關(guān)于抗浮設(shè)計的幾個問題探討

盧秋陽

(中鐵八局同新房地產(chǎn)開發(fā)公司，四川成都610031)

現(xiàn)有的一些規(guī)范對抗浮設(shè)計有相關(guān)規(guī)定，也有不少文獻(xiàn)進(jìn)行過探討，但目前的抗浮設(shè)計理論尚不完整，還沒有建立系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，規(guī)范中的有關(guān)規(guī)定也并不具體。因為這涉及到巖土工程學(xué)，而由于地下土層相互作用以及土層與結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜性，這門學(xué)科對土層機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

我們在抗浮設(shè)計過程中主要是以下幾個步驟：確定抗浮水位、水浮力、抵抗水浮力的有利荷載、抗浮措施及方案。根據(jù)抗浮設(shè)計現(xiàn)狀，我將針對每個設(shè)計階段進(jìn)行研討，并提出建議。

1 抗浮水位的確定

1.1 抗浮水位選取的現(xiàn)狀

《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2009) 和《高層建筑巖土工程勘察規(guī)范》(JGJ72—2004)對抗浮設(shè)計水位的確定基本上是指導(dǎo)性的?！陡邔咏ㄖr土工程勘察規(guī)范》(JGJ72—2004)規(guī)定當(dāng)有長期水位觀測資料時，場地抗浮設(shè)防水位可采用實測最高水位；無長期水位觀測資料或資料缺乏時，按勘察期間實測最高穩(wěn)定水位并結(jié)合場地地形地貌、地下水補(bǔ)給、排泄條件等因素綜合確定。工程師進(jìn)行抗浮設(shè)計的水位選取依據(jù)是直接來源于地勘單位給出的報告，報告中給出的是指勘察期間測量得到的水位，受季節(jié)性降水影響明顯，在雨水季節(jié)地下水的水位就高，而在枯水期地下水位明顯較低，因此往往提出的建議水位是歷史最高水位。而工程師和勘察報告都很少綜合考慮工程所在地域的地質(zhì)情況、地層構(gòu)造、地下水的補(bǔ)給、大氣降水、排泄與徑流等有關(guān)因素，而且還受人為因素( 地下水開采、修筑水庫、水庫放水、灌溉等)。當(dāng)然，這些影響因素是很難確定的。曾經(jīng)就有關(guān)于根據(jù)地質(zhì)局的勘查成都地下常年水位降低的報告。

在建筑使用年限的 70 年間，建筑物周圍地貌的變化以及水文條件和氣象的變化都是不能預(yù)料的，特別是近年來氣候的劇烈變化、經(jīng)濟(jì)活動的頻繁使得地下水位更加無法估計。以上這些因素往往又難于去量化，這就取決于工程師的經(jīng)驗和專業(yè)素質(zhì)，工程師出于安全考慮都取值比較保守。2013年成都出現(xiàn)了特大暴雨，加之成都排水管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力有限，導(dǎo)致城區(qū)很多路面積水，特別是在沿河區(qū)域，出現(xiàn)河水倒灌街道道路的情況，甚至有些直接流入住宅區(qū)地下室的停車場，但地下室并沒有受到破壞。這有可能河水是溢出河堤，而非通過地下室的土層滲入，沒有產(chǎn)生過大的浮力的原因。當(dāng)然采取了抗浮設(shè)計措施也是一道防線。

