浅析地下室抗浮设计

2015-12-11廖森初

福建建筑 2015年6期

廖森初

(福建广宇建筑设计院福建福州 350002)

随着城市化建设的快速发展，越来越多的高层建筑拔地而起，人们对其地下空间的开发利用也越来越普遍，地下室的层数和深度也有增加的趋势，因此在结构设计中也不可避免地将涉及到地下室的抗浮问题。抗浮设计首先应验算结构的整体抗浮稳定性，若满足则再验算局部抗浮安全度，要按各个柱的受荷面积来进行。针对那些上部结构层数少，结构自重小的部位，特别是地下室超出高层塔楼范围较多的部位，抗浮安全度较低，更应引起设计人员的重视。

1 抗浮设计时地下水位取值

在得到原始资料后，应对各种情况作详细分析，按可能出现的最不利情况确定地下室抗浮设计地下水位。当有长期水位观测资料时，场地抗浮水位可用实测最高水位，无长期水位观察资料时，应按勘察期间实测的最高水位并结合场地地形条件等因素综合确定。有一些特殊情况还应进行必要的分析，比如对于山坡地的地下室进行抗浮设计时，若建筑物一侧是敞开的，水是往低处流的，不能笼统的采用勘察报告所提供的高于室外地坪的地下室抗浮水位来进行设计，水浮力不可能高出室外地坪。

2 整体抗浮措施的方案选择

2.1 压重抗浮

抗浮安全度不足是由于结构自重加恒载重量小于地下水对结构的浮力而造成，故最直接的办法是利用建筑的自重或增加其上的恒载来平衡地下水的总浮力，如在地下室顶板上覆土，既可增加恒载来提高结构的抗浮能力，又能解决上部建筑排水管道出户的问题;也可将地下室底板下沉，上填土或素混凝土或毛石混凝土以增加压重，这种做法在有地沟和地坑的地方将地沟和地坑做在此填充物内，省去了弯折下沉底板做地沟和地坑，一举两得;还可结合当地的材料供应情况，采用重混凝土(如北京常采用的钢渣混凝土)抗浮也是可行的。

例如“SEVEN·七星汇”项目两层地下室，局部无上部建筑，结构防水板板底绝对标高为-10.250m，即黄海标高为-3.450m，地勘报告提供抗浮水位为黄海标高5.0m，则水浮力为γwh=10×(5+3.450)=84.5kN/m2，分析自重计算:地下室顶板自重0.20×25=4.0kN/m2，顶板覆土 1.3m:1.3×18=18kN/m2，地下一层板自重:0.12×25=3.0kN/m2，地下室底板自重:0.4×25=10.0kN/m2，自重合计:ΣG=40.4N/m2。0.9ΣG ＜ γwh，还可适当考虑梁、柱、承台折算成板厚的自重，但总压重仍不能抵抗水浮力，故整体抗浮稳定性不满足。可以看出对于两层地下室，建筑的永久抗浮安全度较低，用“压”的方法仍不能平衡水浮力时，可增加“拉”的做法，设置抗拔桩。

2.2 工程桩抗拔

利用高层建筑结构的桩基础的抗拔能力抗浮是工程中的常用措施之一，如果抗压桩能兼作抗浮桩，则会大大节约投资，降低工程造价。桩基础大多为现浇大直径桩，整体性好，桩周与土层之间的摩擦力较大，尤其是嵌岩桩，其桩周与基岩间的摩擦力对提高单桩抗拔力极为有效。因此对于大直径灌注桩基础，对其抗拔力作一定验算来抵抗浮力，是较经济的选择。桩基的抗拔承载力破坏可能呈单桩拔出或群桩整体拔出，即呈非整体破坏和整体破坏模式，对两种破坏的承载力均应进行验算，根据《建筑桩基技术规范》第5.4.5条Nk≤Tgk/2+Ggp及 Nk≤Tuk/2+Gp进行验算，其中 Tuk= λi*Qsik*ui**Qsik*ui*li。同时，依据 JGJ94-2008第 5.8.7条，钢筋混凝土轴心抗拔桩的正截面受拉承载力应符合 N≤fy*As+fpy*Aps。

