某商住建筑地下結構抗浮設計研究

呂 春 明

(華藍設計(集團)有限公司,廣西 南寧 530011)

1 概述

南寧永和路某商住建筑(以下簡稱本工程)，距離江邊200多米，抗浮水頭12.30 m，地下水豐富。該建筑地下3層，層高從上到下分別為4.6 m,3.4 m,4.3 m；地上有2棟30層高層，帶局部商鋪；地上商鋪部分有0.5 m～1.0 m的覆土。根據初步計算，地上商鋪及純地下室僅靠自重無法滿足抗浮要求，必須采取有效的抗浮措施。

2 地下室抗浮設計主要規范與方法

對于抗浮穩定計算，采用的主要規范或標準有JGJ 476—2019建筑工程抗浮技術標準以及GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范。抗拔樁或錨桿計算主要參考JGJ 94—2008建筑樁基技術規范，GB 50330—2013建筑邊坡工程技術規范等規范。

設計時需要注意以下內容：

1)恒載取值需切合實際，不可盲目放大。一般在主體結構計算時，恒荷載有時或許會適當放大。但對于抗浮來說，恒荷載是有利的荷載，計算時需要輸入準確的荷載。

2)地下水一般可按恒荷載輸入。因為對于地下室來說，水位變化大多比較緩慢，計算可按恒荷載考慮。

3)水浮力需要考慮高水位和低水位。高水位用于抗浮計算，低水位用于不考慮浮力作用時地基承載力計算。

4)設計中應注明地下室停止降水的條件，如完成地下室外墻填土、完成頂板覆土、主樓施工至哪一層等，地下室停止降水的條件應該與計算相符。

3 本工程地下室抗浮設計

3.1 地質情況介紹

本工程典型的工程地質剖面圖如圖1所示。

3.2 抗浮方案分析

一般來說，地下室抗浮有減少浮力和抵抗浮力兩種方法。

減少浮力方法是采用排水、泄水、隔水等措施減少浮力。一般用于水量不大，具有操作條件的場合，且該方法需要長期觀察和維護。此方法對于水量充沛、臨江臨海等場地并不適合。

抵抗浮力方法有自重抗浮、結構抗浮、抗拔樁(錨桿)等方法。建筑結構應根據不同的地基情況、抗浮水位采用不同抗浮的方法。

本工程距離江邊200多米，地下室底板底土層圓礫層透水性強，地下水豐富，因此不適用減少浮力的方法。本文側重點在于抵抗浮力的方法。

本工程基底土層有圓礫、強風化泥巖、中風化泥巖。可選用的抗拔方案有抗拔樁、抗拔錨桿等。

由于本工程高層主樓采用長螺旋鉆孔灌注樁，樁徑800 mm。為方便施工，地下室抗浮方案上同樣選用了抗拔樁方案，樁型與主樓一致。

3.3 抗拔樁承載力計算

抗拔承載力計算可根據JGJ 94—2008建筑樁基技術規范公式5.4.6-1計算。對于樁長可根據地勘以及施工經驗確定樁長。本工程底板下土層為圓礫層，厚12 m～20 m不等，現樁長按12 m計算。

單樁抗拔極限承載力標準值：

Tuk=∑λiqsikuili=0.6×

140×12×3.14×0.8=2 532 kN。

Tuk/2=1 266 kN。

抗拔樁承載力特征值：

Rta=Tuk/2+Gp=1 266+3.14×

0.4×0.4×12×25=1 416.72 kN。

故抗拔樁承載力特征值取1 400 kN。

我們在結果中對比樁反力的時候，需要考慮抗浮穩定安全系數Ks，也就是：

Ks≤Rta/Nk。

其中，Ks為抗浮穩定安全系數，一般取1.05；Nk為按荷載效應標準組合計算的單樁拔力。

3.4 抗拔樁配筋計算

抗拔樁樁身配筋可根據JGJ 94—2008建筑樁基技術規范公式5.8.7進行：

樁身配筋As：

As=N/fy=1 400×1.05×1.4×1 000/360=5 716 mm2。

配16φ22(As=6 082 mm2)。

計算式中，1.05為抗浮穩定安全系數，1.4為恒活分項系數綜合值。

這里有一個設計者常常疏忽的地方，驗收試驗樁的抗拔力往往比較大，要單獨計算驗收試驗樁的鋼筋。

As(驗收試驗樁)=1 400×2×1 000/400=7 000 mm2。

配16φ25(As=7 854 mm2)。

3.5 抗拔樁裂縫控制

本工程樁為允許出現裂縫的三級裂縫控制等級基樁，按荷載效應準永久組合并考慮長期作用影響計算的最大裂縫寬度應符合下式：

ωmax≤ωlim。

其中，ωmax為計算最大裂縫寬度，按GB 50010混凝土結構設計規范中7.1.2條計算；ωlim為最大裂縫寬度限值，按GB 50010混凝土結構設計規范要求取值，本工程取0.2 mm。

