摘要：本文作者主要對高層建筑地下室設計中基礎的選型；地下室底板抗浮設計；建筑物上部結構、地下室、地基的相互作用關系進行了分析；同時對高層主樓與地下室車庫之間的處理方法進行了探討。
　　關鍵詞:地下室；結構設計；
　　0、引言
　　近年來，隨著經濟建設的迅速發展，而高層建筑更由于其建筑功能和結構本身的要求,大多需要設置單層或多層地下室。地下工程在整個建設項目中所占的比重也越來越大。然而地下室的造價在整個建筑總造價中所占的比重是非常之大的，如何才能使地下室設計的經濟合理顯得尤為重要。
　　1、地下室的設計
　　1.1基礎的選型：
　　1.1.1《高規》12.1.1條規定，高層建筑基礎設計，應綜合考慮建筑場地的地質狀況及水位、上部結構類型、使用功能、施工條件以及鄰近建筑的相互影響，以保證建筑物不致發生過量沉降或傾斜，并能滿足正常使用功能要求。還應注意了解鄰近地下構筑物及各類地下設施的位置和標高，以保證基礎的安全和確保施工中不發生意外問題。
　　1.1.2基礎形式應選用整體性好，能滿足地基承載力和建筑物容許變形的要求，并能調節不均勻沉降，達到安全實用和經濟合理的目的。
　　根據上部結構類型、層數、荷載及地基承載力，中小高層建筑地下室基礎可采用條形交叉梁基礎、滿堂筏板、樁筏或箱形等基礎形式。筏板基礎可以是梁板式和平板式，當建筑物層數較多、地下室柱距較大、基底反力很大時，宜優先采用平板式。當采用梁板式筏基時，基礎梁截面大必然增加基礎埋置深度，當水位高時更為不利，梁板混凝土需分層澆筑，而且梁支模費事，因而增長工期，綜合經濟效益不一定比平板好。
　　1.2抗浮設計
　　1.2.1《地基規范》3.0.3條規定，巖土工程勘察報告應提供用于計算地下浮力的設計水位。結構抗浮驗算必須根據巖土工程勘察單位提供的地下水浮力的設計水位來驗算。
　　1.2.2抗浮驗算時永久荷載的分項系數取值，各地區可能與《荷載規范》不同，當有地區標準按當地的標準，無地區標準則按《荷載規范》。驗算建筑物抗浮能力必須滿足：
　　(建筑物永久荷載/水浮力)≥1.0
　　式中建筑物永久荷載為標準值（不計算可變荷載），按《規范荷載》3.2.5條應乘分項系數0.9。
　　1.2.3當抗浮設計水位較高，裙房滿堂地下室或地下車庫需要采用抗浮措施時，應按工程具體情況區別對待。如果裙房滿堂地下室或地下車庫是獨立建筑，與高層主樓基礎沒有連接成整體，并有一定距離不會因差異沉降造成影響時，抗浮措施可以根據經濟技術比較采用：抗浮錨桿、抗拔樁或壓重等方法；如果高層主樓基礎與裙房滿堂地下室或地下車庫連接成整體，均采用樁基，通常抗浮可采用抗拔樁的方法來解決，這幾年預應力管樁應用也比較普遍，可以節約樁基成本大約15%，提高樁基工期大約10%；如果高層主樓基礎與裙房滿堂地下室或地下車庫連接整體，并且高層主樓采用的是天然地基預估有若干沉降量，裙房或地下車庫抗浮宜采用壓重（采用素混凝土，重度不小于30KN/M2鋼渣混凝土或砂石料）方法，不宜采用抗拔樁或抗浮錨桿，否則必將與高層主樓之間形成差異沉降而造成底板開裂的影響，尤其如北方很多城市的抗浮設計水位由于考慮南水北調提供的較高，但實際地下水位目前而言都是非常低的，如果抗浮采用抗拔樁或抗浮錨桿，裙房或地下車庫與主樓間基礎沉降差異將是非常突出的問題。
