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【摘 要】 在土地资源日益紧张的今天，集约化使用土地已经成为各地建筑工程项目遵循的基本原则之一。地下室工程成为了各类建筑物的设计与施工中的一个重要组成部分。本文探讨了地下室外墙的受力特征及设计要点，使地下室外墙的设计达到安全与经济的统一。
【关键词】 地下室外墙;静止土压力
一、挡土墙受力特征
挡土墙土压力的大小及其分布規律受墙体可能的运动方向、墙后填土的种类、填土的形式、墙的截面刚度和地基的变形等因素影响。根据墙的位移情况和墙后土体所受的应力状态，土压力可分为主动土压力、静止土压力和被动土压力。
1、主动土压力
当挡土墙在土压力作用下向前移动或转动时，随着位移量的增加，作用于墙后的土压力逐渐减少，当位移达到某一（微小）量值时，墙后土体达到主动极限平衡状态，此时作用于墙背的土压力称为主动土压力。
2、被动土压力
当挡土墙在外力的作用下，推向土体时，随着墙向后位移量的增加，墙后土体因受到墙的推压，土体对墙背的反力也逐渐增加，当位移量足够大，直到土体在墙的推压下达到被动极限平衡状态时，作用在墙背上的土压力称为被动土压力。
3、静止土压力
如果挡土墙在土压力作用下不发生向任何方向的位移或转动而保持原有的状态，则墙后的土体处于弹性平衡状态，此时墙背所受的土压力称为静止土压力。地下室外墙一般可视为受静止土压力的作用。
二、地下室外墙的变形特征
地下室挡土墙，其顶部因受到楼板的限制而不能产生明显的水平位移。在楼板支承处，地下室外墙没有水平位移，但可绕楼板支承点转动。在楼层中部，由于土压力的作用，墙体发生弯曲变形，楼层中部的变形量一般满足产生主动土压力的变形条件。
依据挡土墙的变形特征，其可能出现的土压力系数随挡土墙的变形大小而变化，其规律如下：
1、在基础、楼层和地下室顶板处的挡土墙，由于其侧向位移受到结构构件的限制，其与土体无相对侧移，此处可按承受静止土压力设计。
2、在楼层中部，墙外土体对挡土墙产生水平推力，使墙体产生相应的水平位移，而墙体的变形又使土压力减小，达到土体对墙体作用力和墙体对土体反作用力的暂时平衡。注意到受挡土墙墙外填土施工顺序的影响，填土对挡土墙的土压力随墙外填土的不断加高而不断增大，同时，墙的变形也不断加大，当回填结束，土对墙体的作用力和墙体对土体反作用力达到最后的平衡，此处按承受主动土压力设计。
三、关于静止土压力系数
静止土压力系数与墙后填土的类型有关，并随土体密实度、固结程度的增加而减小，由此可见，结构设计中要求地下室外墙肥槽采用较好的回填土，对减小土压力是有利的。对于正常固结土，静止土压力系数取值如下表：
静止图压力系数
土类 坚硬土 硬-可塑粘性土、粉质粘土、砂土 可-软塑黏性土 软塑黏性土 流塑黏性土
静止土压力系数 0.2～0.4 0.4～0.5 0.5～0.6 0.6～0.75 0.75～0.8
自然状态下的土体水平向有效应力，可以认为与静止土压力相等，土体侧向变形会改变其水平应力状态，地下室外墙的土压力随着变形的大小和方向而呈现出主动极限平衡和被动极限平衡两种极限状态。
目前在地下室挡土墙结构设计中，将静止土压力系数统一取0.5的做法，适用于墙后填土较好的情况，对于如可塑、软塑及流塑的黏性土等特殊土体取值偏小，不安全，故应区别填土的不同情况，合理取值。
四、地震作用对土压力的影响
岩土为地震波的传播介质并对其起放大与滤波作用后，将震动传到建筑物上，使结构产生惯性力。地震时地面运动使土压力增加，超过静态时的土压力，地震时土压力可按下式估算：
