地下室擋土墻的設計

孔 鵬

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

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地下室擋土墻的設計

孔 鵬

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

理論分析了混凝土地下室外墻的防水措施，并采用結構構造措施對兩種材料的連接作了進一步加強處理，指出混凝土結構的外墻計算要選擇合理的計算模型，且需要做詳細分析并加強重點受力部位的配筋。

砌體結構，混凝土結構，地下室外墻，防水措施

隨著經濟的發展和科學技術的不斷進步，人們的生活水平也有了不斷地提高。由于土地資源的緊張促使目前建筑朝著超高和大深度方向不斷發展。地下建筑的開發和利用已經給我們帶來生活上的便利和舒適的享受。地下建筑外擋墻的防水和安全問題既影響到建筑工程造價又關系到室內的正常合理使用，故地下外墻的合理設計與防護顯得尤為重要。

1 高水位地區砌體建筑地下外墻的設計

據不完全統計，華北某市城區有大量的砌體結構房屋地下室存在不同程度的滲水現象(20世紀80年代～90年代的舊有建筑更嚴重一些)，這造成許多地下室儲物間內長期充水而不能有效利用。根據該市地形及地質情況研究可知漏水的砌體建筑共同特點是地下水位相對較高及防水層嚴重失效。從結構耐久性角度講，高水位地下建筑在防水層失效后在水壓作用下容易通過建筑磚縫的孔隙滲入建筑內部，且在北方隨著季節性凍融的變化凍土層范圍內的砌體更容易受到凍融影響，隨著時間的推移必將影響到結構的耐久性。砌體地外墻同混凝土地外墻不同，由于散體材料的砂漿粘結及施工的不確定性，目前結構本身并沒有特別有效的抗滲措施，從GB 50108—2008條款內容看，大部分條款均為介紹混凝土部分的防水與防漏措施。

從以上分析可知，從防護的角度講，這對建筑外防水層提出更高要求，尤其是其耐久性的要求。從結構角度講，對最高水位超過基礎頂面的砌體結構用混凝土地外墻并確定抗滲等級也更加合理。

以砌體住宅為例，砌體結構側向剛度大，地震作用下側向位移小，地下層結構本身所承受的地震力小，且在僅局部地下外墻改為較薄厚度的混凝土墻的情況下，結構地下層整體剛度增大較小，因此局部調整情況下對結構抗震影響甚微，故抗震問題暫且不在這里討論。因砌體和混凝土材料的彈性模量的差別較大，加之砌體為散體材料，抵抗不均勻變形的能力比一般混凝土結構差些，故豎向荷載下地下室交接處的變形協調是突出的問題，尤其在結構兩種材料銜接部位。這個問題理論上可以通過調整地下室砌體材料和混凝土強度等級及混凝土墻截面尺寸來解決。

實際工程中，任何結構在結構材料相同的情況下同一樓層不可能每個豎向構件的軸向應力都相同(如框架結構同層柱各柱的軸壓比)，均為各個部位大小不等的應力分布，因此按理論分析工程總存在豎向構件的豎向變形差，一般結構會通過結構樓層處構件的面外變形以及地基沉降予以調節，但這個差值會隨樓層的增大而逐漸積累。另外從基礎規范5.3.4條可知砌體承重結構的局部傾斜為0.2%～0.3%，這里是對地基變形條件下的結構變形控制并且未考慮砌體結構的豎向壓縮變形。假如該變形是砌體房屋內橫墻的兩端沉降差，則對于一般建筑外墻橫向尺寸假設為15 m(如住宅的單元分戶隔墻，且一般無洞口)的砌體房屋來說，該墻兩端點間的豎向變形為30 mm～45 mm,這也從側面說明砌體結構本身具有一定的豎向不均勻變形的調節能力。

從結構設計的角度講，該處所說的混凝土墻和砌體墻變形不協調問題可通過以下結構措施在結構內部予以消除。具體原因可說明如下：其一，既然兩種材料彈性模量差別大，那就可以通過改變上下兩種材料的截面尺寸來調整，讓模量小的材料截面尺寸盡量大些，而模量大的材料截面尺寸盡量小些，在地下室部分建筑橫墻截面加大(對于住宅樓一般由240 mm變為490 mm)。兩種材料豎向交界面處通過類似“牛腿”構造來實現豎向傳力的順暢，在有混凝土樓板的情況下，這種方案對結構整體分析不會產生大的影響。其二，由于砌體結構的豎向承重墻普遍較多，結構縱橫向通過砌體咬合連接，這樣實現了較大的結構空間剛度(遠大于框架結構的梁柱連接剛度)，故在荷載向下傳遞的過程中砌體結構的空間內力重分布效應更大，這有利于不同剛度構件間變形的協調，剛度大的部分荷載自然會承擔多一些。這種有利作用因為砌體材料的離散性較大的本性而不易在目前的空間結構軟件中實現，但確實是客觀存在的，設計時需要合理把握。其三，以上分析的基礎上再增加一些結構的構造措施來進一步減少不同剛度材料的豎向變形差異，這對于結構是至關重要的措施。可以在混凝土外墻和砌體連接部位設置高度適當大一些的圈梁并配合設置離外墻尺寸較近的橫墻(即支撐墻)內構造柱以盡量改善該部分砌體抵抗不均變形的能力。另外地下砌體部分墻體中部可以多設幾道素混凝土帶以達到置換墻體的目的，這樣會進一步改善墻體抗變形能力并且提高墻體總體的豎向變形模量(如圖1，圖2所示)。第四，如果當地條件允許，還可以盡量選用彈性模量大的砌塊和砂漿組合來加大地下部分的砌體的彈性模量，這樣可以從根本上解決兩種材料變形差異的問題。由以上可知，鋼筋混凝土外墻配合建筑柔性防水層基本上可以從理論上解決高水位地區砌體結構的地下室防水問題。從上述分析看，該方法在實際操作中亦具有可行性。

