关于抗浮设计的几个问题探讨

2014-04-07卢秋阳

四川建筑 2014年4期

卢秋阳

(中铁八局同新房地产开发公司，四川成都610031)

现有的一些规范对抗浮设计有相关规定，也有不少文献进行过探讨，但目前的抗浮设计理论尚不完整，还没有建立系统的理论基础，规范中的有关规定也并不具体。因为这涉及到岩土工程学，而由于地下土层相互作用以及土层与结构相互作用的复杂性，这门学科对土层机理还有待进一步研究。

我们在抗浮设计过程中主要是以下几个步骤：确定抗浮水位、水浮力、抵抗水浮力的有利荷载、抗浮措施及方案。根据抗浮设计现状，我将针对每个设计阶段进行研讨，并提出建议。

1 抗浮水位的确定

1.1 抗浮水位选取的现状

《岩土工程勘察规范》(GB50021—2009) 和《高层建筑岩土工程勘察规范》(JGJ72—2004)对抗浮设计水位的确定基本上是指导性的。《高层建筑岩土工程勘察规范》(JGJ72—2004)规定当有长期水位观测资料时，场地抗浮设防水位可采用实测最高水位；无长期水位观测资料或资料缺乏时，按勘察期间实测最高稳定水位并结合场地地形地貌、地下水补给、排泄条件等因素综合确定。工程师进行抗浮设计的水位选取依据是直接来源于地勘单位给出的报告，报告中给出的是指勘察期间测量得到的水位，受季节性降水影响明显，在雨水季节地下水的水位就高，而在枯水期地下水位明显较低，因此往往提出的建议水位是历史最高水位。而工程师和勘察报告都很少综合考虑工程所在地域的地质情况、地层构造、地下水的补给、大气降水、排泄与径流等有关因素，而且还受人为因素( 地下水开采、修筑水库、水库放水、灌溉等)。当然，这些影响因素是很难确定的。曾经就有关于根据地质局的勘查成都地下常年水位降低的报告。

在建筑使用年限的 70 年间，建筑物周围地貌的变化以及水文条件和气象的变化都是不能预料的，特别是近年来气候的剧烈变化、经济活动的频繁使得地下水位更加无法估计。以上这些因素往往又难于去量化，这就取决于工程师的经验和专业素质，工程师出于安全考虑都取值比较保守。2013年成都出现了特大暴雨，加之成都排水管网系统排水能力有限，导致城区很多路面积水，特别是在沿河区域，出现河水倒灌街道道路的情况，甚至有些直接流入住宅区地下室的停车场，但地下室并没有受到破坏。这有可能河水是溢出河堤，而非通过地下室的土层渗入，没有产生过大的浮力的原因。当然采取了抗浮设计措施也是一道防线。

1.2 抗浮水位选取的建议

成都经历过实际暴雨之后的检验，地下室出现破坏的情况很少，若选取了合理水位，加上采取抗浮设计措施，应该能够保证地下室的安全。规范规定的当有长期水位观测资料时，采取场地抗浮设防水位可采用实测最高水位，这是偏于安全保守的。若2013年的成都暴雨在70a之内不再发生，那我们以此次的水位做为我们的抗浮设计水位，这显然是不合理的。一是以我们国家的发展速度，30a后房子是否还存在；二是我们民用建筑的结构设计使用年限是50a，之后如果继续使用还需要鉴定加固，结构不一定能够再使用。这就造成了资源浪费，建筑应满足经济性的要求。此外，当基础在弱透水层内，而弱透水层以上和弱透水层以下是透水性比较好的土层，这就存在夹层的情况，水就很可能在弱透水层以上的土层内，造成水位很高的假象。因此，我建议抗浮水位的确定应结合我国的国情、水文、地质、气候等因素，参考近30a的最高实测水位，做为我们的设计依据，而不能将历史最高水位作为我们设计依据。

2 水浮力的计算

2.1 计算理论

《高层建筑岩土工程勘察规范》(JGJ72—2004)规定地下室在稳定地下水位作用下所受的浮力应按静水压力计算，对临时高水位作用下所受的浮力，在黏性土地基中可以根据当地经验适当折减。但规范对于折减的具体参考系数没有明确指出，而且规定如果要折减也是对临时高水位作用下所受的浮力进行折减。按照静水压力建议的计算式(1)：

P=γ·g·(h-h0)

(1)

式中：P为每1m2的水浮力；γ为折减系数；g为水的重度；h为抗浮水位标高；h0为地下室板底标高。

2.2 γ的取值问题

式(1)中关于抗浮水位的标高问题已经讨论过，对于γ的取值，行业内的争议比较大。大部分工程师为了安全起见，都是按照静水压力计算，而无关土层的渗透性强弱，γ值都取1。而实际上在砂石土层中与粘土层中，水的渗透性能是不同的，文献[1]中也通过现场实验证明了这一点，而且在粘土层中衰减也较明显。地下室底部的土层渗透性较差的话，在雨季土层中就不会渗入大量的水，产生的浮力也较小。

笔者认为由骨粒、水、空气组成的三相土层产生的浮力与单是水产生的浮力有本质的区别，即使是渗透性较强的砂石层中，骨粒与水之间也有粘聚力，相当于削弱了水的动力，只是这种粘聚力比较小，为了安全起见，也为了防止因管涌导致的水浮力很大，建议在渗透性较好的土层中γ取值为1。在弱透水层中，渗透性差，含水量低，而且颗粒的粘聚力较强，所产生的水浮力会减弱。至于γ的取值，由于土质情况的复杂性，建议在勘察期间进行实际场地实验，以确定土层的渗透性能，从而选择一个较为合理的折减系数，但最好采用在丰水期勘察的实验数据较为稳妥。具体折减系数的计算公式还有待进一步研究。