式中：Ea、E——分别为有地震作用时、无地震作用时作用在挡土墙墙背上的土压力，对于计算主动土压力时，式中取正号;计算被动土压力时取负号。
k——水平地震系数，即地震时地面最大加速度与重力加速度的比值，见下表：
水平地震系数k
抗震设防烈度 7度 8度 9度
k 0.025 0.05 0.10
有关资料表明，对于具有水平填土面的挡土墙，如按静荷载进行设计，并具有1.5倍的富裕度，则可以预计其能承受不超过0.2g的水平加速度。
综合考虑地下室外墙土压力的分布规律、地震作用对地表土压力的增大作用及地震加速度随地下室深度变化的规律，以及地下室肥槽回填土的施工情况，并参考《全国民用建筑工程设计技术措施》（地基与基础），地下室的土压力可按以下原则确定：
计算地下室外墙的土压力时，当地下室施工采用大开挖方式，无护坡或连续墙支护时，地下室承受的土压力宜取静止土压力，静止土压力系数k0，对正常固结土，可取，（其中为土的内摩擦角），一般情况下可取0.5。
当地下室施工采用护坡桩或连续墙支护时，地下室外墙的土压力计算中，可以考虑基坑支护与地下室外墙的共同作用，可按静止土压力乘以折减系数0.66近似计算，取值为0.5X0.66=0.33。
配筋计算时，外墙的侧向压力按永久荷载效应计算。计算地下室外墙的侧向压力，如水压力、土压力时，如其压头高度已确定，不应再乘以放大系数。计算地下室外墙时，一般室外活载可取5KN/m2，（包括可能停放消防车的室外地面）。有特殊较重荷载时，按实际情况确定。如勘察报告已提供地下水外墙水压分布时，应按勘察报告计算，如勘察报告未提供上述资料，可取历史最高水位与最近3～5年的最高水位的平均值（水位高度包括上层滞水），水压力取静水压力并按直线分布计算。地下水位以下土的重度取浮重度。
水土侧压计算方法有水土分算和水土合算两种计算方法，一般采用水土分算。 所谓水土分算，其实质就是分别计算水、土压力，以两者之和为总侧压力。土压力计算采用浮重度和有效应力抗剪强度指标c和计算，计算水压力时，按全水头的水压力考虑。这一方法适用于土空隙水中存在自由水的情况或土的渗透性较好的情况。工程实践也表明：按水土分算方法计算水压力对于大多数土层来说，其作用偏大。
所谓水土合算，其实质就是不考虑水压力的作用，认为土空隙中的水都是结合水，没有自由水，因此不形成水压力。土颗粒与其空隙中的结合水是一整体，直接用土的饱和重度计算土的侧压力即可。适用于不透水和弱透水的黏土、粉质黏土和粉土，这一方法在理论上讲仅适用于渗透系数为零的不透水层。采用水土合算方法只是一种近似方法，这种方法存在一些问题，可能会低估了水压力的作用。
地下工程防水规范规定，地下水外墙迎水面保护层厚度不应小于50mm，裂缝宽度不应大于0.2mm。对地下室外墙体采取可靠的建筑防水做法或防护措施时，与土层接触一侧钢筋的保护层厚度可适当减少，但不应小于25mm。构件的表面防护是指表面抹灰层以及其他各种有效的保护性涂料层。例如：地下室墙体采用防水、防腐做法等。
五、挡土墙计算简化模型
作为地下室挡土墙，承受结构自重、上部及地下室结构的楼盖传至墙上的荷载、地面活载、侧向土压力、地下水压力、人防等效静荷载等，一般采用古典的朗金理论和库伦理论进行计算。对挡土墙可按纯弯构件进行简化计算，也可按压弯构件进行简化计算。无人防荷载组合时，地下水外墙应根据内外表面的裂缝宽度限值的要求进行裂缝验算与控制。挡土墙的计算简图应根据工程具体情况确定：
