地下室外墙、柱基础型式探讨
张丽君
之前的短文（12月15日）讨论了偏心基础的不合理性。这篇短文讨论了偏心基础的合理使用。
当地质条件较好、地下水位较低时，地下室常采用“独立基础+防水板”的基础型式，可充分发挥地基承载力高的天然优势，显着更经济比全地板筏板基础。“独立基础+防水板”本来是很明确的基础类型，但在外墙上安装柱子就有点困难了。墙下为条形基础，柱下为单体基础。我不止一次看到类似下图的设计：
从纯粹的结构受力角度来看，这样的设计是没有问题的。但基础外轮廓极不规则，给基坑开挖和防水施工带来很大麻烦。我想这样的设计对于大多数当事人和建设单位来说是不能接受的。
从20世纪90年代中期到现在，我设计了很多地下车库。大约在2010年之前，无论边跨如何，地下室的外墙上都没有柱子。外墙采用条形基础，简洁明了，如下图：
但从2010年开始，或许是受到法规的引导，包括外部审查意见，也出现了在外墙上安装立柱的要求。这个规格是：
笔者认为，根据本规范的理念，要求地下室外墙设置柱子是不恰当的。
1、地下室外墙安装立柱的必要性是什么？
1、本规范指剪力墙，其受力特点是平面内弯曲、剪力，轴压大，平面外无应力。面外弯矩对剪力墙的稳定性十分不利，因此尽量避免建造垂直于墙体的梁，并使梁与墙体刚性连接。
地下室外墙主要承受水、土的侧压力，并受到面外弯曲，轴压力很小。因此，往往忽略轴力，将地下室外墙计算为垂直放置的连续梁。不存在平面外稳定性问题。
可见，规范中提到的剪力墙与地下室外墙的受力特性完全不同。
2、地下室顶梁端弯矩对地下室外墙有利，而非有害。
下图1为地下室外墙土水侧压力分布及弯矩图；
图2为地下室外墙在顶梁端弯矩Mb作用下的弯矩图；
图3是图1和图2的叠加。可以看出，在Mb的作用下，地下室外墙的受控截面弯矩，无论是墙根处的负弯矩M'还是墙内的正弯矩M减小，甚至显着减小。因此，在地下室外墙上建梁是有利的，而不是不利的。
3、地下室外墙上需设立柱，用于锚固梁端纵筋。
地下室外墙梁端上下纵筋直锚固段长度的要求，就是地下室外墙上必须设置立柱的原因。下图取自标准图集“16G101-1”：
以一、二级抗震等级、C35混凝土、HRB400级25钢筋为例，直锚固段长度为：
考虑到施工误差等，地下室外墙厚度至少需要450mm，或者要安装立柱，否则梁端纵筋将“装不下”。
4墙顶弯矩Mb对外墙的影响
将图3中的弯矩图与图1进行比较，最显着的变化是梁端对墙顶施加了弯矩Mb。现分别计算以下四种情况，以确定梁端负弯矩对墙体的影响：
(1)无列
墙顶弯矩Mb=-235kN.m。方案中没有给出梁端弯矩影响范围内的墙体配筋。
(2)设置隐藏柱
为了校核梁端弯矩对墙体局部纵向配筋的影响，设置独立隐柱，计算梁端弯矩引起的隐柱配筋。隐蔽柱截面宽度按《高技术规定》7.1.6-3取“梁宽+2倍壁厚=1100mm”。计算结果如下：
（三）设置锚杆
柱截面高度以梁纵筋直锚固段长度要求为准，取450mm。计算结果如下：
(4)假设为普通柱，即柱截面与内柱相同，则计算结果如下：
从上面的比较可以看出，柱截面越大，梁端弯矩和柱配筋越大。但无论哪种情况，加固量都不会太大，加固加固也不存在困难。独立暗柱的钢筋和梁端弯矩最小。换句话说，柱越弱，对梁端的约束越小，梁对面外墙体的影响也越小。
5.总结
(1)如果梁纵筋直锚固断面能满足要求，如边跨较小，或地下室外墙较厚，则无需设柱，或仅设暗柱。
