某邊坡建筑結構設計思路分析

梁大偉

(山西省建筑科學研究院，山西太原 030001)

1 工程概況

某建筑場地位于山西北部濕陷性黃土地區，屬于黃土臺地，建筑場地高差較大，邊坡上下高差達到12 m左右，邊坡現狀接近直立，邊坡上、下各為一條規劃道路。邊坡上邊沿至規劃道路距離為4 m，邊坡下邊沿至規劃道路距離為20 m。

場地現狀見圖1。

考慮其地理位置優越性和其商業價值，建設單位考慮在邊坡下邊沿至規劃道路之間，建設一幢商業住宅樓，并且1層～4層商業區在上、下兩條規劃路上南向、北向均設置出入口。規劃商住樓地下1層，地上8層，地上1層～4層為商業，5層～8層為公寓式住宅，整個建筑規劃長140余米，寬12 m，總高32 m。建筑剖面圖見圖2。

圖1 建筑場地現狀圖

圖2 建筑剖面圖

2 總體設計思路

經建設單位委托后，結合建筑功能、場地特點等分析考慮，該建筑主要難點在于邊坡支護工程和主體結構工程的處理方法。

考慮到的處理方法有兩種，辦法一是先進行邊坡治理，邊坡支護治理后，再進行結構主體施工。但邊坡治理時，要考慮地下室及基礎開挖約5 m深而導致的邊坡高度增加、破壞原邊坡土體結構穩定帶來的危險性。同時邊坡治理時必然會放坡，4層北側的出入口與邊坡頂上規劃路搭接需要采取措施，搭接部分下部如不回填土，則形成建筑死角，如回填土，則建筑北側1層～3層外墻還必須做成擋土墻，且4層高的擋土墻雖然其土壓力不大，但相比填充墻，其造價必然會成倍增加。辦法二是邊坡擋土墻支護與建筑北側外墻結合為一，采取做厚建筑北側外墻兼做邊坡擋土墻，同時利用建筑物總體的重量，抵抗其邊坡的土壓力。該辦法從建筑施工角度、建筑成本角度考慮，必然是經濟合理的，該辦法其實是將邊坡和建筑結合在一起，該建筑抗滑移和抗傾覆的利害關系和邊坡的穩定性是一致的。主要難點在于，如何利用建筑的自重來抵抗邊坡土壓力，采取什么其他措施，保證建筑在使用階段邊坡的穩定性。

該建筑基坑及邊坡開挖后現場情況見圖3。

圖3 建筑基坑及邊坡開挖后現場情況

3 設計思路分析確定

兩個設計思路，各有利弊，第一種辦法其結構設計思路簡單，可以完全將邊坡治理拋開，交給專業的巖土工程單位完成，但其一邊要進行邊坡治理，邊坡高度達到約17 m，另一方面，邊坡治理后，其建筑1層～3層北側外墻仍需做成擋土墻，相比成本很高，巖土施工和結構施工也存在搭接處理問題。辦法二將邊坡治理與結構外墻設計結合，其成本造價會大幅縮減，同時結構主體與擋土墻可以連續一次完成施工，不存在搭接處理問題，但其難點是如何利用建筑自重抵抗土壓力，如何滿足邊坡和建筑的抗滑移和抗傾覆要求，這都給結構工程設計帶來很大的難度。

經過反復的方案討論，以及多次與建設單位商討，最后決定采用辦法二進行設計施工。

4 結構設計方案確定

本工程的難點就在于結構設計，結構設計過程中主要遇到以下幾個難點:

1)整體結構形式的確定;

2)建筑北側擋土墻的確定;

3)建筑整體抗滑移的安全性問題;

4)建筑整體抗傾覆的安全性問題;

5)其他結構措施。

4．1 結構整體形式的確定

本建筑地下1層，地上8層，1層～4層均為商業用途，考慮到商業用途的特點，必然采用大跨度、大空間結構體系，所以初步確定采用框架結構體系，框架結構在1層～4層，其北側外墻均采用鋼筋混凝土擋土墻，其余部分采用混凝土砌塊填充墻，其北側擋土墻沿建筑長方向都有布置，長度可達140余米，考慮到其擋土高度，加地下室高度達到16 m，其墻厚也必然大于常規建筑的擋土墻，故采用整體框架結構加北側鋼筋混凝土擋土墻結構，其抗側力構件的平面布置屬于嚴重不規則，北側結構剛度與其他部位相比會很大，剛度嚴重不均勻，抗震驗算過程中，其結構振型也發生較大的扭轉位移，對抗震很不利。

