地基基础设计思考与实践（二十一）-山坡上的地基基础

地基基础设计思考与实践（二十一）

—山坡上的地基基础与结构

    上一期谈的是山区建筑位于平地上（山前平地或人工整平地形）的地基，本期谈基础位于坡地的地基和基础。对于平地上的建筑一般情况下我们不大关注地基的稳定性。本系列（十五）曾专门谈过地基的稳定性问题，平地上建筑基础一般只要满足规范规定的埋深要求，不需要验算地基稳定性，但对于位于坡地上的山地建筑，坡地的稳定性验算几乎是必选项了（如下图），对于有护坡的，还要进行护坡设计计算。

   

    有的建筑一部分位于坡地上部，一部分位于坡中或坡底，根据情况不同叫掉层或吊脚（如下图），当掉层时，下部分建筑外墙是否兼做挡墙，区别非常大。

    有的建筑位于坡底，如果建筑和坡地脱开，建筑和护坡互不相关，和普通建筑及护坡没有区别，但如果建筑外墙兼做挡土墙（一面、二面或三面围土），就要按山地建筑进行结构设计了。

    就上述几种情况，现分别讨论。

一

    位于 自然坡顶上 的建筑，地基的稳定性是必须验算的。《地规》规定：

   

    5.4.1的规定是位于 稳定土坡 上的建筑如何如何才可以不验算地基稳定性，坡脚大于45度8米高的除外。话句话说，绝大多数的建筑都不符合这种情况，需要验算。

     一南方山地项目，18层住宅建筑已竣工，但开发商因为用地与市政路冲突，在建筑物基础不远处市政道路开挖形成11米多边坡，如下图：

    甲方给设计院发函，请设计院帮看下地基是否有问题（因为是甲方用地问题造成的，所以叫“请”）。这种建筑的地基显然需要验算地基的稳定性，也就是沿可能 圆弧滑切面 （土质边坡） 或岩石某结构面滑动的稳定性 （岩石边坡情况复杂的多）， 验算时，应考虑水平地震力、倾覆力矩对滑切体的剪力和转动力矩。

    《地规》5.4.1的稳定性验算公式其实是概念，无法具体执行。《建筑边坡工程技术规范》中对此有规定：

    边坡的稳定等验算一般的结构工程师难以胜任，设计院应该专门委托岩土工程师进行，但结构工程师也要审核岩土工程师计算书。岩土工程师长项是岩土的参数、滑动面的选取和具体的计算，但外界的条件和要求还是由结构工程师把控。比如建筑地震对地基土的倾覆弯矩、剪力等外界条件。对新建的位于边坡上的建筑真正负责任的还是结构工程师，结构工程师虽无能力但又要负责，所以对此应该慎之又慎。

    对于用地紧张的城市已有建筑因为临近场地人工开挖成基坑，造成建筑位于人工边坡上，属于基坑工程稳定的重要的部分， 结构工程师一般没有能力进行验算，应该是岩土工程师进行，但建议岩土工程师请有关的结构工程师参与进来，以掌握稳定计算的建筑的外部条件和结构对基坑边坡的稳定要求，尤其是变形的要求。

     这里面有个问题，边坡的稳定验算是采用岩土 圆弧滑切面（或岩石可能破裂面）滑动时内部土体极限平衡进行的 ，但满足岩土极限平衡时，岩土边坡的不均匀的变形，是否对建筑造成的倾斜的影响，目前没有计算的方法。《边规》对边坡变形对建筑影响的规定仅仅是一个概念，具体要求需要岩土工程师和结构工程师自己把握。

    实际上，对于平地上的建筑地基的不均匀倾斜变形也会对建筑产生不利影响，但是我们无法进行数据上的计算，我们常说的上部结构-基础-地基的共同作用，也只是考虑上部结构和基础刚度对地基和基础的影响，而不是反过来地基或基础的刚度对上部结构的影响，计算时不管什么情况均是嵌固于地基上，故地基对上部结构的影响，只能用不同种类建筑进行不同要求的宏观的变形控制，不去考虑其影响。