　　在這里舉一個利用抗浮錨桿抗浮的例子，某工程地下3層，地上24層，基礎為獨立柱基礎帶400mm厚的C40混凝土底板，已知地下室底板水壓高度為8.8米，可知水浮力為88KN/M2，底板自重10KN/M2，則可知道抗浮錨桿承受浮力為78KN/M2。經過計算本工程采用錨桿直徑φ=100mm，錨桿φ28，錨入中風化巖層內4000mm，單根錨桿抗拔承載力特征值為140KN，錨桿間距選擇1200×1200mm，實際結果表明抗浮效果特好，沒有出現底板抗浮裂紋，如下圖：
　　                
　　1.3建筑物上部結構、地下室、地基的相互作用關系必須要了解。
　　1.3.1高層建筑的基礎上部整體連接著層數很多的框架、剪力墻或簡體結構，地下室四周很厚的擋土墻又緊貼著有效側限的密實回填土，下部又連接著沿深度變化的地基。無論在豎向荷載還是水平荷載的作用下，它們都會有機地共同作用，相互協調變形。盡管在這方面的設計計算理論仍不夠完善，但如果僅僅把基礎從上部結構和下部地基的客觀邊界條件中完全隔離出來進行計算，是根本無法達到真正設計要求的目的。
　　高層建筑基礎的分析與設計經歷了不考慮上、下共同相互作用的階段，僅考慮基礎和地基共同作用的階段，到現今開始全面考慮上部結構和地基基礎相互作用的新階段。我國目前也有了專門的高層建筑與地基基礎共同作用理論的相關計算程序，如果設計人員所用的計算機結構分析軟件仍是沿襲著不客觀充分考慮相互作用的常規計算方法，設計的計算結果往往和工程實測的結果相差甚遠，達不到經濟合理性的要求。
　　1.3.2無論是采用箱基還是筏基，諸多工程的實測都顯示；底板的整體彎曲率都是很小的，往往都不到萬分之五。有一些高層建筑箱形基礎的實測值都僅在（0.16～3.14）×10-4之間，國外也有的資料上實測的撓區率都是很小的，比如德國法蘭克福展覽會大樓的筏板實測撓區率只有2.55×10-4。而且我國測得的筏底板鋼筋應力一般都在20~30N/mm2之間，只有鋼筋強度設計值的十分之一，個別內力較大的工程也幾乎沒有超過70N/mm2。
　　出現這種基礎底板內力遠遠小于常規計算方法的因素很多，如在基礎底板施工時，只有底板的自重，且無任何上部結構的邊界約束，而混凝土的硬化收縮力大，在底板的收縮應變的過程中，使混凝土中的縱向鋼筋產生了預壓應力。若混凝土的收縮當量為15。C，則鋼筋的預應力將可達到31.5N/mm2，例如湖南省郵政電信管網中心大樓研測得到的筏板鋼筋預壓應力就可達到30.25N/mm2，相當于十分之一的設計強度，從而在正常工作狀態下抵消了一部分的拉應力，使鋼筋的實際受力變小了；另外，基礎底面和地基土之間巨大的摩擦力起著一定程度的反彎曲作用。摩擦力是整棟建筑的客觀邊界條件，不能視而不見。特別是對于天然地基的箱形和筏形基礎來講，地基土都比較堅實，變形模量和基床系數都比較大，則基礎底板的內力和相應的撓曲率勢必會相應減少。
