基礎抗浮設計中基板延伸法與抗浮錨桿法的比較研究

韓 貴，馬宏圖

（蘭州交大設計研究院有限公司，蘭州 730070）

隨著越來越多城市地下空間的開發和利用，地下建筑的抗浮設計已經成為工程中無法回避的問題，尤其是涉及到地下水位埋深較淺且上部結構整體荷載較小的地下工程，應該特別注意地下建筑抗浮的專項設計。本文以甘肅省高臺縣某幼兒園消防水池基礎抗浮設計為例，闡述了基板延伸法與抗浮錨桿法各自的優缺點。

1 工程概況

本工程為幼兒園主樓下部地下一層消防水池基礎抗浮設計，消防水池長19.7 m，寬16.9 m，高6.0 m，水池頂部覆土厚1.4 m。本工程±0.000絕對高程為1 345.9 m，地下水位高程1 342.42～1 343.58 m，抗浮設防水位建議值-1.32（1 344.58 m）。消防水池底標高-7.0 m（1 338.6 m），消防水池基礎采用筏板基礎，筏板厚500 mm，消防水池頂板埋深-1.000 m，水池外墻厚300 mm，水池頂板厚250 mm。

根據建設單位提供的地質勘察報告，場地土類型屬軟弱-中軟土，場地季節性凍土標準深度為1.2 m。本工程場地內地層地質情況依次為：第①層素填土，結構松散，土質不均，平均層厚1.3 m；第②層粉質黏土層，層內夾有細砂薄層或透鏡體，平均層厚1.5 m；第③層細砂層，局部夾中砂、見零星小碎石、礦物成分為石英、長石等，平均層厚5.5 m，地基承載力特征值fak=140 kPa；第④層強風化泥巖層，未揭穿，地基承載力特征值fak=200 kPa?；娱_挖時需采取降水措施，降水可采用豎井降水法，降水深度為開挖面1.0 m以下，待房心土及基坑回填后方可停止降水。消防水池基礎平面布置圖如圖1所示。

圖1 消防水池基礎平面布置圖（單位：mm）

2 抗浮設計

本工程地下水埋深較淺且上部結構荷載較小，根據JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技術標準》中第3.0.1、3.0.2條，新建建筑工程在施工期和使用期，實施前，設計人員應根據該工程地上、地下結構形式，以及基礎和地下水埋置深度、該工程的抗浮設計等級、地下建筑的荷載分布等條件，綜合各種因素，按最不利組合工況確定。當地下建筑自身抗浮不穩定時，應根據自身抗浮穩定性安全系數和具體情況采取相應的抗浮措施[1]。本工程地基基礎設計等級為甲級[2]，根據規范表3.0.1可知，本工程建筑抗浮工程設計等級為甲級[1]?，F根據JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技術標準》中第3.0.3條，以房心土及基坑回填后停止降水為前提，對本工程抗浮設計做一個判斷。

建筑工程抗浮穩定性應符合下式規定

式中：G為地上及地下建筑結構自重、基礎底板以上的附加自重及所有抗浮構件承載力設計值的總和，kN[1]；Nw，k為浮力設計值，kN；Kw為抗浮穩定安全系數。根據規范表3.0.3本工程取值為1.05[1]。

根據式（3.0.1），G=G1+G2+G3+G4=20 655.7 kN。（3.0.2）

Nw，k=17.9×20.7×10×（7.0+0.5-1.32）=22 898.8 kN。（3.0.3）

Kw=20 655.7/22 898.8=0.90＜1.05。 （3.0.4）

G1（筏板自重）=17.9×20.7×0.5×23=4 261.1 kN。

G2（覆土重）=19.7×16.9×1.0×18+（20.7×17.9-19.7×16.9）×7.5×18=11 069 kN。

G3（外墻自重）=（16.6+19.4）×2×0.3×23×6.0=2 980.8 kN。

G4（頂板自重）=19.7×20.7×0.25×23=2 344.8 kN。

綜上，本工程消防水池基礎自身抗浮不滿足規范要求。

3 基板延伸法

本工程消防水池基礎自身抗浮不滿足規范要求，現采用基板延伸法對原有基礎進行進一步設計，使其最終滿足抗浮設計。假定將筏板比原有設計外邊各擴出X，抗浮安全系數仍取為1.05，此時，根據式（3.0.1）可得