    对于边坡我们更难于考虑边坡的变形（滑切失稳极限状态前的变形）对建筑的影响。 但我认为位于边坡上的建筑的地基边坡的稳定性验算对上部结构的不利影响是远大于平地上的不均匀沉降的，应该采用更大的安全系数。规范规定是1.2，我觉的应该加大，至于多大合适，大家自己把握好了。

    上述的那个项目，我们专门给甲方去函说： 因为后期的人工边坡，严重破坏了建筑地基的稳定性，应该有岩土设计资质的勘察设计院进行专门的边坡稳定验算。为了增加安全系数，我们提给甲方的设计参数把基础的压力提高了30%，并提供的是罕遇地震下的倾覆力矩和剪力，后来听说岩土设计院采取了边坡锚杆等措施。

   

                              二

     位于边坡上的新建建筑地基基础设计，应首先尽量采用措施避免边坡的影响，第二步才是边坡稳定的计算。

   （1）加深基础或尽量离开边坡边缘，使建筑基础位于滑切面影响范围之外，或者是基础应力扩散避开边坡。见下图：

    因土的内摩擦角存在，滑切线均位于45度线之内，若保守估计，基础位于45度线之外是安全的。

     （2）当边坡为土质时，做 桩基 也是一个很好的选择。也就是将建筑的垂直荷载直接传至滑切线以下的土体中，相当于加深基础，原理和上图一样。《边规》对此做出了概念性的规定：

    单纯从边坡垂直荷载下的地基稳定性来说，这种情况似乎和平地建筑区别不大，但对于有较大水平荷载比如地震作用下，和平地建筑相比，显然有令人担忧之处：（1）基础或地下室距离边坡较紧，边坡的场地对基础的水平嵌固因边坡受到多大程度的消弱。（2）因人工开挖外边坡对场地类别是否有不利的影响。（3）应该考虑边坡对地震作用的放大（抗规4.1.8条）。但这些只能是说概念，其不利影响难于预估，规范不可能给予明确的规定，本系列（十九）讨论桩基在地震下的承载力问题，是一笔糊涂帐，那边坡更是难于说的清楚，只能设计人自己把握加大设计的安全度。 

    （4）桩穿过土质边坡圆弧滑切面以下一定深度，应保证大部分的桩的承载力通过滑切面以下的土层的侧阻和端阻承担，若以摩擦为主的桩仅仅深入滑切面以下很少的深度，桩的荷载还是大部分传到了滑切面以上的土层时边坡仍是需要验算稳定的，见下图：

     

      对于岩石边坡，因考虑桩侧阻力对破裂面以上岩石的稳定的不利影响。《山规》4.3.4和条文说明如下：

   

    对于基础或桩与岩石间的隔离层我理解应该是避免竖向下拉力而保留周边土的侧限作用较好，故基础采用防水苯板或砌砖的保护层即可，预制桩涂抹沥青或人工挖孔桩较光滑的侧壁都可以满足要求。

    我不明白规范的空位构造处理是什么？如果真的完全隔开，桩成了高承台桩，基础变成了上部结构，不符合结构埋深的要求，不可以的。嵌固端以上的桩按框架柱设计，我觉的也没必要，不过该部位的桩全长配置纵筋和适当加密箍筋是应该的。

    （5）即使经验算或采取支档措施稳定的边坡，地基的承载力仍需要适当的折减，这个是和减少边坡的变形的理念一致的，重庆《地规》有关规定可以参考：

     

三

    位于边坡上的建筑地基的稳定性不满足要求时，而建筑又必须建造时，就必须采用档土墙、锚杆等护坡来进行边坡设计了。此时设计的任务有两个层面， 一是边坡坡构筑物本身的设计 ， 二是护坡上的建筑地基基础的稳定性 。