(2)如需立柱，可满足梁纵筋直锚固段长度要求。
2、地下室外墙基本型式
当地下室外墙无柱时，内柱为独立基础，外墙为条形基础。地下室外轮廓简洁、整洁。如果外墙上有柱，则柱为集中荷载，墙为线荷载。外墙虽然可以分散柱轴力，但由于墙柱的不同心、扩散效应以及墙柱的偏心等原因，很难准确掌握墙内的应力分布。地基总是让人感到不安，所以如上所述，独立地基突出于地下室。保持基础外轮廓齐平，可以减少占用空间，减少土方量，有利于基坑支护和防水施工。现以最常见的地下室型式为例，合理利用柱下偏心基础，达到冲平基础外轮廓的效果，以供参考。
1、纯地下室外墙及柱基本型
采用左图“墙下条形基础+柱下偏心单基础”基础型式。设计流程如下：
假设地下室柱网为8.1x8.1米，屋顶厚度为0.3米，外墙厚度为0.3米，层高为3.8米。屋顶覆土厚度为1.5米。
地基承载力特征值：fa=150kPa。（因地基周围设有软垫层，对地基土无约束，故不宜进行深度修正。）地下抗浮水位低于地下室底板。
顶板恒载：0.3x25+1.5x18+1.0=35.5kN/m2；（1.0为板底部挂管）。
屋顶活荷载：5.0kN/m2；
地下室外墙竖向荷载折算为均匀布线荷载：
g=0.3x3.8x25+(35.5+5)x8.1x0.5x0.5=110.5kN/m；
从SATWE计算结果中读出外墙柱的轴力和弯矩：
将柱的轴向力按e=0.2m平移到地下室内部，并将平移后的轴力作用点处的底部底座质心置于柱下方，则底座将受到均匀压缩。柱下单个底座的宽度（垂直于墙）为：
由此可以建立两个方程：
基本尺寸如上图左下角所示。请参阅下面的横截面：
2、地下室外墙及上部结构柱基础型式
如果地下室外墙上的柱子从上部结构延伸出来，则应优先考虑上图2-2的剖面设计。如果柱轴力较大，墙柱不同心问题更加突出，很难保证基础外侧与偏心独立基础平齐，柱下梁式条形基础可以设计，见3-3节。条形底座定位时，应注意柱、墙的偏心。
3、边跨防水板应考虑地下室外墙根部固定的需要。
在计算地下室外墙时，一般假设其根部是固定的，因此在设计防水板加固时应考虑到这一点，如下图所示：
虽然基础反力可以抵消部分固定端弯矩，但其数值有限且难以准确确定。因此，在实际设计中，应保证防水板的抗弯能力不小于外墙根部弯矩设计值。
三、总结
1、地下室外墙上设置立柱，用于锚固地下室顶梁纵筋。地下室顶梁与外墙的刚性连接不影响地下室外墙平面外的安全。
2、地下室顶梁纵向钢筋锚固满足要求时，可不设置外墙柱，或仅设置暗柱。
3、地下室外墙上安装立柱时，可在墙下采用条形基础，并向内加宽立柱底部条形底座，使基础外侧平齐。
4、如果柱轴力较大，可采用基础梁条形基础。
5、外墙柱不能分担水土侧压力。在任何情况下都不应使用外墙柱作为外墙的支撑。外墙仅由地下室楼板或地下室内的钢筋混凝土墙支撑。
6、地质条件较差，单体基础较大；或地下水位较高，底板设计受水浮力控制，不宜采用“独立基础+防水板”，应采用全筏板基础。
四、需要讨论的问题
由于防水板下面铺设了软垫层，计算独立基础总荷载时，防水板自重和板面活荷载是否应转移到独立基础上？大家都是怎么做到的呢？
我之前的做法是将活荷载转移到独立基础上。防水板的自重由软垫层承受，不传递到独立基础上。由于防水板在浇筑时是流体，其自重直接从软垫层传递到正下方的地基土上，凝固后无法传递回单体基础上。但活荷载是使用时的荷载，不能由正下方的基础承受，而是转移到独立基础上。