1.2 抗浮水位選取的建議

成都經(jīng)歷過實際暴雨之后的檢驗，地下室出現(xiàn)破壞的情況很少，若選取了合理水位，加上采取抗浮設(shè)計措施，應(yīng)該能夠保證地下室的安全。規(guī)范規(guī)定的當(dāng)有長期水位觀測資料時，采取場地抗浮設(shè)防水位可采用實測最高水位，這是偏于安全保守的。若2013年的成都暴雨在70a之內(nèi)不再發(fā)生，那我們以此次的水位做為我們的抗浮設(shè)計水位，這顯然是不合理的。一是以我們國家的發(fā)展速度，30a后房子是否還存在；二是我們民用建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限是50a，之后如果繼續(xù)使用還需要鑒定加固，結(jié)構(gòu)不一定能夠再使用。這就造成了資源浪費，建筑應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。此外，當(dāng)基礎(chǔ)在弱透水層內(nèi)，而弱透水層以上和弱透水層以下是透水性比較好的土層，這就存在夾層的情況，水就很可能在弱透水層以上的土層內(nèi)，造成水位很高的假象。因此，我建議抗浮水位的確定應(yīng)結(jié)合我國的國情、水文、地質(zhì)、氣候等因素，參考近30a的最高實測水位，做為我們的設(shè)計依據(jù)，而不能將歷史最高水位作為我們設(shè)計依據(jù)。

2 水浮力的計算

2.1 計算理論

《高層建筑巖土工程勘察規(guī)范》(JGJ72—2004)規(guī)定地下室在穩(wěn)定地下水位作用下所受的浮力應(yīng)按靜水壓力計算，對臨時高水位作用下所受的浮力，在黏性土地基中可以根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗適當(dāng)折減。但規(guī)范對于折減的具體參考系數(shù)沒有明確指出，而且規(guī)定如果要折減也是對臨時高水位作用下所受的浮力進(jìn)行折減。按照靜水壓力建議的計算式(1)：

P=γ·g·(h-h0)

(1)

式中 ：P為每1m2的水浮力；γ為折減系數(shù)；g為水的重度；h為抗浮水位標(biāo)高；h0為地下室板底標(biāo)高。

2.2 γ的取值問題

式(1)中關(guān)于抗浮水位的標(biāo)高問題已經(jīng)討論過，對于γ的取值，行業(yè)內(nèi)的爭議比較大。大部分工程師為了安全起見，都是按照靜水壓力計算，而無關(guān)土層的滲透性強(qiáng)弱，γ值都取1。而實際上在砂石土層中與粘土層中，水的滲透性能是不同的，文獻(xiàn)[1]中也通過現(xiàn)場實驗證明了這一點，而且在粘土層中衰減也較明顯。地下室底部的土層滲透性較差的話，在雨季土層中就不會滲入大量的水，產(chǎn)生的浮力也較小。

筆者認(rèn)為由骨粒、水、空氣組成的三相土層產(chǎn)生的浮力與單是水產(chǎn)生的浮力有本質(zhì)的區(qū)別，即使是滲透性較強(qiáng)的砂石層中，骨粒與水之間也有粘聚力，相當(dāng)于削弱了水的動力，只是這種粘聚力比較小，為了安全起見，也為了防止因管涌導(dǎo)致的水浮力很大，建議在滲透性較好的土層中γ取值為1。在弱透水層中，滲透性差，含水量低，而且顆粒的粘聚力較強(qiáng)，所產(chǎn)生的水浮力會減弱。至于γ的取值，由于土質(zhì)情況的復(fù)雜性，建議在勘察期間進(jìn)行實際場地實驗，以確定土層的滲透性能，從而選擇一個較為合理的折減系數(shù)，但最好采用在豐水期勘察的實驗數(shù)據(jù)較為穩(wěn)妥。具體折減系數(shù)的計算公式還有待進(jìn)一步研究。

3 抗浮計算

3.1 抗浮有利因素分析

關(guān)于討論抗浮設(shè)計的文章有很多，但涉及到抗浮有利因素分析和荷載的取值并不是很多。

進(jìn)行抗浮設(shè)計時，通常只考慮結(jié)構(gòu)自重的有利作用，而并不考慮地下室四周的填土對建筑的摩擦力和基地與土層的粘滯力。因為在實際的施工過程中，回填土很難保證完全按照設(shè)計要求達(dá)到相應(yīng)的壓實系數(shù)，回填土的材料也往往是慘雜了很多建筑廢渣，沒有按照設(shè)計要求施工。這就很難保證填土對地下室側(cè)壁的擠壓作用，也就沒有對地下室的摩擦作用。雨水的滲入也會降低它們之間的摩擦力。對于基地與土層的粘滯力，當(dāng)基地是砂石層時，不存在粘滯力。當(dāng)基地是粘土層，若滲透性較差，基地與土層存在一定的粘滯力，但基地的土層在開挖時受到擾動，有所松動現(xiàn)象，而且粘滯力相對于水浮力是相當(dāng)微弱的，因此也不給予考慮，也可以作為安全儲備。