    假如边坡上没有建筑，那护坡的设计就仅仅为了场地要求的护坡构筑物的设计，这个一般不是结构工程师的范畴，应该由岩土工程师进行。但结构工程师非常关心护坡尤其是挡土墙的土压力计算问题，因为很多时候我们的建筑物构件需要兼做挡土墙。

    土压力分主动土压力、静土压力、被动土压力及考虑地震下的土压力。本系列（六）曾谈过几种土压力，现再简述如下，见下图：

  

    静土压力是档土构件假定为刚体没有任何位移的情况下的土压力，建筑结构地下室就可以当成静土压力。看上图主动土压力推导出的原理，就可以知道静土压力大于主动土压力，但外墙是可以弯曲变形的，所以其土压力应介于主动土压力和静土压力之间。

资料来源于建设部总院技术统一标准，实际工程一般地下室

外墙保守的计算直接采用静止土压力

    被动土压力最大，三者之间的关系是主动土压力 <静土压力<被动土压力。< span="">

    一般护坡的土压力按主动土压力计算，《边坡规范》有具体的计算公式，原理是土三角楔体土体的极限平衡理论，公式比较复杂。

   

   有一种情况是挡土墙后面有较陡坡角的稳定岩石时叫有限填土挡土墙。

    很多人认为此时土压力一定小于完全土质边坡的情况，实际不一定。下面是魏利金总新书上的一个案例，提请读者注意：

  

    地震作用下的土压力是在非地震下的主动土压力的基础上考虑土体的地震加速度产生的增大系数，概念并不复杂，《边规》有具体的复杂计算公式。

  

    对岩土工程师来说护坡设计可能并不复杂，按《边规》给出的诸如上述的计算公式即可，即使地震作用下也按规范给出的地震下的岩土压力计算而已。 

     读者要非常注意， 上述的这些岩土压力的计算公式 （即《边坡规范》的第6章内容） 是坡顶没有重要建筑物的边坡计算用的 ，对于有重要建筑物的计算，边坡的压力有专门一章规定：

     

    第7章对边坡岩土压力的规定，一般是在上述第6章的基础上进行了放大，但本章仅用于7度及以下，话句话说，8度区用该章的规定计算是不安全的。

      读者还是要注意，该章的内容是针对边坡支档结构来说的，并不是说按该章的岩土压力计算边坡支档满足要求，结构地基基础就满足要求了，还是要按规范的有关规定（有些规范并无规定，只能工程师自己掌握了）计算结构地基的稳定与变形，本文对此有关的概念问题做了描述。

                          

                              四

    上述公式是针对护坡构筑物设计计算而言的，对于兼做挡墙比如下图的结构计算是不是可以采用《边规》规定的这些公式呢？似乎不是如此的简单。

   《山地建筑结构设计标准JGJ/T472-2020》如下规定：

    《山标》说山地建筑不宜做支档结构，正中结构工程师下怀。但如果从宏观上看，一个建筑的抗倾覆的能力远远大于一片挡土墙，结构地下室较多的横墙对于抵抗土压力也应该不是问题，综合来看，兼做造价较省，但为什么无论规范标准和结构师理解上，都应该脱开呢？

    我觉主要是结构工程师包括标准编制者都认为在地震作用下建筑结构的状态和单纯的护坡构筑物有本质的不同，而且这种不同我们目前还不能弄清楚，所以选择尽量避开它。我们分析下这个不同主要在什么地方。

   （1）地震作用下的岩土压力对建筑结构造成的水平位移、扭转等变形等危害大于单纯的构筑物，且危害的程度大小难以量化。

   （2）地震下的岩土的水平土压力是难以确定的。 边坡构筑物计算容差能力较大 ，但建筑结构直接采用计算边坡构筑物的公式计算建筑结构，结构工程师心里没底。

   （3）《山标》规定当兼做挡墙时， 应考虑主体结构与岩土体的共同作用和地震效应， 等于不让采用兼做支档结构，因为没有人能够算清这种结构与岩土之间的作用和地震效应。

    关于这一点，《山标》3.1.10条文说明如下：

    5.2.2（c）如下：

   

