淺析地下室抗浮設(shè)計(jì)

廖森初

(福建廣宇建筑設(shè)計(jì)院 福建福州 350002)

隨著城市化建設(shè)的快速發(fā)展，越來越多的高層建筑拔地而起，人們對(duì)其地下空間的開發(fā)利用也越來越普遍，地下室的層數(shù)和深度也有增加的趨勢，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也不可避免地將涉及到地下室的抗浮問題?？垢≡O(shè)計(jì)首先應(yīng)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的整體抗浮穩(wěn)定性，若滿足則再驗(yàn)算局部抗浮安全度，要按各個(gè)柱的受荷面積來進(jìn)行。針對(duì)那些上部結(jié)構(gòu)層數(shù)少，結(jié)構(gòu)自重小的部位，特別是地下室超出高層塔樓范圍較多的部位，抗浮安全度較低，更應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的重視。

1 抗浮設(shè)計(jì)時(shí)地下水位取值

在得到原始資料后，應(yīng)對(duì)各種情況作詳細(xì)分析，按可能出現(xiàn)的最不利情況確定地下室抗浮設(shè)計(jì)地下水位。當(dāng)有長期水位觀測資料時(shí)，場地抗浮水位可用實(shí)測最高水位，無長期水位觀察資料時(shí)，應(yīng)按勘察期間實(shí)測的最高水位并結(jié)合場地地形條件等因素綜合確定。有一些特殊情況還應(yīng)進(jìn)行必要的分析，比如對(duì)于山坡地的地下室進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，若建筑物一側(cè)是敞開的，水是往低處流的，不能籠統(tǒng)的采用勘察報(bào)告所提供的高于室外地坪的地下室抗浮水位來進(jìn)行設(shè)計(jì)，水浮力不可能高出室外地坪。

2 整體抗浮措施的方案選擇

2.1 壓重抗浮

抗浮安全度不足是由于結(jié)構(gòu)自重加恒載重量小于地下水對(duì)結(jié)構(gòu)的浮力而造成，故最直接的辦法是利用建筑的自重或增加其上的恒載來平衡地下水的總浮力，如在地下室頂板上覆土，既可增加恒載來提高結(jié)構(gòu)的抗浮能力，又能解決上部建筑排水管道出戶的問題;也可將地下室底板下沉，上填土或素混凝土或毛石混凝土以增加壓重，這種做法在有地溝和地坑的地方將地溝和地坑做在此填充物內(nèi)，省去了彎折下沉底板做地溝和地坑，一舉兩得;還可結(jié)合當(dāng)?shù)氐牟牧瞎?yīng)情況，采用重混凝土(如北京常采用的鋼渣混凝土)抗浮也是可行的。

例如“SEVEN·七星匯”項(xiàng)目兩層地下室，局部無上部建筑，結(jié)構(gòu)防水板板底絕對(duì)標(biāo)高為-10.250m，即黃海標(biāo)高為-3.450m，地勘報(bào)告提供抗浮水位為黃海標(biāo)高5.0m，則水浮力為γwh=10×(5+3.450)=84.5kN/m2，分析自重計(jì)算:地下室頂板自重0.20×25=4.0kN/m2，頂板覆土 1.3m:1.3×18=18kN/m2，地下一層板自重:0.12×25=3.0kN/m2，地下室底板自重:0.4×25=10.0kN/m2，自重合計(jì):ΣG=40.4N/m2。0.9ΣG ＜ γwh，還可適當(dāng)考慮梁、柱、承臺(tái)折算成板厚的自重，但總壓重仍不能抵抗水浮力，故整體抗浮穩(wěn)定性不滿足?？梢钥闯鰧?duì)于兩層地下室，建筑的永久抗浮安全度較低，用“壓”的方法仍不能平衡水浮力時(shí)，可增加“拉”的做法，設(shè)置抗拔樁。

2.2 工程樁抗拔

利用高層建筑結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)的抗拔能力抗浮是工程中的常用措施之一，如果抗壓樁能兼作抗浮樁，則會(huì)大大節(jié)約投資，降低工程造價(jià)。樁基礎(chǔ)大多為現(xiàn)澆大直徑樁，整體性好，樁周與土層之間的摩擦力較大，尤其是嵌巖樁，其樁周與基巖間的摩擦力對(duì)提高單樁抗拔力極為有效。因此對(duì)于大直徑灌注樁基礎(chǔ)，對(duì)其抗拔力作一定驗(yàn)算來抵抗浮力，是較經(jīng)濟(jì)的選擇。樁基的抗拔承載力破壞可能呈單樁拔出或群樁整體拔出，即呈非整體破壞和整體破壞模式，對(duì)兩種破壞的承載力均應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第5.4.5條Nk≤Tgk/2+Ggp及 Nk≤Tuk/2+Gp進(jìn)行驗(yàn)算，其中 Tuk= λi*Qsik*ui**Qsik*ui*li。同時(shí)，依據(jù) JGJ94-2008第 5.8.7條，鋼筋混凝土軸心抗拔樁的正截面受拉承載力應(yīng)符合 N≤fy*As+fpy*Aps。

