建筑基礎結構抗浮方案的設計方法研究

夏華祥

（貴州省建筑設計研究院有限責任公司，貴州貴陽 550081）

0 前言

在建筑工程的施工過程中，隨著建筑規模的逐漸擴大與建筑高度的增加，建筑基礎的埋深也要適當加深。假如基礎埋深超出場地地下水的最高水位，就會受到地下水的浮力作用。當建筑結構自身的重力不能全部抵抗浮力時，就會造成地下室梁柱節點破壞、建筑物上浮、基礎局部開裂等問題，進而嚴重影響建筑的安全性與穩定性。因此，在施工與設計建筑基礎結構時，要確定科學的抗浮方案，保證建筑的安全。

1 建筑基礎結構抗浮方案的工程地質條件與概況

1.1 建筑基礎結構抗浮方案的工程地質條件

建筑工程所處地區的地勢相對平坦，地質土層根據從上到下的順序分別是：①素填土。它是由黏性土與泥巖碎塊所組成，呈現紅褐色，厚度達0.4～2.2m；②粉質黏土。它的顏色是灰黃色，沒有搖振和光澤反應，強度與韌性都相對較大，且裂隙發育較好，有少量的鐵錳質與鈣質結核氧化物，厚度達0.4～1.8m；③卵石層。它的顏色是灰色，卵石直徑達2.8～6.9cm，呈現亞圓形，其成分主要是巖漿巖與沉積巖，局部有少量漂石。經實地勘察得出，建筑底層的基礎位于地下水位之下，在基礎設計時，首先考慮抗浮措施。

1.2 建筑基礎結構抗浮方案的概況

在城市建設快速發展的情況下，地下空間的開發受到強烈重視，如：地下商城、地下車庫等；大跨度的空間結構，像大型公共體育場館及建筑等，均存在地下水浮力與大面積區域的平衡問題；尤其是高層建筑通常使用純地下結構或整體裙房，加深地下室埋深。一些典型的區域地下水變化也是重要的影響因素之一，比如：三峽水庫、南水北調等大型水利工程的建設，會使地下水的分布形態發生改變，在地下水的作用下，地下結構的抗浮問題日益突出[1]。

當前存在的主要問題是，人們缺少對地下結構抗浮計算和地下水浮力確定的認識，對已有的規范不太明確，增加了抗浮設計的難度。有些還造成地下室上浮等其他事故?？垢》椒ㄉ弦詨褐胤橹鳎┠杲ㄖ髽I開始廣泛應用抗浮樁，卻缺乏對抗浮樁耐久性設計和裂縫控制的重視?？垢″^桿是新型抗浮手段，具有良好的受力性能，不過建筑企業對抗浮錨桿的構造要求和可靠性認識相對模糊，限制了抗浮錨桿的應用與推廣。

2 工程基礎抗浮的方案設計

2.1 充分融合防水底板、抗拔樁與承臺

2.1.1 平面布置抗浮錨桿

在施工的過程當中，要借助抗浮錨桿抵抗地下水所產生的浮力，確保地下室的底板可以始終處在自然平衡的狀態。構建防水底板時是由于自身屬于構造底板，并且底板的剛度與厚度都非常小，這時需要充分考慮地下底板自重和底板水浮力等其他力的共同作用。在地下室的施工過程當中，防水底板的厚度大約為3.5cm，板底的相對高度是+6.540～6.660m，抗浮設計水位的要求一定要比地下室底板高10.540～11.550m，在強大的水浮力作用下，底板的壓強達到115.4kPa。壓強作用與結合力作用CI 所采用滿堂的方式布置抗拔錨桿，在這之中，標準柱的跨度為8.5m×8.5m，錨桿間距始終保持1.72m×2.3m。這時，需要使用錨桿產生的抗拔力抵消掉地下水產生的浮力作用，才會讓底板處在自然平衡的狀態，保證防水底板的厚度與配筋處在經濟狀態。根據實際規定，要想確保漂浮、傾覆、滑移等其他結果的穩定性，要使用永久性荷載效應對結構的穩定作用，通常情況下這種方式會保證單根錨桿因地下水產生的浮力作用而承擔底板抗浮區域的抗拔作用。

2.1.2 優化設置抗浮錨桿

根據抗浮錨桿的計算公式可知，在框架柱底下應該放置兩個直徑為820 的樁基，確保它能夠支撐上部豎向結構。雙樁承臺的大小為1.9m×4.4m×1.9m，在承臺的范圍之內還可以取消兩根錨桿，也就是說在布置該結構時需要放置18 根承載柱，用該方法布置抗浮錨桿的數量能夠有效滿足地下水產生的最大浮力，如圖1 所示。