考慮抵抗水浮力的有利荷載包括結(jié)構(gòu)自重和覆土的重量，而對于結(jié)構(gòu)自重的取值存在爭議。有些專家認(rèn)為，對于多層建筑需要抗浮設(shè)計時，不應(yīng)計入地面以上結(jié)構(gòu)的自重，而只考慮地面以下的結(jié)構(gòu)自重，原因在于擔(dān)心上部荷載通過柱傳遞到基礎(chǔ)后，基礎(chǔ)與抗水板的連接并不能保證荷載有效的平均分布在抗水板上，從而不能保證整體抗浮設(shè)計概念的實現(xiàn)。我認(rèn)為這種考慮，對于局部抗浮設(shè)計和傳力路徑是合理的，但對于整體抗浮考慮時，這是不合理的，而且是自相矛盾的，若考慮到基礎(chǔ)與抗水板連接無法保證力的傳遞，那地下室部分的有利荷載只能考慮抗水板的自重，地下室的梁板柱的荷載就不能考慮。實際上，他們是為了安全考慮，相當(dāng)于少考慮一部分荷載，作為安全系數(shù)。但我們整體抗浮設(shè)計時，是把建筑從地下室到上部作為一個整體結(jié)構(gòu)考慮的，強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計理論。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2011)的抗浮設(shè)計公式，如式(2)，也是整體考慮結(jié)構(gòu)荷載來確定是否需要抗浮的。至于基礎(chǔ)與抗水板的連接問題，可以通過加強(qiáng)構(gòu)造措施來保證。

3.2 抗浮設(shè)計

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2011)的抗浮設(shè)計公式5.4.3：

Gk/Nw,k>Kw

(2)

式中 ：Gk為建筑物自重和壓重之和(kN)；Nw,k為浮力作用值(kN)；Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般情況下取1.05；

當(dāng)上式不滿足時，就必須進(jìn)行抗浮設(shè)計?？偟母×χ禍p去有利荷載值的差值就是需要通過抗浮措施來抵抗的浮力值。

對于安全系數(shù)的取值，有些工程師為了安全考慮，取的數(shù)值大于1.05。各個國家的規(guī)范也有所差異，即使是我國國內(nèi)，一些相關(guān)行業(yè)的規(guī)范取值也不一樣。我認(rèn)為通過以上對抗浮水位和有利因素的分析，無需再增大安全系數(shù)，嚴(yán)格按照規(guī)范1.05取值。式(2)是針對整體抗浮考慮的，還應(yīng)進(jìn)行局部抗浮設(shè)計，驗算局部有可能水浮力較大的位置。

4 抗浮措施

4.1 抗浮方案的選擇

主要的抗浮設(shè)計方案包括抗浮錨桿、抗拔樁、增加結(jié)構(gòu)的自重、設(shè)置地下室底板外挑板、采用止水帷幕等。

抗浮錨桿主要用于地基錨固性能較好的基巖或者砂石層，對于砂土層則不適用?？拱螛哆m用范圍很廣，但造價相對較高。采用增加結(jié)構(gòu)自重的方式，是最直接簡單的方法，但只能用在抗浮設(shè)計值較小的情況下比較經(jīng)濟(jì)，而且增加結(jié)構(gòu)板的厚度后會影響建筑的空間尺寸。設(shè)置地下室底板外挑板的作用非常小，只能作為一種保障措施。止水帷幕用于地基土層的滲透性較差的情況，但效果很難保證，造價也較高。