G=20 655.7+〔（20.7+2X）×（17.9+2X）-20.7×17.9〕×7.5×18

Nw，k=22 898.8+〔（20.7+2X）×（17.9+2X）-20.7×17.9〕×6.18×10

解得：X=0.607。取整：X=0.65 m。

此時，消防水池基礎底板尺寸長為22.0m、寬19.2m，施工時只需將原基礎筏板向外延伸0.65 m。同時，由于筏板外挑過大，經計算，挑板根部混凝土截面高度不滿足承載力要求，需在挑板根部加勒，如圖2所示。

圖2 基礎底板外擴構造圖（單位：mm）

消防水池基礎筏板施工注意事項：

（1）本工程基礎底板地下室外側為懸挑構件，施工時，應與筏板整體現澆，混凝土澆筑完畢后，外挑部分待混凝土強度等級需達到設計要求的100%方可拆模[3]。

（2）筏板應一次連續澆筑，澆筑時，應根據有關施工規程采取可靠措施降低混凝土水化熱產生的內外溫差，防止裂縫。

（3）本工程消防水池施工完畢后應及時進行基坑和房心土回填，根據本項目現有地質情況，回填材料采用素土或級配砂石，回填時應分層壓實，壓實系數不小于0.95[4]。

基板延伸法抗浮設計滿足規范要求后，與原有設計增加的工程造價如下。

（1）鋼筋混凝土外挑部分的增加量為：51.9×0.5=26.0 m3。

增加的造價為：26.0×1 500=39 000.0（元）。

（2）因鋼筋混凝土外挑部分外擴而增加的土方挖方和填方量為：51.9×7.5=389.3 m3。

增加的造價為：389.3×70=27 251.0（元）。

總造價增加為：39 000.0+27 251.0=66 251.0（元）。

4 抗浮錨桿法

由式3.0.4可知，本工程消防水池基礎自身抗浮不滿足規范要求，現在原有設計上采用抗浮錨桿法對原有基礎進行進一步設計。由地質勘查報告可知，砂漿與第④層強風化泥巖間的黏結強度特征值為fthk=80 kPa。本工程采用分散型預應力錨桿，錨筋直徑d=25 mm，錨桿桿體材料主要采用HRB400級螺紋鋼筋。錨固體直徑d1=150 mm，擬設計抗浮錨桿進入土體長度為8.0 m[5]，由于本工程第③層細砂層存在液化現象，故錨桿在細砂層不考慮錨固效應，扣除細砂層0.8 m，實際錨固段長度按l=7.2 m進行計算，錨固體采用M30水泥砂漿，其中水灰比為0.5，拌和時水泥砂漿應使用自來水和普通硅酸鹽水泥，錨固體中細骨料采用中粗砂，其中砂的含量按重量不得大于錨固體總質量的3.5%[6]，施工前，錨固體所需的砂和水泥必須提前進行材料進場檢驗，檢驗合格后方可進場使用[7]。注漿時錨孔注漿壓力約0.5 MPa。當采用細石混凝土作為注漿材料時，應嚴格控制好細石混凝土中粗骨料的粒徑大小，本工程石子粒徑最大不超過20 mm，細石混凝土強度等級為C35。本工程所使用的錨桿防腐材料不應與桿體發生化學反應，且在施工期間或后期使用時不發生損壞。

根據GB50007—2011《建筑地基基礎設計規范》中第8.6.3條，本工程建筑設計等級為乙類，應符合下式規定[2]

假定若滿足抗浮穩定安全系數Kw=1.05的條件，則需要布置n根抗浮錨桿。

由式（3.0.4）可得，n=（22 898.8×1.05-20 655.7）/217.0=15.6，取整n=16。

根據以上計算結果，抗浮錨桿平面布置圖如圖3所示。

圖3 抗浮錨桿平面布置圖（單位：mm）

消防水池基礎抗浮錨桿施工流程及注意事項如下。

4.1 抗浮錨桿施工工藝（圖4）

圖4 抗浮錨桿施工工藝流程

4.2 抗浮錨桿施工質量問題及注意事項

抗浮錨桿放線前應與建設單位提供的最終版的藍圖復核圖紙中的平面定位、標高、抗浮力等，否則，會出現測量放線與圖紙不符，抗浮錨桿不能滿足設計要求等情況。

鉆孔過程中，應對現場實際地層情況進行復核，當發現鉆孔中的地層情況與地勘報告不符，出現軟弱層等情況，應及時聯系設計單位及監理單位對錨桿長度進行調整，否則，錨桿錨固力不滿足設計要求，錨桿驗收試驗會出現不合格的情況。