    条文说明中的k值的取值已经是 罕遇地震下 岩土对结构外墙的作用力了。比如7度设防时，采用的是水平地震系数是0.22即大概是8度时的水平作用系数。8度设防时，罕遇地震下对结构外墙的岩土压力约为静土压力的1.3倍。

    条文说明中划红线部分规定结构对岩土或支当结构的压力计算，但令人不解的是这个计算的意义在哪里呢？是担心在地震作用下结构外墙对岩土本身推压的拱起变形的破坏吗？还是结构外墙对支档的挤压破坏呢（外墙已是支档，何言外墙对支档的压力破坏呢）？

                           五

     掉层且外墙兼档土、独立支档和建筑整体位于坡底且兼档土的结构，三者有显著的不同，见下图：

   

   对于情况<3>很显然脱开是避免问题的手段，但对于掉层的脱开情况<2>和不脱开情况<1>即使单纯技术不考虑经济的角度，孰优孰劣也很难说的清楚。

   

     下面说下我对建筑结构兼岩土挡墙的设计观点。

   （1）不考虑地震作用时，建筑物抵抗岩土压力的能力远远大于单纯的护坡挡墙等。建筑结构外墙兼做挡墙，总体造价一般要低于分开做（包括结构因挡墙压力采取的措施），而且方便建筑场地设计和绿化、避免出现危险的死空间等。这也是为什么开发商和结构师纠结是否脱开的根本原因。

   （2）不宜笼统的说“山地建筑不宜兼作支挡结构”，而应该是“山地建筑非地震区可兼做支档结构，7度及以下且场地为二类场地且岩石边坡时建筑结构可兼做支档，7度三类场地及边坡为土质时不宜兼做挡墙，8度及以上不应”。

   （3）地震作用下岩土压力采用被动土压力太保守。笔者发布在土木吧的文章《山地建筑设计的思维实验》中提到过这个问题，见下图：

有资料显示，中密的砂时档土墙的变形 与土压力的关系如下图：

    从图中可以看出，产生被动土压力那种平衡状态的难度比产生主动土压力时要难的多，其变形约为1/20~1/100,远远大于了建筑物或构筑物允许的变形（一般建筑地下室的变形为大几千分之一），所以一般的建筑工程很难发生被动土压力。

    （4）因随坡度高度岩土相对坡底地震加速度增大（见笔者浅谈结构抗震系列文十），所以建议给出与高度、坡度有关的地震作用下岩土压力增大系数。

   （5） 建筑结构兼挡墙时，条文3.1.10给的岩土地震水平力是罕遇地震的水平力，用于和上部结构小震下的作用组合是合理的，考虑了岩体与结构地震之间作用不确定性的增大系数，增大程度用于计算结构自身是可以接受的。而纯粹的护坡构筑物的设计采用的是小震下的岩土压力。

   （6）建筑地下室与岩土间的防水聚笨保护层在地震作用下可能会减小岩土对结构的水平力。在岩土静力作用下，岩土水平力对苯板进行压密，保证了场地土不会沉降和建筑围土对建筑的嵌固作用。地震时岩土水平力的增大会使苯板成为可压缩的弹簧，缓解对结构外墙的压力，所以 我认为计算结构挡墙采用罕遇地震下的岩土水平力是相对安全的可靠度的 。

   （7）地震下的岩土压力，虽然是土体本身与建筑结构相对加速度产生的岩土地震压力，但对建筑结构来说，是一种外力，与结构本身的惯性力不同，和结构的刚度分布无关，只和土体的质量分布有关，所以地下室外墙可以完全按土体的分布布置相应的垂直抗推墙，基本就可以解决岩土压力带来的扭转（要综合岩土抗剪墙布置造成结构刚心偏置的不利的扭转作用）。