同時考慮到上部4層為公寓式住宅，大截面的框架柱、框架梁體系必然影響其使用和美觀要求，故結構方案調整為框架剪力墻結構體系，同時減小原方案中框架柱、框架梁的截面尺寸，在建筑的內部、南側及東西側局部適當位置增加部分剪力墻，減小結構剛度不均勻及扭轉變形的影響，結構模型經過多次的反復調整驗算，才達到比較理想的結果。

4．2 建筑北側擋土墻的確定

一般常規的結構擋土墻，其厚度一般為250 mm或300 mm，考慮到本擋土墻高度，計劃地下室部分采用550 mm厚，上部依次遞減，最上部為300 mm厚擋土墻。該建筑北側擋土墻，包括地下室其高度達到約16 m，共分為4層，計算時考慮中間有框架柱和框架梁劃分結構單元，按結構板進行計算。北側擋土墻進行配筋計算時，其相當于將側向土壓力施加于結構板，結構板將荷載傳遞于框架梁，最后傳給框架柱，這樣最北側一排的框架柱，其受力必然大于其他位置的框架柱，除主要承受軸向壓力外，同時要承受較大的彎曲變形，框架柱截面和配筋都將大幅增加，影響其使用和美觀。故考慮將最北側一排框架柱的內力進行二次傳遞，以減小其荷載，結構采取的措施是在南北方向最北側一跨框架柱之間的部位，設置側向支撐，即將最北一跨的兩排框架柱之間增加墻肋，為不影響使用，主要設置在兩側山墻、單元隔墻、樓梯間等部位，通過墻肋的傳遞，將最北側一排直接承受擋土墻作用的框架柱內力向第二排框架柱傳遞，同時墻肋與兩排框架柱整體澆筑配筋，相當于變相的將最北側一跨整體做成變截面柱，與原來兩排框架柱相比，剛度大幅增加，抵抗彎矩的能力也增加。該建筑結構平面墻、柱布置見圖4。

圖4 建筑結構墻柱平面布置圖

4．3 建筑整體抗滑移安全性

由于本建筑位于黃土臺地，其北側為黃土邊坡，且建筑承擔邊坡擋土墻，為防止建筑物沿基礎底面發生滑移破壞，故必須對該建筑進行抗滑移驗算，驗算公式采用式(1)［1］。

式中:Gn——結構擋土墻自重在垂直于基底平面方向的分力;

Gt——結構擋土墻自重在平行于基底平面方向的分力;

Ean——Ea在垂直于基底平面方向的分力;

Eat——Ea在平行于基底平面方向的分力;

μ——基底地基土對擋土墻基底的摩擦系數;

KS——基底抗滑移安全系數，即抗滑力與滑動力之比，一般要求大于 1．3。

根據當地的經驗結合本次工程的巖土工程勘察報告，本次計算中取 γ=18 kN/m3，c=10 kPa，φ =20°，地面道路荷載按 q=20 kN/m2，摩擦系數取 0．5。

考慮到本次基礎采用筏板基礎，故特別要求將筏板下面做300 mm的褥墊層，為增大摩擦系數，褥墊層必須采用碎石土及中粗礫砂，這樣其摩擦系數即由原來濕陷性黃土的0．35提高至0．55，有效地增大了摩擦力［2］。經過計算本工程其抗滑移安全系數為 1．7，大于 1．3，滿足工程需要。

4．4 建筑整體抗傾覆驗算

由于該建筑北側外墻兼做邊坡的擋土墻，考慮到多數擋土墻都是由于墻后土壓力過大而基礎埋置較淺，發生整體傾覆破壞，故需驗算建筑整體在北側擋土墻后土壓力的作用下，不發生沿建筑南側墻踵點發生傾覆破壞，要求其抗傾覆力矩必須大于傾覆力矩。本次計算采用式(2)［1］進行計算。

式中:Eax——Ea的水平分力;

Eaz——Ea的豎向分力;

G——擋土墻每延米自重;

xf——土壓力作用點距離墻踵點的水平距離;

x0——擋土墻重心距離墻踵點的水平距離;

