甲板以下有足夠的空間，船體的重量被其所排開的水的重量置換了。可見地下室的設計對整個建筑物的穩定性具有直接的關鍵作用，地下室的設計涉及到一個地基基礎的補償性問題，抗浮設計及基礎性設計幾個問題，下面本文將一一論述。

1 地基基礎的補償性設計概念

在軟弱地基上建造采用箱形或筏形基礎的高層建筑時，常常會遇到地基承載力或地基沉降不滿足要求的情況。采用補償性基礎設計是解決這一問題的有效途徑之一。同樣，只要把建筑物的基礎或地下部分做成中空、封閉的形式，那么被挖去的土重就可以用來補償上部結構的部分甚至全部重量。這樣，即使地基土非常軟弱，地基的穩定性和沉降也都很容易得到保證。按照上述原理進行的地基基礎設計，可稱為補償性基礎設計，這樣的基礎稱為補償性基礎。當基底實際平均壓力(已扣除水的浮力)等于基底平面處土的自重應力時，稱全補償性基礎；小于自重應力，稱超補償性基礎；大于自重應力為欠補償性基礎。箱形基礎和具有地下室的筏形基礎是常見的補償性基礎類型。

雖然補償性基礎設計使得基底附加壓力大為減小，從而使由基底附加壓力產生的地基沉降大大減小，但基礎仍然存在沉降問題。因為在深基坑開挖過程中所產生的坑底回彈及隨后建筑基礎和上部結構的再加負載可能引起顯著的沉降。坑底的回彈是在開挖過程中連續、迅速發生的，因而無法完全避免，但如果減少應力的解除量(即減少地基土的膨脹)，則在施加荷載后沉降將顯著減小。為了盡量減少應力的解除，可以設法用建筑物的重量不斷替換被挖除的土體重量，以保持地基內的應力狀態不變。

L·齊瓦特(Zeevaert)在墨西哥的著名高壓縮性土地基上建造補償性箱形基礎時，運用了一種旨在盡可能減少應力解除的特殊施工方法，該法最大的特點是基坑的分階段開挖和荷載的逐步替換。施工順序如下：在第一階段，基坑只開挖到預定總深度的一半左右，這樣可以減少坑底回彈，同時也有利于坑底土體的穩定。為了進一步減少應力解除，還可以在基坑內布置深井進行抽水，以便大幅度降低地下水位，使地基中的有效自重壓力增加。第二階段的開挖，采用重量逐步置換法。即按照箱基隔墻的位置逐個開挖基槽，到達基底標高后，在槽內澆筑鋼筋混凝土隔墻，讓墻體的重量及時代替挖除的土重。接著建造一部分上部結構，然后次第挖去墻間的土并澆搗底板，形成封閉空格后，立即充水加壓。基坑開挖時還需注意避免長時間浸水，開挖后應及時修建基礎，因為應力的解除會導致土中粘土顆粒表面的結合水膜增厚，使土體體積膨脹、坑底隆起，加劇基礎的沉降。

2 地下室的抗浮設計

在在地下室底板(箱基底板或筏板)完工后，上部結構底下幾層完工前這一期間，如果可能出現地下水位高出底板底面標高很多的情況，必須對地下室的抗浮穩定性和底板強度進行驗算。(1)地下室的抗浮穩定性驗算地下室的整體抗浮穩定性安全系數K應符合下式要求：

K=Gk≥1．5

FW

式中：GK一一地下室及已建上部結構自重；

FW——地下水對地下室的浮托力，FW=rwhwA；

hW——地下水位至底板底面的距離，地下水位取施工期間可能出現的最高水位，必要時也可取室外地面標高；

A——地下室水平投影面積。此外，還需考慮自重Gt與浮力F。作用點是否基本重合。如果偏心過大，可能會出現地下室一側上抬的情況。

當K不能得到滿足時，可采用如下措施以提高地下室的抗浮穩定：①盡快施工上部結構，增大自重；②在箱格內充水，在地下室底板上堆砂石等重物或在頂板上覆土，作為平衡浮力的臨時措施；③將底板沿地下室外墻向外延伸，利用其上的填土壓力來平衡浮力；④在底板下設置抗拔樁或抗拔錨桿，當基坑周圍有支護樁(墻)時，可將其作為抗拔樁來加以利用。(2)底板強度驗算地下室在施工期間，須確保其底板在地下水浮力作用下具有足夠的強度和剛度，并滿足抗裂要求。地下室底板在使用期間通常是按倒樓蓋法進行內力分析的，但在施工期間，由于上部結構尚未建造，或上部結構已建造但其剛度尚未形成，故底板的內力計算不能按倒樓蓋法進行，應結合具體情況選擇合適的計算簡圖。如果底板的截面尺寸過大或配筋過多，可考慮在底板下設置抗拔錨桿或抗拔樁以改變底板的受力狀態。3．后澆帶的設置：地下室一般均屬于大體積鋼筋混凝土結構。為避免大體積混凝土因收縮而開裂，當地下室長度超過40m時，宜設置貫通頂、底板和內外墻的后澆施工縫，縫寬不宜小于800mm，且縫內的鋼筋必須貫通。為減少高層建筑主樓與裙房間的沉降差異，施工時通常在裙房一側設置后澆帶，后澆帶的位置宜設在距主樓邊柱的第二跨內。后澆帶混凝土宜根據實測沉降值，并在計算后期沉降差能滿足設計要求后方可進行澆筑。后澆帶的處理方法與施工縫相同。施工縫與后澆帶的防水處理要與整片基礎同時做好，并要采取必要的保護措施，以防止施工時損壞。

3 地下室基礎性設注意事項

高層建筑高度大、重量大，在水平力作用下有較大的傾覆力矩與剪力，對基礎及地基的要求較高。高層建筑結構宜設置地下室形成補償性基礎來降低地基附加壓力。下面給出地下室基礎設計的一般原則。

1）上部結構的特點是選擇基礎設計方案的重要因素。基礎設計時要把地基、基礎和上部結構當成一個整體來考慮：當上部結構剛度和整體性較差，地基軟弱，且不均勻時，基礎剛度應適當加強；當上部結構剛度和整體性較好，荷載分布較均勻，地基也比較堅硬時，則基礎剛度可適當放寬。

2）一般情況下，地基的土質均勻、承載力高、沉降量小時，可以采取天然地基和豎向剛度較小的基礎；反之，則應采用人工地基或豎向剛度較大的整體式基礎。

3）當采用樁基時，應盡可能采用單根、單排大直徑樁或擴底墩，使上部結構的荷載直接由柱或墻傳至樁頂；基礎底板因受力很小而可以做得較薄，如果采用多根或多排小直徑樁，基礎底板就會受到較大彎矩和剪力，從而使板厚增大。4減少地震作用對上部結構的影響。震害調查表明：有地下室的建筑物震害明顯減輕。同一結構單元應全部設置地下室，不宜采用部分地下室，且地下室應當有相同的埋深。

參考文獻

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