另外近年來，也有許多工程將預(yù)應(yīng)力混凝土空心樁用于抗拔樁，其中預(yù)應(yīng)力混凝土管樁就非常常見的用于工程抗拔，管樁抗拔時(shí)與灌注樁相比，還需要注意幾點(diǎn):由于管樁表面較光滑且樁尖一般不能進(jìn)入較硬巖層，因此只有當(dāng)樁較長并且樁周圍的土層摩擦力較大時(shí)單樁才有可能提供足夠的抗拔力;樁內(nèi)的縱向鋼筋數(shù)量有限，因此單樁所提供的抗拔承載力受樁身強(qiáng)度的影響，不能大于樁身受拉承載力取值;樁與承臺(tái)間的連接強(qiáng)度，對(duì)樁的抗拔承載力也有很大影響，故樁與承臺(tái)的連接方式十分關(guān)鍵。目前大部分的工程中樁頂與承臺(tái)連接是通過樁頂管中埋設(shè)吊筋澆筑混凝土芯，此時(shí)應(yīng)確保加芯的抗拔承載力。

“SEVEN·七星匯”項(xiàng)目因主樓采用預(yù)應(yīng)力管樁作為抗壓樁，故地下室設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用預(yù)應(yīng)力管樁作為抗拔樁，場地土層依上至下分別為雜填土、粉質(zhì)粘土，淤泥、粉質(zhì)粘土、卵石、殘積砂質(zhì)粘性土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等，選用強(qiáng)風(fēng)化花崗巖作為樁端持力層，管樁規(guī)格采用PHC500-125-AB，樁長約15m，用于整體抗浮樁計(jì)算的有效水浮力取:γw-0.9ΣG=84.5-0.9×40.4=48.1kN/m2。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第5.4.5條Nk≤Tuk/2+Gp可得出單根預(yù)應(yīng)力管樁的抗拔力承載力設(shè)計(jì)值。

Tuk=λQskUL=0.7×3.14×0.5×(15×5.5+40×0.9+80×3.4+60×3.2+90×2)=837.5kN，

Ggp=3.14*0.4*0.4*15*(25-10)=113kN，

Tuk/2+Gp=837.5/2+113=532kN，

查圖集可知，PHC500-125-AB的樁身軸心受拉承載力設(shè)計(jì)值為1100kN，

532X1.35=706kN＜1100kN，故采用單樁抗拉承載力特征值為Tuk=532kN，

樁布置方案如(圖1)，單樁拔力為

Nk=48.1×3.3×3.1=492kN＜532kN，故整體抗浮驗(yàn)算滿足。

《福建省預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》DBJ13-86-2007中5.2.9指出管樁作為抗拔樁時(shí)應(yīng)充分重視樁身結(jié)構(gòu)承載力的驗(yàn)算，當(dāng)管樁不用預(yù)應(yīng)力鋼筋做抗拔筋而用內(nèi)孔填芯混凝土中的鋼筋作為抗拔樁的受力鋼筋時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算填芯混凝土長度和該處的受力鋼筋，填芯長度不小于3m。

基樁拔力設(shè)計(jì)值為1.2×492=590.4kN，

所需加設(shè)抗拔鋼筋面積:As=5904000/360=1640mm2，選用 6Φ22，

預(yù)應(yīng)力管樁內(nèi)孔圓周長度Um=(0.5-0.125×2)×3.14=0.785m，

C30的微膨脹混凝土fn可取0.35MPa

灌注芯混凝土長度 Lc≥Qct/FnUm=590.4/(0.35×1000×0.785)=2.15m＜3m

故灌芯長度取3m，采用加微膨脹劑的C30細(xì)石混凝土，樁與承臺(tái)連接大樣詳(圖2)。

2.3 錨桿抗拔

當(dāng)建筑采用天然地基且無法采取前述的抗浮措施時(shí)，可以考慮用錨桿等拉錨措施抗浮，該方式適用于基巖或有良好的錨固土層、錨桿長度較短等情況，實(shí)際工程中，抗浮錨桿和抗浮樁都是利用巖土層與錨固體或樁體的粘結(jié)摩阻力來抗浮，若地下室底板以下地下水水頭壓力較大，淤泥或松散砂層太厚，則錨桿施工會(huì)有一定困難。前文中“SEVEN·七星匯”項(xiàng)目地下室由于土層中有較厚淤泥，故不考慮采用錨桿作為抗拔樁。當(dāng)?shù)刭|(zhì)及基礎(chǔ)條件適合采用錨桿樁抗拔時(shí)，布置方案也可參考前文。

