坡地建筑结构设计的关键问题与处理对策

王佳炜

（贵州省建筑设计研究院有限责任公司，贵州贵阳 550081）

0 引言

根据《贵州省第三次全国国土调查主要数据公报》，全省61.01%的土地坡度在25 度以上，6 度及以下相对平缓土地仅占6.10%，超过70%的建设用地处于6度以上的坡地上[1]；山高坡陡、地形破碎、土地利用情况复杂是贵州省自然资源的本底现状。因此在贵州地区要利用好宝贵的建设用地资源，在高差较大、地形复杂的坡地修建建筑物，应结合坡地建筑的特殊性，把结构设计真正地做到安全适用、技术先进、经济合理、方便施工。为此本文结合实际案例对此进行分析和讨论，希望能为坡地建筑在结构设计方面引起大家的共鸣。

1 坡地建筑结构设计中的关键问题

贵州省大部分地区山林环绕、地势起伏，坡地建筑成为这些地区的建筑特色。虽然坡地建筑日益见多，但是坡地建筑结构与常规结构的设计有所不同，若用常规的设计方法来进行坡地建筑结构设计，必然会忽略考虑场地的特殊性。因此，本文依据现行设计规范，从对坡地建筑结构设计中遇到的关键问题及处理对策展开讨论，为类似工程结构设计提供一些参考经验。

1.1 场地的自身的稳定

由于坡地建筑建设场地相对特殊，所以设计之初首先要考虑场地的整体稳定性，其次还要考虑建筑物自身的稳定性。特别是坡地建筑中修建大量的建筑物，形成建筑集群。大规模的建设已经完全改变了坡地的原貌，一方面是结合场地总图布置，需要将坡地形成相应的台地，对坡地的原始状态发生了较大的扰动；另一方面是由于拟建建筑物的存在，对每一个台地增加的新的荷载，改变了原始地貌的受力状态。对此考虑场地自身的稳定是坡地建筑首要考虑的关键问题。

从结构设计的角度来说，保证结构安全合理是首要任务。不过针对大规模的坡地建筑群来说，首先要从场地条件、方案设计开始入手，既然从源头入手那涉及的因素就繁杂得多，过程中应充分地与地灾评估单位、勘察单位、总图设计、支挡设计等相应的团队做好充分的沟通和协调，分清各自的工作界面，有助于落实保证场地自身稳定性的各项手段是否在该项目中得以充分考虑。

1.2 坡地建筑与场地条件的相对关系

针对坡地建筑从单体建筑结构设计的角度来说，前期应该及时介入建筑方案，为建筑总图在布局上，从初步勘察报告、从结构概念、从建设可实施性方面，提出相应的建议，避免后期出现不合理或者需要付出较大经济代价才能实现的结构方案。从方案前期或总图设计阶段重点解决好与场地条件关系比较密切的几个问题，有助于实现“安全适用、经济合理”的目标。

（1）在方案阶段，尽量考虑采用边坡支护解决场地高差，避免采用单体建筑直接挡土，减少场地对单体建筑的不利影响；根据《建筑抗震设计规范》中：在山（坡）地建筑中出现地下室各边填埋深度差异较大时，宜单独设置支档结构[2]。即在建筑的迎坡面设置永久的支档结构，完全与主体结构脱开[3]，用边坡支挡解决台地稳定，单体结构保证自身的稳定，两者受力明确，传力简单清晰，主体结构的设计与常规的平地建筑无区别，同时场地排水方案合理，建筑的防水防潮性能较好，但是这种设计方案造价较高。同时由于边坡支护自身设计的需要，应与主体建筑避开一段距离，对建筑的总体布置有一定的影响。

（2）总图设计阶段尽量做到挖填平衡，避免大挖大填，适当的时候为了避免大面积的回填，减少回填对场地稳定性带来的不利影响，可以结合地形设置一些带有架空层的单体，因地制宜采用掉层结构、吊脚结构等形式。由于山地建筑修建于坡地上，建筑布置应充分考虑山地的地形地貌特点和道路规划情况。因此山地建筑应结合山地地形、岩土边坡条件和建筑功能等因素布置。充分利用地形、地貌，平面和场地竖向高程设计应考虑山地斜坡的走向和坡角，依山就势，采用合理的山地建筑结构形式，不应对原地貌进行大开挖和深填方[4]。这种情况下，在修建架空层时当挖形成具有不同嵌固面的掉层结构，可根据岩土边坡高度及稳定性情况确定分阶数量。由于山地建筑结构不规则程度大，建筑布置方案阶段应与结构专业加强配合，应重视结构布置和边坡支护的合理性，图1 为几种常见的掉层结构、吊脚结构。

图1 几种常见的掉层结构、吊脚结构

1.3 坡地建筑单体结构设计考虑的重要问题

山地建筑结构设计应保证基础嵌固条件的有效性，用作结构嵌固的边坡应达到罕遇地震作用下不破坏的性能要求。山地建筑结构计算时往往假定各接地端为嵌固，因此，需采取措施确保基础嵌固条件的有效性。设计时，基础宜置于稳定的岩土层中，避开滑塌区域。为此，在坡地建筑中特别强调应补充遇地震作用下的分析[5]，罕遇地震作用下薄弱层或薄弱部位弹塑性变形计算，可采用静力弹塑性分析方法或弹塑性时程分析法等。当结构高度较高时，宜采用弹塑性时程分析法。