1、地下室外墙一般可按以层高为计算跨度的单向板计算;当外墙与塔楼剪力墙连在一起或有较强的侧向支承（如图a），且外墙水平方向肋墙间距与层高之比L/h小于2.0时，可按双向板计算。
地下室外墙计算简图
图a
2、一般情况下墙顶与地下室顶板交接处可按简支端计算。
3、挡土墙下端支座应根据基础情况确定：
（1）当基础底板厚度不小于挡土墙厚时，可按固结计算;
（2）当基础底板厚度小于挡土墙厚度（或当地下室采用独立基础加防水板或条形基础）时，可按铰接计算。
4、多层地下室挡土墙的中间支座按连续板计算。
5、对于严格要求裂缝的地下室外墙，计算采用弹性板计算;对于裂缝没有严格要求的地下室外墙，为了便于配筋构造和节省钢筋，外墙可考虑塑性变形内力重分布。塑性变形可能只在截面受拉区砼中出现较细微的弯曲裂缝，不会贯通整个截面厚度，所以外墙仍有足够的抗渗能力。
六、地下室外墙构造
地下室外墙竖向和水平分布钢筋双层双向布置，间距不宜大于150mm，配筋率不宜小于0.3%。当地下室按单向板计算时，水平方向分布钢筋单位宽度上的配筋不应小于单位宽度上的受力钢筋的15%。采用筏型基础的地下室，钢筋砼外墙厚度不宜小于250mm，墙体内应设置双面钢筋，钢筋不宜采用光面圆钢筋，水平钢筋的直径不应小于12mm，竖向钢筋的直径不应小于10mm。
参考文献：
1.朱炳寅《建筑结构设计问答及分析》（第二版），北京：中国建筑工业出版社，2013
2.《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011），北京：中國建筑工业出版社，2011
3.《全国民用建筑工程设计技术措施2013结构（地基与基础）》，北京：中国计划出版社，2013
4.《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），北京：中国建筑工业出版社，2012
【关键词】 地下室外墙;静止土压力
一、挡土墙受力特征
挡土墙土压力的大小及其分布規律受墙体可能的运动方向、墙后填土的种类、填土的形式、墙的截面刚度和地基的变形等因素影响。根据墙的位移情况和墙后土体所受的应力状态，土压力可分为主动土压力、静止土压力和被动土压力。
1、主动土压力
当挡土墙在土压力作用下向前移动或转动时，随着位移量的增加，作用于墙后的土压力逐渐减少，当位移达到某一（微小）量值时，墙后土体达到主动极限平衡状态，此时作用于墙背的土压力称为主动土压力。
2、被动土压力
当挡土墙在外力的作用下，推向土体时，随着墙向后位移量的增加，墙后土体因受到墙的推压，土体对墙背的反力也逐渐增加，当位移量足够大，直到土体在墙的推压下达到被动极限平衡状态时，作用在墙背上的土压力称为被动土压力。
3、静止土压力
如果挡土墙在土压力作用下不发生向任何方向的位移或转动而保持原有的状态，则墙后的土体处于弹性平衡状态，此时墙背所受的土压力称为静止土压力。地下室外墙一般可视为受静止土压力的作用。
二、地下室外墙的变形特征
地下室挡土墙，其顶部因受到楼板的限制而不能产生明显的水平位移。在楼板支承处，地下室外墙没有水平位移，但可绕楼板支承点转动。在楼层中部，由于土压力的作用，墙体发生弯曲变形，楼层中部的变形量一般满足产生主动土压力的变形条件。
依据挡土墙的变形特征，其可能出现的土压力系数随挡土墙的变形大小而变化，其规律如下：
1、在基础、楼层和地下室顶板处的挡土墙，由于其侧向位移受到结构构件的限制，其与土体无相对侧移，此处可按承受静止土压力设计。
