梁大伟

(山西省建筑科学研究院，山西太原 030001)

1 工程概况

某建筑场地位于山西北部湿陷性黄土地区，属于黄土台地，建筑场地高差较大，边坡上下高差达到12 m左右，边坡现状接近直立，边坡上、下各为一条规划道路。边坡上边沿至规划道路距离为4 m，边坡下边沿至规划道路距离为20 m。

场地现状见图1。

考虑其地理位置优越性和其商业价值，建设单位考虑在边坡下边沿至规划道路之间，建设一幢商业住宅楼，并且1层～4层商业区在上、下两条规划路上南向、北向均设置出入口。规划商住楼地下1层，地上8层，地上1层～4层为商业，5层～8层为公寓式住宅，整个建筑规划长140余米，宽12 m，总高32 m。建筑剖面图见图2。

图1 建筑场地现状图

图2 建筑剖面图

2 总体设计思路

经建设单位委托后，结合建筑功能、场地特点等分析考虑，该建筑主要难点在于边坡支护工程和主体结构工程的处理方法。

考虑到的处理方法有两种，办法一是先进行边坡治理，边坡支护治理后，再进行结构主体施工。但边坡治理时，要考虑地下室及基础开挖约5 m深而导致的边坡高度增加、破坏原边坡土体结构稳定带来的危险性。同时边坡治理时必然会放坡，4层北侧的出入口与边坡顶上规划路搭接需要采取措施，搭接部分下部如不回填土，则形成建筑死角，如回填土，则建筑北侧1层～3层外墙还必须做成挡土墙，且4层高的挡土墙虽然其土压力不大，但相比填充墙，其造价必然会成倍增加。办法二是边坡挡土墙支护与建筑北侧外墙结合为一，采取做厚建筑北侧外墙兼做边坡挡土墙，同时利用建筑物总体的重量，抵抗其边坡的土压力。该办法从建筑施工角度、建筑成本角度考虑，必然是经济合理的，该办法其实是将边坡和建筑结合在一起，该建筑抗滑移和抗倾覆的利害关系和边坡的稳定性是一致的。主要难点在于，如何利用建筑的自重来抵抗边坡土压力，采取什么其他措施，保证建筑在使用阶段边坡的稳定性。

该建筑基坑及边坡开挖后现场情况见图3。

图3 建筑基坑及边坡开挖后现场情况

3 设计思路分析确定

两个设计思路，各有利弊，第一种办法其结构设计思路简单，可以完全将边坡治理抛开，交给专业的岩土工程单位完成，但其一边要进行边坡治理，边坡高度达到约17 m，另一方面，边坡治理后，其建筑1层～3层北侧外墙仍需做成挡土墙，相比成本很高，岩土施工和结构施工也存在搭接处理问题。办法二将边坡治理与结构外墙设计结合，其成本造价会大幅缩减，同时结构主体与挡土墙可以连续一次完成施工，不存在搭接处理问题，但其难点是如何利用建筑自重抵抗土压力，如何满足边坡和建筑的抗滑移和抗倾覆要求，这都给结构工程设计带来很大的难度。

经过反复的方案讨论，以及多次与建设单位商讨，最后决定采用办法二进行设计施工。

4 结构设计方案确定

本工程的难点就在于结构设计，结构设计过程中主要遇到以下几个难点:

1)整体结构形式的确定;

2)建筑北侧挡土墙的确定;

3)建筑整体抗滑移的安全性问题;

4)建筑整体抗倾覆的安全性问题;

5)其他结构措施。

4．1 结构整体形式的确定

本建筑地下1层，地上8层，1层～4层均为商业用途，考虑到商业用途的特点，必然采用大跨度、大空间结构体系，所以初步确定采用框架结构体系，框架结构在1层～4层，其北侧外墙均采用钢筋混凝土挡土墙，其余部分采用混凝土砌块填充墙，其北侧挡土墙沿建筑长方向都有布置，长度可达140余米，考虑到其挡土高度，加地下室高度达到16 m，其墙厚也必然大于常规建筑的挡土墙，故采用整体框架结构加北侧钢筋混凝土挡土墙结构，其抗侧力构件的平面布置属于严重不规则，北侧结构刚度与其他部位相比会很大，刚度严重不均匀，抗震验算过程中，其结构振型也发生较大的扭转位移，对抗震很不利。