2 与协作单位配合中的技术要点

2.1 与勘察单位的配合要点

从《勘察报告》中应重点关注的内容：一是关注场地稳定性方面的内容，充分了解场地的情况；二是关注地基基础方案分析方面的内容，以便后续考虑单栋建筑的基础设计[6]。因此在坡地建筑结构设计之初，重点关注《勘察报告》中的技术要点包含以下几点：在建设场地内在自然条件下应无危岩崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等不良地质现象，有无断层、破碎带；场地周边有无稳定安全系数不满足要求的边坡；岩溶、土洞的发育程度；工程建设诱发危岩崩塌、滑坡、泥石流、岩溶塌陷、滚石、落石等不良地质现象的可能性；地表及地下水（含洪水）对建筑地基、建设场地和结构的影响；建筑地基的不均匀性等。同时坡地建筑结构常形成边坡，由于提供给设计的勘察结果常与实际地质水文条件不相符，故应根据边坡的检测结果对山地建筑结构及边坡进行动态设计，当实际情况与原设计不相符，或边坡发生非正常变形时，应对设计做校核、修改和补充。

2.2 与边坡支挡设计单位的配合要点

与平地普通结构相比，山地建筑结构显著的特点是其安全性受边坡的影响[7]，一般情况下，同一建筑场地，地形通常存在较大的高差，岩土工程特性可能存在差异，不良地质现象较为普遍，地表水和地下水的影响显著，结构与基础相互影响明显，不同的建筑接地（坡）形式其影响程度不同，地基设计时应考虑这些不利因素，重点考虑边坡自身的稳定性及动力稳定性。往往整个工程的设计，结构设计和边坡支挡设计，大多数情况下是两个不同的设计团队共同完成，因此两个团队之间的配合就尤为重要。对边坡应进行稳定性评价和边坡支护设计，边坡必须达到稳定且严格控制变形，支护设计时需考虑罕遇地震作用下边坡动土压力对支挡结构的影响，要求达到罕遇地震作用下边坡结构不破坏的性能要求。对此，结构设计团队设计工作推进过程中，应及时为边坡支挡设计单位提供单体在罕遇地震下的基础反力，以便其在边坡支挡设计的过程中充分考虑建筑物加载后场地的整体稳定性。

3 工程实例

3.1 工程概况

本工程为某典型坡地建筑群，每栋单体结构类型为框架结构，建筑单体约8000m2。建筑单体均为多层建筑，高度均未超过24m。本工程设计基准期为50 年，建筑结构安全等级为二级，地基基础设计等级为乙级。基本风压是Wo=0.30kN/m2，地面粗糙程度为B 类，该建筑物的体形系数为1.4，但是由于该建筑工程位置在坡地，因此还需要考虑罕遇地震下分析。本工程抗震设防烈度为6 度，设计基本地震加速度值为0.05g，场地类别Ⅱ类，设计地震分组为第一组特征周期为0.35s，建筑的结构阻尼比为0.05，水平地震的影响系数的最大值为0.04。

3.2 勘察资料的情况

结合本工程《勘察报告》拟建场区自然斜坡坡度为10°～15°，本场区内未出现不良的地质作用，未发现明显的地质灾害现象，场地内现状稳定，该工程适宜在此进行建设。拟建场区位于斜坡地带，上部拟建建筑物修建加载后斜坡会整体沿层面顺层滑动滑动破坏，必须对斜坡进行支护处理确保拟建建筑物修建加载后斜坡整体稳定。

该工程基础持力层是以中风化白云岩作为其基础持力层，该中风化白云岩frk=35.8MPa，承载力特征值fa=3500kPa。岩石结构面（层面）内摩擦角标准值φ=40°，粘聚力标准值C=350kPa。根据地质勘查报告，结合实际设计情况，该工程的基础选型如下：框架柱釆用桩基础。桩基础釆用机械旋挖桩，拟建建筑物基础采用下伏中风化基岩为地基持力层，基础形式为端承桩，考虑1.0m 嵌岩深度。同时还要考虑斜坡对基础嵌岩深度的影响，应从斜坡与桩基础相交的下缘计算嵌岩深度。

3.3 边坡支挡考虑情况

根据各拟建子项目设计的标高，结合场地地形环境，按设计标高开挖将在各拟建子项目及道路两侧形成高度不同的永久性挖填方边坡，填方边坡的填土材料为周边建设产生的含粘土碎石、含粘土块石组成；挖方边坡为含粘土碎石、含粘土块石及中风化灰岩组成，若边坡开挖堆填暴露时间过长，受大气降水、地表水及基础施工等因素影响，不支护将失稳，发生圆弧滑动破坏。在边坡顶部、底部为道路及规划建设建（构）筑物，且道路、规划建设建（构）筑物距离边坡较近，应对边坡采取可靠的安全措施，避免可能会出现边坡滑移、滑塌等现象，将危及拟建建筑物及道路的正常使用功能，必须及时采取可靠的支护处理。

因此，在边坡支挡设计的过程中，需要结合总图设计将场地治理为若干个稳定的台地，对边坡应进行稳定性评价和边坡支护设计要求较高，边坡必须达到稳定且严格控制变形，支护设计时需考虑罕遇地震作用下边坡动土压力对支挡结构的影响，必须达到罕遇地震作用下边坡结构不破坏的性能要求。图2 为典型的场地剖面，需要通过相应的支挡形式，实现局部台地和整体场地的稳定。

图2 场地剖面

4 结语

基于坡地建筑的特殊性，要把结构设计切实地做到安全适用、技术先进、经济合理、方便施工。与常规结构相比，坡地建筑应重点从勘察报告、边坡支挡设计、总图设计等方面把握好场地稳定性。通过勘察报告掌握场地的基本情况，通过边坡支挡实现场地稳定的治理，通过总图设计确保布局合理，通过结构设计保证单体建筑安全可靠，最终才能实现坡地建筑的设计目标。