3.6 本工程樁參數

綜合前面所述，本工程采用的樁基礎參數如表1所示。

表1 樁基礎參數

3.7 抗拔樁布置

本工程抗浮主要針對的是純地下室部分、商鋪部分。

抗拔樁的布置一般有兩種：一是布置在框架柱附近，也就是獨立基礎或柱下承臺范圍；二是布置在獨立基礎與獨立基礎之間。對于樁加承臺基礎的工程，承壓樁可兼做抗拔樁，抗拔樁一般就布置在承臺范圍內。而對于本工程，純地下室和商鋪部分采用的是柱下獨立基礎。在浮力的作用下，框架柱由于有上部荷載作用，柱附近的凈浮力較小，板跨中間的凈浮力較大，因此抗拔樁應盡量布置在獨立基礎與獨立基礎之間。

本工程的抗拔樁布置見圖2，可見，抗拔樁是在獨立基礎與獨立基礎之間布置。

3.8 地下室抗浮計算

地下室抗浮計算包括整體抗浮計算、樁承載力計算、底板配筋計算、樁沖切計算等方面。

本工程計算采用盈建科V2.0.0軟件基礎有限元模塊進行計算。

抗浮設計中，如何判斷地下室整體或局部能否滿足抗浮要求，是個令初學者時常感到困惑的問題。我們可以通過以下幾方面判斷一個地下室能否滿足要求。

1)看整體指標，在盈建科軟件基礎模塊中可讀取以下整體抗浮結果(見表2)。

表2 抗浮結果

可見，由于有主樓作用，Gk/Nw,k>1.05，整體抗浮滿足要求。為驗證非主樓部分抗浮是否滿足，計算時可將主樓部分模型刪除，單獨保留商鋪和地下室部分，布上抗拔樁，再查看抗浮指標是否滿足。

2)查看“恒—高水位浮力”工況下的位移，如圖3所示。

由圖3可見，由于抗拔樁的作用，筏板的位移較小(位移值不大于板跨1/250)。如出現較大的位移，說明局部抗浮無法滿足要求。

3)查看基礎底地基反力。

基底反力同樣查看“恒—高水位浮力”工況下的反力。如果是采用自重抗浮，基底反力出現正值，說明該區域自重大于浮力；如果基底反力為0，說明該區域自重無法抵抗浮力。而對于采用抗拔樁(錨桿)的底板，抗拔樁(錨桿)出現拉應力時，基底反力為0。

4)查看抗拔樁(錨桿)的反力。

抗拔樁(錨桿)的反力同樣是查看“恒—高水位浮力”工況下的反力。如果樁(錨桿)反力值大于樁(錨桿)抗拔承載力特征值，說明樁(錨桿)數量不足，需要補樁(錨桿)。

最后，查看底板的配筋結果，如果配筋值過大或超筋，說明板厚不足，需要調整板厚或板混凝土強度等級。

3.9 樁檢測試驗

根據JGJ 106—2003建筑基樁檢測技術規范要求，本工程抽取總樁數的1%且不少于3根進行豎向抗拔承載力檢驗；總樁數的1%且不少于3根進行豎向抗壓承載力檢驗；本工程全部樁進行低應變檢測；抽取不得少于總樁數的10%進行聲波透射法檢驗。

3.10 一些構造措施

對于地下室抗浮，我們還可以采取一些有效措施改善地下室抗浮。

1)底板(筏板)外挑。

對地下室外墻，底板(筏板)可考慮外挑一部分，用外挑的填土平衡水浮力。本工程中，外墻位置，填土加自重能抵消大部分水浮力，此處位置不需布置或少量布置抗浮樁。

另外，外挑板面鋼筋，需按懸挑板計算；水下面的土重度，按浮容重計算。做法見圖4。

2)增加覆土厚。

增加覆土可有效增加自重。覆土可加在地下室頂板上面，也可加在底板之上。如加在地下室頂板，需要與建筑專業核對地面標高；而加在底板位置，則需要把底板往下降，這同時也增加了一定的水浮力。

本工程純地下室頂板考慮了1.0 m覆土；商鋪部分，考慮0.5 m覆土。

3)地下室外墻填土材料要求。

地下室外墻填土宜為隔水性較好的粘性土，也就是含砂粒較少的粘性土。設計中還要強調填土的質量要求，如分層夯實，壓實系數等等。

4 結語

在工程應用中，抗浮設計需要先進行方案分析，然后根據規范或文獻相關公式計算抗力與浮力，再判斷選用的方案是否滿足要求。本論文根據特定的工程實例分析了地下室抗浮方案，并指出了設計中的要點和容易疏忽的地方，可為相似的工程提供借鑒。