圖1 抗浮錨桿

每個抗浮方法都有自己的適用性與優缺點。可以調整基礎底標高，把基底放置在弱透水層或抬高基礎，從而達到減少地下水浮力的目的，不過受到建筑物使用功能的制約，通常很難實現；通過帷幕阻隔地下水或地基處理，均受到地質條件的限制，費用高昂且不保證效果；通過護坡樁拉結和底板懸挑等方法的局限性比較大，影響范圍十分有限，只能作為輔助方法實施；使用壓重的方法，比如：增加結構自重，會犧牲建筑物的使用面積，采用鋼渣、加大基礎厚度、增加覆土厚度等高重度材料壓重的方法，會增加地下水浮力與基礎埋深，提高抗浮力的幅度有限，另外還增加了土方和基坑的施工費用，主要適合抗浮力不大的情況；抗浮樁錨方法是一種主動抗浮設計，施工的費用比較高，不過后期維護相對簡單，結構受力合理，不影響建筑物的功能[2]。

2.1.3 依據標準要求設置特高浮力區抗浮錨桿

底板的厚度大約在3.5cm，如果不研究建筑物的上部結構活荷載只研究結構自重所產生的作用，綜合豎向導荷的作用，購物中心框架柱水浮力標準值的大概范圍在-320～-6366kN 之間，差異比較大。因此可以得出，水浮力的最大框架存在以下兩種情況，正負零標高之上，受中庭部分開洞，影響了地下室框架柱和被抽調的框架柱。這種框架的地下室只有三層，并且地面上沒有建筑物?；谶@兩種情況下，由于框架柱受到比較小的荷載，但地下水產生的浮力比較大，按照最大的地下水浮力-6366kN 為標準開始計算，同時用滿堂布置抗浮錨桿的方式進行工作，確保錨桿間的距離始終在1.66m×2.2m，不同的框架柱下一共能夠放置抗浮錨桿20 根。在實際建設的過程當中，放置的抗浮錨桿數量可以承受地下水所產生的最大浮力。

抗浮錨桿應對建筑物抗浮問題是非常有效的手段，它具有良好的地層適應性，便于施工，錨桿的布置十分靈活且錨固效率高，因為它具有單向受力的特點，方便預應力和抗拔力的控制，有助于協調建筑結構的變形和應力，降低結構造價，大多數條件下要優于抗浮樁與壓重方案。

2.2 確定抗浮水位

在建筑基礎結構抗浮方案設計方法中，容易把“抗浮設計水位”與“防水設計水位”兩個概念混淆?？垢≡O計水位，主要適用于地下室結構構件的設計和結構的整體穩定性驗算，是影響地下結構經濟性的重要指標之一，也是結構設計最密切的指標；防水設計水位，通常用于確定基礎的混凝土抗滲等級、地下水建筑外防水設計、地下室外墻抗滲等級，通常只涉及地下室防水設計的標準問題，和結構構件的設計沒有關系。針對設計、勘察建筑基礎抗浮設計水位的工作人員，必須《建筑工程抗浮技術標準》JGJ 476—2019 的相關標準進行分析與勘察[3]。確定地下水抗浮設計水位必須要符合：①如果有長期水位勘測資料，那么場地抗浮設計水位要用實測的最高水位，沒有長期水位勘測資料，可根據勘察期間測量的最高水位同時綜合場地排泄條件、地貌地形、地下水補給等其他因素確定；②場地和潛水和承壓水有水利聯系的情況下，必須按照實測的承壓水位綜合考慮抗浮設計水位的影響；③處在施工期間的抗浮設防，抗浮設計水位可以依據最高水位確定。

2.3 實際案例分析

某三層地下室，地上的建筑為A（24 層）、B（15 層）、C（32 層）三棟高層辦公樓和一棟三層的商業樓?；A是平板式筏板，其厚度為800mm，底標高-15.7，室內的覆土為900～1200mm?？垢≡O計水位-4.9，抗浮水頭高度達10m。

以三層商業樓整體的抗浮穩定為例，其上部結構自重約165258.9kN，基礎覆土和自重為32058.7kN，水浮力約為175469.1kN，水浮力和總自重的比值1.06 滿足整體穩定的要求。

A、B 兩棟高層建筑物之間的地下室是三跨，兩側高層恒載可以確保整體不上浮，沒有整體上抬失穩的問題。在水浮力的作用下，使用樁土、上部結構、基礎共同作用計算出模型，能夠清楚看到這部分的上浮變形為8mm，最大配筋量是27cm2，配筋率達到0.44%。使用倒樓蓋模型時，忽視了該處的整體彎曲，只考慮到局部彎矩，使配筋量僅達7cm2，存有安全隱患。

3 結論

綜上所述，在建筑基礎結構抗浮方案的設計方法當中，既要求設計工程師的專業程度，還要求施工人員、勘察人員的通力配合，同時其他工作人員在工作上也要認真、精心、細致。另外，當前有關建筑基礎結構抗浮設計的法規文件，尚未明確規定抗浮設計方案設計中的抗浮水位。因此，在抗浮方案設計的工作人員不斷努力的同時，還要加強相關部門法規條款上的監督與約束。