同时考虑到上部4层为公寓式住宅，大截面的框架柱、框架梁体系必然影响其使用和美观要求，故结构方案调整为框架剪力墙结构体系，同时减小原方案中框架柱、框架梁的截面尺寸，在建筑的内部、南侧及东西侧局部适当位置增加部分剪力墙，减小结构刚度不均匀及扭转变形的影响，结构模型经过多次的反复调整验算，才达到比较理想的结果。

4．2 建筑北侧挡土墙的确定

一般常规的结构挡土墙，其厚度一般为250 mm或300 mm，考虑到本挡土墙高度，计划地下室部分采用550 mm厚，上部依次递减，最上部为300 mm厚挡土墙。该建筑北侧挡土墙，包括地下室其高度达到约16 m，共分为4层，计算时考虑中间有框架柱和框架梁划分结构单元，按结构板进行计算。北侧挡土墙进行配筋计算时，其相当于将侧向土压力施加于结构板，结构板将荷载传递于框架梁，最后传给框架柱，这样最北侧一排的框架柱，其受力必然大于其他位置的框架柱，除主要承受轴向压力外，同时要承受较大的弯曲变形，框架柱截面和配筋都将大幅增加，影响其使用和美观。故考虑将最北侧一排框架柱的内力进行二次传递，以减小其荷载，结构采取的措施是在南北方向最北侧一跨框架柱之间的部位，设置侧向支撑，即将最北一跨的两排框架柱之间增加墙肋，为不影响使用，主要设置在两侧山墙、单元隔墙、楼梯间等部位，通过墙肋的传递，将最北侧一排直接承受挡土墙作用的框架柱内力向第二排框架柱传递，同时墙肋与两排框架柱整体浇筑配筋，相当于变相的将最北侧一跨整体做成变截面柱，与原来两排框架柱相比，刚度大幅增加，抵抗弯矩的能力也增加。该建筑结构平面墙、柱布置见图4。

图4 建筑结构墙柱平面布置图

4．3 建筑整体抗滑移安全性

由于本建筑位于黄土台地，其北侧为黄土边坡，且建筑承担边坡挡土墙，为防止建筑物沿基础底面发生滑移破坏，故必须对该建筑进行抗滑移验算，验算公式采用式(1)［1］。

式中:Gn——结构挡土墙自重在垂直于基底平面方向的分力;

Gt——结构挡土墙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——基底地基土对挡土墙基底的摩擦系数;

KS——基底抗滑移安全系数，即抗滑力与滑动力之比，一般要求大于 1．3。

根据当地的经验结合本次工程的岩土工程勘察报告，本次计算中取 γ=18 kN/m3，c=10 kPa，φ =20°，地面道路荷载按 q=20 kN/m2，摩擦系数取 0．5。

考虑到本次基础采用筏板基础，故特别要求将筏板下面做300 mm的褥垫层，为增大摩擦系数，褥垫层必须采用碎石土及中粗砾砂，这样其摩擦系数即由原来湿陷性黄土的0．35提高至0．55，有效地增大了摩擦力［2］。经过计算本工程其抗滑移安全系数为 1．7，大于 1．3，满足工程需要。

4．4 建筑整体抗倾覆验算

由于该建筑北侧外墙兼做边坡的挡土墙，考虑到多数挡土墙都是由于墙后土压力过大而基础埋置较浅，发生整体倾覆破坏，故需验算建筑整体在北侧挡土墙后土压力的作用下，不发生沿建筑南侧墙踵点发生倾覆破坏，要求其抗倾覆力矩必须大于倾覆力矩。本次计算采用式(2)［1］进行计算。

式中:Eax——Ea的水平分力;

Eaz——Ea的竖向分力;

G——挡土墙每延米自重;

xf——土压力作用点距离墙踵点的水平距离;

x0——挡土墙重心距离墙踵点的水平距离;