圖1 抗拔樁平面布置圖

圖2 預(yù)應(yīng)力抗拔樁與承臺(tái)連接大樣圖

淺基礎(chǔ)加錨桿也是抗拔設(shè)計(jì)中的主要方案形式。(圖3)為湖北紅安市某大廈單層地下室獨(dú)基加錨桿抗拔方案布置，地下水位標(biāo)高為54.600(黃海標(biāo)高，余同)，地下室底板底標(biāo)高50.600，跨度5.5m×5m取覆土最薄處，計(jì)算用于整體抗浮樁計(jì)算的有效水浮力取:γw-0.9ΣG=40-0.9×29=13.9kN/m2

單根錨桿的抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值為13.9×5.5×6=458.7kN，

單根錨桿抗拔承載力設(shè)計(jì)值 Nt=γq·Ntk=1.3×458.7kN=597kN

式中:Ntk為錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)

Nt為錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值(kN)，γq為荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.3

錨桿鋼筋面積可按《混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中正截面受拉承載力公式確定:As≥N/fy=59700/300=1990mm2，錨桿取3×2Φ22(As=2280mm2)

抗浮錨桿的錨固也十分重要，如果錨桿錨固不好，錨桿容易失效，給底板的安全埋下隱患。建議錨桿桿體總的錨固長度不小于La，錨入底板的豎直段不小于0.4La，如(圖4)所示。

圖3 獨(dú)立基礎(chǔ)加錨桿抗拔方案

圖4 錨桿大樣圖

圖5 墩基加錨桿節(jié)點(diǎn)示意圖

(圖5)為福清某項(xiàng)目地下室墩基礎(chǔ)加錨桿樁抗拔方案節(jié)點(diǎn)示意圖，由于墩現(xiàn)場開挖持力層為中等風(fēng)化凝灰?guī)r，若要滿足抗拔而增加樁長時(shí)開挖較困難且造價(jià)高，因此采用(圖5)所示的墩底加抗拔錨桿的方式，墩端全截面進(jìn)入持力層時(shí)不擴(kuò)頭，錨桿抗拔承載力特征值為60kN。

3 局部抗浮

局部抗浮分析是針對(duì)抗水板的抗浮分析。由于地下室底板的剛度并不是無限大，所以在浮力的作用下會(huì)發(fā)生變形。除了對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度驗(yàn)算，還應(yīng)進(jìn)行變形驗(yàn)算和裂縫驗(yàn)算，若底板計(jì)算時(shí)只驗(yàn)算強(qiáng)度不進(jìn)行裂縫寬度的計(jì)算，可能會(huì)造成底板產(chǎn)生裂縫，甚至漏水嚴(yán)重，形成“地下游泳池”。在不布置抗拔樁或抗拔錨桿的時(shí)候，通常對(duì)底板會(huì)根據(jù)不同荷載工況用“倒樓蓋”法或是采用其他有限元元法對(duì)柱上板帶和跨中板帶進(jìn)行內(nèi)力的分析，“SEVEN·七星匯”項(xiàng)目地下室局部抗浮分析時(shí):局部計(jì)算抗水板時(shí)有效水浮力為:γwh = γw-0.9ΣG=84.5-0.9×40.4 =48.1kN/m2，作為反向荷載，對(duì)梁、板等構(gòu)件進(jìn)行反向的承載力驗(yàn)算、正常使用極限狀態(tài)下的驗(yàn)算。

4 抗浮設(shè)計(jì)中的其他問題

有些設(shè)計(jì)人員和施工人員忽視施工對(duì)地下室抗浮的重要性，設(shè)計(jì)圖紙對(duì)施工時(shí)抗浮措施的要求只字不提，施工人員在施工過程中不關(guān)注降水，沒有采取降水措施或在抗浮結(jié)構(gòu)未達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)定目標(biāo)時(shí)就停止了降水，導(dǎo)致在施工期間產(chǎn)生地下室整體上浮事件時(shí)有發(fā)生《地下室防水技術(shù)規(guī)范》在第10章中明確規(guī)定了，“明挖法地下室防水施工時(shí)，地下水位應(yīng)降至工程底部最低高程500mm以下，降水作用應(yīng)持續(xù)至回填完畢”;進(jìn)行整體抗浮和局部抗浮驗(yàn)算，并提出施工期間的抗浮措施和降水措施。

5 結(jié)語

地下室的抗浮設(shè)計(jì)雖然不復(fù)雜，但必須慎重對(duì)待，對(duì)周圍環(huán)境、場地條件和土層情況要認(rèn)真分析，荷載計(jì)算必須準(zhǔn)確，根據(jù)各個(gè)工程的具體情況具體分析，采用合理的抗浮方式，才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)可靠的目的。

[1]黃琪祺，周健.抗浮錨桿在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].土工基礎(chǔ).2008.06.

[2]袁鐵垣，秦峻英.地下室抗浮問題及抗浮設(shè)計(jì)[J].山西建筑.2009.09.

[3]袁正如.地下工程抗浮設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題[J].地下空間與工程學(xué)報(bào).2007.06.

[4]虞林軍.先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁作為抗拔樁的設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)2006.03.