Kt——基底抗傾覆安全系數，一般要求大于1．5。

本次計算參數選取與抗滑移驗算一致，計算結果抗傾覆安全系數為3．4，遠大于1．5，滿足工程需要。計算中擋土墻與建筑為一個整體，擋土墻自重即采用建筑自重，由于建筑自重較大，遠大于一般的擋土墻，故其抗傾覆安全系數也較大。

4．5 其他結構措施

本建筑位于黃土臺地，建筑外側即為邊坡，部分建筑外墻還兼做邊坡擋土墻，與其他一般場地的建筑有很大不同，故在結構設計及地基基礎設計時，采取了多項有效措施，保證結構在使用期限內整體的穩定性與安全性。

1)建筑北側為邊坡，北側外墻為擋土墻，墻后土體對建筑整體有一個側向的土壓力作用，考慮到其抗滑移安全系數為1．7，雖滿足工程需要，但沒有足夠的安全儲備。故為了增大建筑整體的抗滑移安全性，在建筑南側，基礎筏板邊緣外側，緊貼筏板邊緣，沿擋土墻方向打2排鋼筋混凝土抗滑樁，樁頂標高高出筏板頂面0．5 m，樁長15 m，樁間距 1．2 m，樁徑 0．8 m，三角形布置。抗滑樁的施工，大大地增加了建筑整體的抗滑移性能。

2)該建筑為地上8層，地下1層，抗滑移驗算中，其北側實際主動土壓力計算高度為3層樓高加地下室高，南側被動土壓力計算為地下室高。計算過程中根據實際情況，利用了南側的被動土壓力來抵抗建筑滑移，故結構設計時，在南側地下室基坑開挖后，配合其他各專業，將室外管溝施工同步進行，同步回填，并將管溝結構采取加固措施。要求基坑施工完成回填后，尤其在擋土墻開始抵抗土壓力后以及在今后使用過程中，建筑南側地面不得隨意取土、開挖，防止由于南側被動土壓力的卸載而導致的建筑整體抗滑移安全性降低。

3)建筑南側、北側室外高差約12 m，北側四層地面出口與北側邊坡上規劃路相連，下部為回填土。建筑北側外墻與規劃路之間距離約4 m，開始建筑設計為1．2 m寬散水和2．8 m寬植草磚。后考慮到其下部為回填土，規劃路下部為原天然濕陷性黃土，為防止由于雨水滲入或其他排水不暢造成回填土和黃土濕陷下沉，對擋土墻安全性造成不利影響，故填土回填后在建筑北側外墻與規劃路之間取消原散水和植草磚，改為200 mm厚混凝土硬化地面，與建筑外墻做好柔性連接，并在硬化地面下做防水層一道，與擋土墻防水層相接。建議協調將來規劃路施工單位，使規劃路路牙與硬化地面做好連接，道路做好有組織排水，不得積水，同時道路外側地面不得超載。

4)在建筑使用過程中，建議建設單位委托有資質的測繪單位，對建筑北側邊坡頂和南側邊坡底做好長期穩定性觀測，保證使用過程中的安全性。

5 結語

1)邊坡場地的建筑，尤其是直立邊坡，可以考慮利用建筑外墻充當邊坡擋土墻，利用建筑整體的自重來抵抗邊坡的穩定性。

2)建筑結構的外墻或部分結構構件發揮擋土作用時，在結構整體抗震計算時，應考慮擋土構件對結構整體性的影響，必要時采取其他措施來抵消其對結構整體性的影響。

3)對于邊坡建筑，應采取各種有效地措施增強其結構整體的抗滑移、抗傾覆安全系數，可考慮增大結構自重、增加摩擦系數、增長建筑寬度、主動土壓力卸載、增大被動土壓力等，特別是對于抗滑移安全系數不高的情況，打抗滑樁是一種十分有效的措施。4)邊坡建筑設計時，同其他一般場地建筑不同，結構專業應同其他專業密切配合，對室外管溝走向、管溝施工順序及開挖情況、室外防水措施、場地今后使用情況、邊坡周圍今后規劃情況等做詳細了解，充分考慮其是否對邊坡及建筑的穩定性產生影響。

［1］趙明華．土力學與基礎工程［M］．武漢:武漢工業大學出版社，2000．

［2］譚成發，唐鴻卿．重慶某建筑邊坡居住建筑基礎設計［J］．四川建材，2011(3):124-125．