Kt——基底抗倾覆安全系数，一般要求大于1．5。

本次计算参数选取与抗滑移验算一致，计算结果抗倾覆安全系数为3．4，远大于1．5，满足工程需要。计算中挡土墙与建筑为一个整体，挡土墙自重即采用建筑自重，由于建筑自重较大，远大于一般的挡土墙，故其抗倾覆安全系数也较大。

4．5 其他结构措施

本建筑位于黄土台地，建筑外侧即为边坡，部分建筑外墙还兼做边坡挡土墙，与其他一般场地的建筑有很大不同，故在结构设计及地基基础设计时，采取了多项有效措施，保证结构在使用期限内整体的稳定性与安全性。

1)建筑北侧为边坡，北侧外墙为挡土墙，墙后土体对建筑整体有一个侧向的土压力作用，考虑到其抗滑移安全系数为1．7，虽满足工程需要，但没有足够的安全储备。故为了增大建筑整体的抗滑移安全性，在建筑南侧，基础筏板边缘外侧，紧贴筏板边缘，沿挡土墙方向打2排钢筋混凝土抗滑桩，桩顶标高高出筏板顶面0．5 m，桩长15 m，桩间距 1．2 m，桩径 0．8 m，三角形布置。抗滑桩的施工，大大地增加了建筑整体的抗滑移性能。

2)该建筑为地上8层，地下1层，抗滑移验算中，其北侧实际主动土压力计算高度为3层楼高加地下室高，南侧被动土压力计算为地下室高。计算过程中根据实际情况，利用了南侧的被动土压力来抵抗建筑滑移，故结构设计时，在南侧地下室基坑开挖后，配合其他各专业，将室外管沟施工同步进行，同步回填，并将管沟结构采取加固措施。要求基坑施工完成回填后，尤其在挡土墙开始抵抗土压力后以及在今后使用过程中，建筑南侧地面不得随意取土、开挖，防止由于南侧被动土压力的卸载而导致的建筑整体抗滑移安全性降低。

3)建筑南侧、北侧室外高差约12 m，北侧四层地面出口与北侧边坡上规划路相连，下部为回填土。建筑北侧外墙与规划路之间距离约4 m，开始建筑设计为1．2 m宽散水和2．8 m宽植草砖。后考虑到其下部为回填土，规划路下部为原天然湿陷性黄土，为防止由于雨水渗入或其他排水不畅造成回填土和黄土湿陷下沉，对挡土墙安全性造成不利影响，故填土回填后在建筑北侧外墙与规划路之间取消原散水和植草砖，改为200 mm厚混凝土硬化地面，与建筑外墙做好柔性连接，并在硬化地面下做防水层一道，与挡土墙防水层相接。建议协调将来规划路施工单位，使规划路路牙与硬化地面做好连接，道路做好有组织排水，不得积水，同时道路外侧地面不得超载。

4)在建筑使用过程中，建议建设单位委托有资质的测绘单位，对建筑北侧边坡顶和南侧边坡底做好长期稳定性观测，保证使用过程中的安全性。

5 结语

1)边坡场地的建筑，尤其是直立边坡，可以考虑利用建筑外墙充当边坡挡土墙，利用建筑整体的自重来抵抗边坡的稳定性。

2)建筑结构的外墙或部分结构构件发挥挡土作用时，在结构整体抗震计算时，应考虑挡土构件对结构整体性的影响，必要时采取其他措施来抵消其对结构整体性的影响。

3)对于边坡建筑，应采取各种有效地措施增强其结构整体的抗滑移、抗倾覆安全系数，可考虑增大结构自重、增加摩擦系数、增长建筑宽度、主动土压力卸载、增大被动土压力等，特别是对于抗滑移安全系数不高的情况，打抗滑桩是一种十分有效的措施。4)边坡建筑设计时，同其他一般场地建筑不同，结构专业应同其他专业密切配合，对室外管沟走向、管沟施工顺序及开挖情况、室外防水措施、场地今后使用情况、边坡周围今后规划情况等做详细了解，充分考虑其是否对边坡及建筑的稳定性产生影响。

［1］赵明华．土力学与基础工程［M］．武汉:武汉工业大学出版社，2000．

［2］谭成发，唐鸿卿．重庆某建筑边坡居住建筑基础设计［J］．四川建材，2011(3):124-125．