3 抗浮计算

3.1 抗浮有利因素分析

关于讨论抗浮设计的文章有很多，但涉及到抗浮有利因素分析和荷载的取值并不是很多。

进行抗浮设计时，通常只考虑结构自重的有利作用，而并不考虑地下室四周的填土对建筑的摩擦力和基地与土层的粘滞力。因为在实际的施工过程中，回填土很难保证完全按照设计要求达到相应的压实系数，回填土的材料也往往是惨杂了很多建筑废渣，没有按照设计要求施工。这就很难保证填土对地下室侧壁的挤压作用，也就没有对地下室的摩擦作用。雨水的渗入也会降低它们之间的摩擦力。对于基地与土层的粘滞力，当基地是砂石层时，不存在粘滞力。当基地是粘土层，若渗透性较差，基地与土层存在一定的粘滞力，但基地的土层在开挖时受到扰动，有所松动现象，而且粘滞力相对于水浮力是相当微弱的，因此也不给予考虑，也可以作为安全储备。

考虑抵抗水浮力的有利荷载包括结构自重和覆土的重量，而对于结构自重的取值存在争议。有些专家认为，对于多层建筑需要抗浮设计时，不应计入地面以上结构的自重，而只考虑地面以下的结构自重，原因在于担心上部荷载通过柱传递到基础后，基础与抗水板的连接并不能保证荷载有效的平均分布在抗水板上，从而不能保证整体抗浮设计概念的实现。我认为这种考虑，对于局部抗浮设计和传力路径是合理的，但对于整体抗浮考虑时，这是不合理的，而且是自相矛盾的，若考虑到基础与抗水板连接无法保证力的传递，那地下室部分的有利荷载只能考虑抗水板的自重，地下室的梁板柱的荷载就不能考虑。实际上，他们是为了安全考虑，相当于少考虑一部分荷载，作为安全系数。但我们整体抗浮设计时，是把建筑从地下室到上部作为一个整体结构考虑的，强调概念设计理论。根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)的抗浮设计公式，如式(2)，也是整体考虑结构荷载来确定是否需要抗浮的。至于基础与抗水板的连接问题，可以通过加强构造措施来保证。

3.2 抗浮设计

根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)的抗浮设计公式5.4.3：

Gk/Nw,k>Kw

(2)

式中：Gk为建筑物自重和压重之和(kN)；Nw,k为浮力作用值(kN)；Kw为抗浮稳定安全系数，一般情况下取1.05；

当上式不满足时，就必须进行抗浮设计。总的浮力值减去有利荷载值的差值就是需要通过抗浮措施来抵抗的浮力值。

对于安全系数的取值，有些工程师为了安全考虑，取的数值大于1.05。各个国家的规范也有所差异，即使是我国国内，一些相关行业的规范取值也不一样。我认为通过以上对抗浮水位和有利因素的分析，无需再增大安全系数，严格按照规范1.05取值。式(2)是针对整体抗浮考虑的，还应进行局部抗浮设计，验算局部有可能水浮力较大的位置。

4 抗浮措施

4.1 抗浮方案的选择

主要的抗浮设计方案包括抗浮锚杆、抗拔桩、增加结构的自重、设置地下室底板外挑板、采用止水帷幕等。

抗浮锚杆主要用于地基锚固性能较好的基岩或者砂石层，对于砂土层则不适用。抗拔桩适用范围很广，但造价相对较高。采用增加结构自重的方式，是最直接简单的方法，但只能用在抗浮设计值较小的情况下比较经济，而且增加结构板的厚度后会影响建筑的空间尺寸。设置地下室底板外挑板的作用非常小，只能作为一种保障措施。止水帷幕用于地基土层的渗透性较差的情况，但效果很难保证，造价也较高。

4.2 抗浮锚杆应注意的问题

由于抗浮锚杆技术易于施工，布置灵活，受力简单，造价合理，因此现在应用越来越多。但由于锚杆与土体之间的相互作用非常复杂，还有待进一步研究，其中需要注意几个问题：

(1)钢筋的锈蚀问题。若采用的是粘接式锚杆，锚杆受拉后，锚杆周围的浆体保护层一旦开裂的话，就很容易受到锈蚀，钢筋截面变小，影响承载力。只有通过严格控制裂缝宽度，采用大直径的钢筋，表面涂防腐层来减小不利影响。或者采用无粘接预应力锚杆，但造价较高。

(2)锚杆的变形问题。若采用的是普通锚杆，在水位往复变化的情况下，锚杆受到反复的拉力作用，会产生永久变形，不利于结构的稳定。若采用的是预应力锚杆，在没有水浮力的作用下，锚杆对结构的拉力较大，就会成为结构的负担，相当于上部荷载作用在结构上。这就需要工程师在实际的工程中权衡利弊了，选择合理的锚杆承载力。

(3)锚杆与底板的连接问题。由于锚杆是穿过土层和底板，而构成了水流沿锚杆渗入底板的通道，因此节点的防水措施和施工质量非常重要，处理不好会对底板内的钢筋产生锈蚀作用，最终导致底板的开裂。