2、在楼层中部，墙外土体对挡土墙产生水平推力，使墙体产生相应的水平位移，而墙体的变形又使土压力减小，达到土体对墙体作用力和墙体对土体反作用力的暂时平衡。注意到受挡土墙墙外填土施工顺序的影响，填土对挡土墙的土压力随墙外填土的不断加高而不断增大，同时，墙的变形也不断加大，当回填结束，土对墙体的作用力和墙体对土体反作用力达到最后的平衡，此处按承受主动土压力设计。
三、关于静止土压力系数
静止土压力系数与墙后填土的类型有关，并随土体密实度、固结程度的增加而减小，由此可见，结构设计中要求地下室外墙肥槽采用较好的回填土，对减小土压力是有利的。对于正常固结土，静止土压力系数取值如下表：
静止图压力系数
土类 坚硬土 硬-可塑粘性土、粉质粘土、砂土 可-软塑黏性土 软塑黏性土 流塑黏性土
静止土压力系数 0.2～0.4 0.4～0.5 0.5～0.6 0.6～0.75 0.75～0.8
自然状态下的土体水平向有效应力，可以认为与静止土压力相等，土体侧向变形会改变其水平应力状态，地下室外墙的土压力随着变形的大小和方向而呈现出主动极限平衡和被动极限平衡两种极限状态。
目前在地下室挡土墙结构设计中，将静止土压力系数统一取0.5的做法，适用于墙后填土较好的情况，对于如可塑、软塑及流塑的黏性土等特殊土体取值偏小，不安全，故应区别填土的不同情况，合理取值。
四、地震作用对土压力的影响
岩土为地震波的传播介质并对其起放大与滤波作用后，将震动传到建筑物上，使结构产生惯性力。地震时地面运动使土压力增加，超过静态时的土压力，地震时土压力可按下式估算：
式中：Ea、E——分别为有地震作用时、无地震作用时作用在挡土墙墙背上的土压力，对于计算主动土压力时，式中取正号;计算被动土压力时取负号。
k——水平地震系数，即地震时地面最大加速度与重力加速度的比值，见下表：
水平地震系数k
抗震设防烈度 7度 8度 9度
k 0.025 0.05 0.10
有关资料表明，对于具有水平填土面的挡土墙，如按静荷载进行设计，并具有1.5倍的富裕度，则可以预计其能承受不超过0.2g的水平加速度。
综合考虑地下室外墙土压力的分布规律、地震作用对地表土压力的增大作用及地震加速度随地下室深度变化的规律，以及地下室肥槽回填土的施工情况，并参考《全国民用建筑工程设计技术措施》（地基与基础），地下室的土压力可按以下原则确定：
计算地下室外墙的土压力时，当地下室施工采用大开挖方式，无护坡或连续墙支护时，地下室承受的土压力宜取静止土压力，静止土压力系数k0，对正常固结土，可取，（其中为土的内摩擦角），一般情况下可取0.5。
当地下室施工采用护坡桩或连续墙支护时，地下室外墙的土压力计算中，可以考虑基坑支护与地下室外墙的共同作用，可按静止土压力乘以折减系数0.66近似计算，取值为0.5X0.66=0.33。
配筋计算时，外墙的侧向压力按永久荷载效应计算。计算地下室外墙的侧向压力，如水压力、土压力时，如其压头高度已确定，不应再乘以放大系数。计算地下室外墙时，一般室外活载可取5KN/m2，（包括可能停放消防车的室外地面）。有特殊较重荷载时，按实际情况确定。如勘察报告已提供地下水外墙水压分布时，应按勘察报告计算，如勘察报告未提供上述资料，可取历史最高水位与最近3～5年的最高水位的平均值（水位高度包括上层滞水），水压力取静水压力并按直线分布计算。地下水位以下土的重度取浮重度。