施工前，對于地下水的降水措施，具體的降水措施應根據現場實際情況進行確定，并制定相應的降水專項方案。應將地下水未降至錨桿底部以下一定距離，否則，錨桿施工時，地層中的砂層及礫石等軟巖土會很容易沉淀至孔底，從而不能有效地將漿液注至錨桿孔底，相當于減少了錨桿的錨固段長度，不能滿足錨固要求。

注漿過程中振搗不密實，使漿液與碎石滲透不均勻，進而影響錨桿的錨固力，所以注漿過程中應采用有效的措施對錨桿進行充分振動，注漿后應每隔一段時間對注漿孔進行反復補漿，直至孔口漿液不下降。

施工前沒進行技術交底，導致施工人員不了解設計意圖，進而胡亂施工，使錨桿鋼筋長度不符合設計長度。施工過程中應加強質量檢查。

施工時錨桿頂和錨桿底標高與設計不符，錨桿頂高于設計標高就會導致錨桿不能伸到孔底，進而導致錨固段長度不足；錨桿頂標高低于設計標高就會導致錨桿頂部鋼筋錨入底板的錨固長度不足。2種情況均會導致不滿足設計要求，因此，錨桿安放前，應仔細檢查錨孔深度以及錨桿標高。

實際施工過程中經常會出現拔套管時錨筋上拔現象，造成此種現象的主要原因，一方面是套管內加入的粗顆粒骨料粒徑過大，導致與鋼管的摩擦較大；另一方面，錨筋和注漿管掛在套管內不平的地方。綜上，錨筋插入錨孔前應檢查套管內壁的平整度及錨筋的垂直度，錨筋在錨孔內不宜出現接頭，粗骨料粒徑不宜過大，注漿管應位于錨桿中央位置且不宜過長。

施工時，現場對錨筋端部彎起時隨意彎起，未對彎起點進行控制，導致彎起點距離基礎底板距離過近，不滿足設計要求。停止降水后，錨桿受力時將地處底板拉裂。錨筋彎起，必須對鋼筋的直線段進行固定，防止一起彎起。

對于注漿材料，應嚴格按照設計要求的配合比進行拌料，否則錨固段強度不足或錨孔內漿液收縮較大，嚴重降低了錨筋與漿液的黏結力，錨固力不能達到設計要求。

當錨固段地層為卵石、碎石等地層時，如果注漿不及時，則錨孔容易出現塌孔現象，造成注漿管的堵塞，嚴重影響漿液的密實度進而影響錨固力。因此，鉆孔完成后應及時注漿，防止出現堵塞現象。

注漿前在鉆孔內加入的級配碎石細料較多，使漿液不能有效滲入碎石內，造成錨固體密實度和黏結力不夠，影響錨固體與錨筋的握裹力。進料前，應對碎石質量及粒徑按設計圖紙進行要求，碎石應粒徑接近2 cm，且含細料較少，碎石干凈。

抗浮錨桿法抗浮設計滿足規范要求后，與原有設計增加的工程造價為

5 結束語

綜上，通過對同一工程，同一抗浮穩定安全系數的前提下進行基板延伸法和抗浮錨桿法對消防水池進行抗浮設計的對比，抗浮設計應考慮：

（1）隨著抗浮設計不當或遺漏，越來越多的地下建筑在施工或使用過程中出現了局部或大面積的抗浮破壞，當地下建筑地下水埋深較淺且上部結構荷載較小時，需進行自身抗浮驗算，切不可根據以往經驗。當自身不能滿足抗浮設計要求時，應根據結構類型、基礎類型、地質條件及當地經驗進行專項抗浮設計。

（2）設計方面，基板延伸法只需將原有筏板進行外擴，并在外挑根部設置加勒；而抗浮錨桿法應進行抗浮錨桿的專項設計，并應對抗浮錨桿的各種構造進行詳細設計。

（3）施工方面，基板延伸法更為快捷、簡便，施工工序基本與原有設計一致，施工工期短；抗浮錨桿法施工則較為復雜，工序繁雜，施工工期較長，施工質量難以有效保障。

（4）經濟方面，相較于抗浮錨桿法，在抗浮穩定安全系數相同的情況下，基板延伸法工程造價更低，更為經濟。