4.2 抗浮錨桿應(yīng)注意的問題

由于抗浮錨桿技術(shù)易于施工，布置靈活，受力簡單，造價合理，因此現(xiàn)在應(yīng)用越來越多。但由于錨桿與土體之間的相互作用非常復(fù)雜，還有待進(jìn)一步研究，其中需要注意幾個問題：

(1)鋼筋的銹蝕問題。若采用的是粘接式錨桿，錨桿受拉后，錨桿周圍的漿體保護(hù)層一旦開裂的話，就很容易受到銹蝕，鋼筋截面變小，影響承載力。只有通過嚴(yán)格控制裂縫寬度，采用大直徑的鋼筋，表面涂防腐層來減小不利影響。或者采用無粘接預(yù)應(yīng)力錨桿，但造價較高。

(2)錨桿的變形問題。若采用的是普通錨桿，在水位往復(fù)變化的情況下，錨桿受到反復(fù)的拉力作用，會產(chǎn)生永久變形，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。若采用的是預(yù)應(yīng)力錨桿，在沒有水浮力的作用下，錨桿對結(jié)構(gòu)的拉力較大，就會成為結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，相當(dāng)于上部荷載作用在結(jié)構(gòu)上。這就需要工程師在實際的工程中權(quán)衡利弊了，選擇合理的錨桿承載力。

(3)錨桿與底板的連接問題。由于錨桿是穿過土層和底板，而構(gòu)成了水流沿錨桿滲入底板的通道，因此節(jié)點的防水措施和施工質(zhì)量非常重要，處理不好會對底板內(nèi)的鋼筋產(chǎn)生銹蝕作用，最終導(dǎo)致底板的開裂。

5 結(jié)論

(1)建議在確定抗浮水位時，應(yīng)結(jié)合我國的國情、水文、地質(zhì)、氣候、周邊情況等因素，參考近30a的最高實測水位，做為我們的設(shè)計依據(jù)。

(2)建議在滲透性較好的土層中折減系數(shù)γ取值為1。在弱透水層中，由于土質(zhì)情況的復(fù)雜性，建議在豐水期進(jìn)行實際場地實驗，以確定土層的滲透性能，從而選擇合理的折減系數(shù)。折減系數(shù)的計算公式還有待進(jìn)一步研究。

(3)在計算抗浮的有利荷載時應(yīng)計入地面以上結(jié)構(gòu)的自重，采取加強(qiáng)基礎(chǔ)與底板的連接，保證整體性?？垢》€(wěn)定安全系數(shù)取1.05是完全能夠保證安全的，無需再增大取值。

(4)錨桿技術(shù)應(yīng)用越來越多，但我們不能忽視所存在問題，在設(shè)計時因考慮這些問題的影響。具體選擇何種抗浮方案，應(yīng)進(jìn)行幾種方案的經(jīng)濟(jì)性與合理性對比確定。

[1] 張曠成，丘建金． 關(guān)于抗浮設(shè)防水位及浮力計算問題的討論[J]． 巖土工程技術(shù)，2007，21(1) : 15-20

[2] 柳建國，劉波. 建筑物的抗浮設(shè)計與工程技術(shù)[J].工業(yè)建筑，2007,37(4)

[3] 吳建虹. 高層建筑地下室抗浮設(shè)計的幾個問題[J].廣東土木與建筑，2002，(8)

[4] 林本海. 地下結(jié)構(gòu)物抗浮設(shè)計問題的研討[J].廣州建筑,2005，(5)

[5] 鄭偉國. 地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計的思路和建議[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013,43(5)

[6] 胡興. 獨立式地下車庫抗浮設(shè)計與抗浮措施[J]. 廣東土木與建筑,2008，(5)

[7]GB50021—2009巖土工程勘察規(guī)范[S]

[8]JGJ72—2004高層建筑巖土工程勘察規(guī)范[S]

[9]GB50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]