2 混凝土建筑地下外墻的設計

目前大部分民用建筑的地下室外墻普遍采用簡化的計算方法進行結構設計。實際工程中，混凝土擋土墻的設計應該向稍微精細化的方向邁進。

在工程土壓確定的情況下，合理確定結構的周邊支承是非常重要的。一般情況下，擋墻較厚而樓板較薄，擋墻頂部樓板對其面外的轉動約束較弱，通常取鉸接設計擋土墻；但是在有人防工況或者樓板較厚時，樓板與擋墻厚度比較接近時兩者面外剛度相差不懸殊，可以適當考慮樓板對擋墻的約束作用。這時擋墻和頂部樓板連接的鋼筋構造宜按固接處理。這樣可以降低擋墻中部的面外彎矩，并且在擋墻越靠近頂部土壓會線性減少的情況下，這樣簡化更有利于減小擋墻厚度并因受力的合理性而降低結構含鋼量。

目前，有人員活動的地下建筑出于對建筑功能的考慮普遍要求地下室要采光及加強通風，這樣就需設置窗井墻。地下室窗井墻要配合建筑專業要求盡可能合理確定窗井墻的縱向分段長度，適當設置橫隔可以有效減小墻厚并合理確定配筋。窗井墻設計時一般情況下自重可以忽略不計，這樣就簡化成面外受力的純彎構件。曾經遇到高層住宅兩層地下室，約10 m高的窗井墻沿建筑外墻通長設置。原設計按照純懸臂計算擋墻配筋造成墻厚過大并造成配筋的極大浪費，并且結構配筋方案并不合理。對于多層超深地下室這種方案更不合理。在這種情況下，將內外墻交接處混凝土墻延伸至窗井墻以形成有效面外支承，在采用有限元軟件合理模擬邊界條件的情況下計算并根據擋墻受力狀態分區配置鋼筋才是更加合理的方案。從圖3，圖4可知，擋墻內側的配筋有可能起控制作用，而懸臂板配筋計算模式下，墻內側只受壓，根本不可能出現受拉區。由以上可知擋土墻計算模式的假定不可以過于隨意，這樣容易造成安全隱患。設計中應根據結構的實際受力詳細分析，選擇出符合結構受力的模型才是最合理的。通常情況下，應力分布圖決定了結構配筋可采用分區域配置，一般擋墻截面尺寸不大，可以采用雙層雙向配置最小配筋率(若同時為抗震墻時需在結構抗震計算滿足的前提下)局部再補充附加鋼筋的方案，對重點受力部位局部加強處理。這不僅可以節省鋼筋用量且受力合理，還有利于防止高水位地區的外墻裂縫的開展。

對于高層框架結構或剪力墻結構的混凝土地外墻因其上部荷載較大，故設計時宜考慮墻體軸向應力的影響。墻體作為壓彎構件，其軸向應力有利于減小混凝土裂縫的開展。對于框剪結構或框架結構因地外墻的應力從框柱與混凝土墻交接部位才開始向下擴散，這樣混凝土地外墻的開間尺寸及墻體凈高成為確定墻體軸向應力的關鍵因素，因地外墻在豎向有非常大的豎向剛度且整體性好，故在墻體開間和凈高之比接近時可以適當考慮框柱軸向應力的平均分布，其他情況可暫不考慮此有利因素。為進一步增加結構的安全度，分布應力需適度折減，設計時應根據具體情況合理把握。

3 結語

1)高水位區常規砌體結構地下室外墻可采用較薄尺寸的混凝土外擋墻解決結構自防水問題。

2)混凝土建筑地下室外墻的設計應采用精細化設計，對于大寬度及大深度的地下室擋墻應選取合適的結構方案。擋墻采用分區域配筋的方案更加合理且重點部位應適當加強。

3)對于高層剪力墻、框架剪力墻結構的混凝土外墻，當開間與凈高尺寸接近時可以適當考慮墻體上部的軸向應力影響按壓彎構件設計。

[1] GB 50108—2008，地下工程防水技術規范[S].

[2] GB 50007—2011，建筑地基基礎設計規范[S].

[3] 朱丙寅，婁 宇，楊 琦.建筑地基基礎設計方法及實例分析[M].第2版.北京：中國建筑工業出版社，2016.

The design of the retaining wall in the basement

Kong Peng

(ShanxiArchitecturalDesignResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

For masonry structure with concrete retaining wall in the basement waterproofing measures are analyzed in theory and adopts the structure measures to further strengthen the connection of two kinds of material do processing, reasonable calculation model of retaining wall of concrete structure in the basement needs to be done a detailed analysis and strengthen the reinforcement of the key mechanical parts is necessary.

masonry structure, concrete structure, retaining wall in the basement, waterproofing measures

1009-6825(2016)31-0051-02

2016-08-20

孔 鵬(1983- )，男，工程師

TU476.4

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