   （8）有的建筑外侧是完整的岩石，其后面与岩石间填土很少（防水保护苯板的隔离）对结构的压力很小，无需脱开。

   （9）设计时把上述的罕遇地震下的岩土压力当成外力工况，按一般模型进行计算，按《抗规》不规则结构或《山标》给出的上部结构设计方法进行。

   （10）对于较高的边坡，为减少岩土对结构外墙的推力，可采用锚杆， 锚杆宜与结构外墙分离 。若锚杆与结构墙体连接，在地震往复作用下，锚杆与结构外墙产生相互的拉力，这种拉力因结构的质量、刚度不均等对锚杆产生不均匀且难以计算的拉力，所以应脱开，如下图：

    对于后施工形成高低场地的填土，可以采用在填土中水平放置土工布减少岩土对结构的水平推力，设计还按上述的方法计算，可大幅度提高设计的可靠度。

   （11）除考虑上述的措施设计外，应考虑位于边坡上的建筑结构的地震放大系数及结构场地可能低于地勘给出的场地的不利情况。

  

     该文笔者观点概念思考多，实践内容少，实际应根据项目情况、地区土质情况综合考虑，比如贵州山区土质比重庆山区土质较差，故贵州相对重庆结构与支档两者脱开的比较多，不可一概而论。本文属于纸上谈兵，大部分只是提出问题，仅供参考。

  

     从本文的描述就可以看出，结构设计无论概念还是规范的规定，很多都是模糊的判断，没有明确的标准。说到这里，加几句题外话。就像我文中边坡上建筑地基基础的设计那样，模糊的概念多，明确的标准少，即使规范标准中的公式也是模糊的需要工程师自己去把握很多内容。也就是说结构设计本质是安全、技术发展、经济的权衡，既然是权衡就会有很多的不同的解决方案，一些极端情况下的事故不应该统统归于是设计的责任。但社会（包括执法部门比如法院）把建筑设计当成了一般的大批量工业生产线上的产品的确定的技术标准，错误的理解了建筑设计的本质。更令人担心的是业内很多专家也这样认为，且用民法典来界定建筑设计事故责任（下图是某业内会议专家的发言截图）：

  

     一旦发生所谓的设计事故（比如结构浮起事故）的判罚，业内专家都是从我们自身要加强设计技术水平着眼，很少有人从建筑设计本质上去分析法理上的所谓设计事故的责任界定，让整个社会愈加的认为这些本来应该是设计师的责任，同时让设计人员愈加的人人自危（但又无法说明白为什么不是我们的责任，年轻设计师很多只能选择放弃），对整个行业并扩大到整个国家的工程建设都是一个巨大的伤害。

    上述所谓边坡上工程设计的很多问题，和很多其它的工程设计问题一样在很长的一个历史时期内都难以弄清楚，并非是这个行业人们的无能，是工程设计本质决定的。工程设计行业不同于任何其它的工业品的工业设计，所以对其执业过程中的一些质量事故责任界定应该专门的立法或条例，不可套用民法典。 

   注：笔者在土木吧发布的《山地建筑结构设计的思维实验》中和本文有一些相同的观点，也有对那篇文章的观点的修正，可以对照阅读。

                                      

                                        2021年6月18日

参考文献：

1：《山地建筑结构设计标准JGJ/T472-2020》

2：《边坡工程技术规范》

3:土木吧：山地建筑结构设计的思维实验  笔者本人

4：《结构工程师综合能力提升与案例分析》  魏利金

5：地基基础工程283问   刘惠珊 等

6：《建筑地基基础设计规范》、《桩基设计规范》等及条文。

7：基础工程、土力学  清华大学 李广信等 

8：《结构设计统一标准》 建设部总院

9：抗规