　　1.3.3除了上述等因素外，最主要的是上部結構和地下室整體剛度的貢獻，并參與了基礎的共同抗力，起到了拱的作用，從而減少了底板的撓曲和內力，對若干工程基礎受力鋼筋的應力測試表明，在施工底部幾層時，基礎鋼筋的應力都是處于逐漸增長的狀態，變形曲率也逐漸加大。但施工到上部第4、5層時，鋼筋的應力達到最大值。然后隨著層數以及其相應的荷載逐步增加，底板鋼筋的應力又逐漸減少，變形曲率也逐漸減緩。其原因是，在施工到第4、5層時，已建的上部結構的混凝土尚未達到強度，剛度也尚未完成，這時的上部荷載全部由基礎底板來獨自承擔。但隨著繼續往上施工，上部結構的剛度逐漸的形成，并逐漸加大，和基礎底板形成整體作用，共同抗力，則產生了拱的作用，使基礎底板的變形趨于平緩。例如某工程，地下2層，地上10層，箱形基礎實測顯示：鋼筋應力隨著底部樓層施工的增高而增大，當施工至連同地下室共5層時,基礎底板鋼筋應力最大值為30N/mm2，第5層以后，底板鋼筋應力隨樓層施工的增高反而減小了，結構封頂時,底板鋼筋實測最大應力確只有4N/mm2。
　　所以從上述的諸多工程事例中可以看出，高層建筑基礎底板實際所承受的彎曲內力遠遠小于常規計算值，有很大的內在潛力。所以結構工程師在具體工程項目的設計中，必須細心把握，否則基礎截面厚度和配筋量都會比實際所需的大得多，會造成很大的浪費，給業主帶來一定的損失。
　　2高層主樓與地下室車庫之間的處理
　　2.1在大、中城市的寫字樓、商住綜合樓及住宅建筑中，有時為解決有足夠的汽車停放位置，需要設置地下停車庫。當主樓及部分裙房所占地面積較大時，在建筑物下設多層地下室，將部分用作停車庫，這是常見的第一種地下汽車庫形式。現在一些住宅小區和商住綜合樓樓群中，為了有較好的生活環境，建筑物之前設有庭院綠化，利用地下空間設置1至2層停車庫，并與樓房連通，這是近十年來出現的第二種地下汽車庫形式。
　　2.2應該采取有效措施使主樓與裙房基礎的沉降差值在規范允許的范圍內，或通過計算確定沉降差異所產生的基礎及上部結構的內力和配筋，也可以不設置沉降縫。為使裙房基礎沉降量接近主樓基礎沉降量,減少沉降值差異，通常設計時可采取下列措施；
　　（1）裙房基礎埋置在與高層主樓基礎不同的土層，使裙房基底持力層土的壓縮性大于高層主樓基底持力層土的壓縮性；
　　（2）裙房采用天然地基，高層主樓采用樁基礎或復合地基；
　　（3）裙房基礎應盡可能減少基礎底面面積，不宜采用滿堂基礎，以柱下單獨基礎或條形基礎為宜，并考慮主樓基底壓力的影響。
　　(4).一般當裙房地下室需要有防水處理時，地面也可采用抗水板的做法，柱基之間設梁支承抗水板或者無梁平板，在抗水板下鋪設一定厚度的宜壓縮材料，如泡沫聚苯板或干焦碴等，使之避免因柱基或條形基礎梁基礎沉降時抗水板反而成為滿堂基礎筏板。易壓縮材料的厚度可根據基礎最終沉降值估計。抗水板上皮至基底的距離不宜小于1m，抗水板下原有土層不應夯實處理，當壓縮性低的土層可刨松200mm。抗水板做法如下圖所示:
　　           
　　3．結語
　　地下室的結構設計是一個綜合性很強的問題，涉及內容繁多且復雜，因此無論是從技術還是從經濟的角度講都需要我們更深入地研究地下室結構設計的技術問題，提高設計水平，真正做到技術與經濟同步、安全與適用協調。
　　參考文獻：
　　1、高層建筑混凝土結構技術規程JGJ3—2002.北京:中國建筑工業出版社,2002，
　　2、建筑地基基礎設計規范GB50007—2002.北京:中國建筑工業出版社,2001
　　4、李國勝,李軍軍.高層建筑主樓與群房或地下車庫之間的基礎設計.建筑結構,2005年第7期