水土侧压计算方法有水土分算和水土合算两种计算方法，一般采用水土分算。 所谓水土分算，其实质就是分别计算水、土压力，以两者之和为总侧压力。土压力计算采用浮重度和有效应力抗剪强度指标c和计算，计算水压力时，按全水头的水压力考虑。这一方法适用于土空隙水中存在自由水的情况或土的渗透性较好的情况。工程实践也表明：按水土分算方法计算水压力对于大多数土层来说，其作用偏大。
所谓水土合算，其实质就是不考虑水压力的作用，认为土空隙中的水都是结合水，没有自由水，因此不形成水压力。土颗粒与其空隙中的结合水是一整体，直接用土的饱和重度计算土的侧压力即可。适用于不透水和弱透水的黏土、粉质黏土和粉土，这一方法在理论上讲仅适用于渗透系数为零的不透水层。采用水土合算方法只是一种近似方法，这种方法存在一些问题，可能会低估了水压力的作用。
地下工程防水规范规定，地下水外墙迎水面保护层厚度不应小于50mm，裂缝宽度不应大于0.2mm。对地下室外墙体采取可靠的建筑防水做法或防护措施时，与土层接触一侧钢筋的保护层厚度可适当减少，但不应小于25mm。构件的表面防护是指表面抹灰层以及其他各种有效的保护性涂料层。例如：地下室墙体采用防水、防腐做法等。
五、挡土墙计算简化模型
作为地下室挡土墙，承受结构自重、上部及地下室结构的楼盖传至墙上的荷载、地面活载、侧向土压力、地下水压力、人防等效静荷载等，一般采用古典的朗金理论和库伦理论进行计算。对挡土墙可按纯弯构件进行简化计算，也可按压弯构件进行简化计算。无人防荷载组合时，地下水外墙应根据内外表面的裂缝宽度限值的要求进行裂缝验算与控制。挡土墙的计算简图应根据工程具体情况确定：
1、地下室外墙一般可按以层高为计算跨度的单向板计算;当外墙与塔楼剪力墙连在一起或有较强的侧向支承（如图a），且外墙水平方向肋墙间距与层高之比L/h小于2.0时，可按双向板计算。
地下室外墙计算简图
图a
2、一般情况下墙顶与地下室顶板交接处可按简支端计算。
3、挡土墙下端支座应根据基础情况确定：
（1）当基础底板厚度不小于挡土墙厚时，可按固结计算;
（2）当基础底板厚度小于挡土墙厚度（或当地下室采用独立基础加防水板或条形基础）时，可按铰接计算。
4、多层地下室挡土墙的中间支座按连续板计算。
5、对于严格要求裂缝的地下室外墙，计算采用弹性板计算;对于裂缝没有严格要求的地下室外墙，为了便于配筋构造和节省钢筋，外墙可考虑塑性变形内力重分布。塑性变形可能只在截面受拉区砼中出现较细微的弯曲裂缝，不会贯通整个截面厚度，所以外墙仍有足够的抗渗能力。
六、地下室外墙构造
地下室外墙竖向和水平分布钢筋双层双向布置，间距不宜大于150mm，配筋率不宜小于0.3%。当地下室按单向板计算时，水平方向分布钢筋单位宽度上的配筋不应小于单位宽度上的受力钢筋的15%。采用筏型基础的地下室，钢筋砼外墙厚度不宜小于250mm，墙体内应设置双面钢筋，钢筋不宜采用光面圆钢筋，水平钢筋的直径不应小于12mm，竖向钢筋的直径不应小于10mm。
参考文献：
1.朱炳寅《建筑结构设计问答及分析》（第二版），北京：中国建筑工业出版社，2013
2.《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011），北京：中國建筑工业出版社，2011
3.《全国民用建筑工程设计技术措施2013结构（地基与基础）》，北京：中国计划出版社，2013
4.《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），北京：中国建筑工业出版社，2012