另外近年来，也有许多工程将预应力混凝土空心桩用于抗拔桩，其中预应力混凝土管桩就非常常见的用于工程抗拔，管桩抗拔时与灌注桩相比，还需要注意几点:由于管桩表面较光滑且桩尖一般不能进入较硬岩层，因此只有当桩较长并且桩周围的土层摩擦力较大时单桩才有可能提供足够的抗拔力;桩内的纵向钢筋数量有限，因此单桩所提供的抗拔承载力受桩身强度的影响，不能大于桩身受拉承载力取值;桩与承台间的连接强度，对桩的抗拔承载力也有很大影响，故桩与承台的连接方式十分关键。目前大部分的工程中桩顶与承台连接是通过桩顶管中埋设吊筋浇筑混凝土芯，此时应确保加芯的抗拔承载力。

“SEVEN·七星汇”项目因主楼采用预应力管桩作为抗压桩，故地下室设计时考虑采用预应力管桩作为抗拔桩，场地土层依上至下分别为杂填土、粉质粘土，淤泥、粉质粘土、卵石、残积砂质粘性土、强风化花岗岩等，选用强风化花岗岩作为桩端持力层，管桩规格采用PHC500-125-AB，桩长约15m，用于整体抗浮桩计算的有效水浮力取:γw-0.9ΣG=84.5-0.9×40.4=48.1kN/m2。根据《建筑桩基技术规范》第5.4.5条Nk≤Tuk/2+Gp可得出单根预应力管桩的抗拔力承载力设计值。

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，

查图集可知，PHC500-125-AB的桩身轴心受拉承载力设计值为1100kN，

532X1.35=706kN＜1100kN，故采用单桩抗拉承载力特征值为Tuk=532kN，

桩布置方案如(图1)，单桩拔力为

Nk=48.1×3.3×3.1=492kN＜532kN，故整体抗浮验算满足。

《福建省预应力管桩基础技术规程》DBJ13-86-2007中5.2.9指出管桩作为抗拔桩时应充分重视桩身结构承载力的验算，当管桩不用预应力钢筋做抗拔筋而用内孔填芯混凝土中的钢筋作为抗拔桩的受力钢筋时，应验算填芯混凝土长度和该处的受力钢筋，填芯长度不小于3m。

基桩拔力设计值为1.2×492=590.4kN，

所需加设抗拔钢筋面积:As=5904000/360=1640mm2，选用 6Φ22，

预应力管桩内孔圆周长度Um=(0.5-0.125×2)×3.14=0.785m，

C30的微膨胀混凝土fn可取0.35MPa

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

故灌芯长度取3m，采用加微膨胀剂的C30细石混凝土，桩与承台连接大样详(图2)。

2.3 锚杆抗拔

当建筑采用天然地基且无法采取前述的抗浮措施时，可以考虑用锚杆等拉锚措施抗浮，该方式适用于基岩或有良好的锚固土层、锚杆长度较短等情况，实际工程中，抗浮锚杆和抗浮桩都是利用岩土层与锚固体或桩体的粘结摩阻力来抗浮，若地下室底板以下地下水水头压力较大，淤泥或松散砂层太厚，则锚杆施工会有一定困难。前文中“SEVEN·七星汇”项目地下室由于土层中有较厚淤泥，故不考虑采用锚杆作为抗拔桩。当地质及基础条件适合采用锚杆桩抗拔时，布置方案也可参考前文。

图1 抗拔桩平面布置图

图2 预应力抗拔桩与承台连接大样图

浅基础加锚杆也是抗拔设计中的主要方案形式。(图3)为湖北红安市某大厦单层地下室独基加锚杆抗拔方案布置，地下水位标高为54.600(黄海标高，余同)，地下室底板底标高50.600，跨度5.5m×5m取覆土最薄处，计算用于整体抗浮桩计算的有效水浮力取:γw-0.9ΣG=40-0.9×29=13.9kN/m2

单根锚杆的抗拔承载力标准值为13.9×5.5×6=458.7kN，

单根锚杆抗拔承载力设计值 Nt=γq·Ntk=1.3×458.7kN=597kN

式中:Ntk为锚杆轴向拉力标准值(kN)

Nt为锚杆轴向拉力设计值(kN)，γq为荷载分项系数，取1.3

锚杆钢筋面积可按《混凝土结构技术规范》中正截面受拉承载力公式确定:As≥N/fy=59700/300=1990mm2，锚杆取3×2Φ22(As=2280mm2)

抗浮锚杆的锚固也十分重要，如果锚杆锚固不好，锚杆容易失效，给底板的安全埋下隐患。建议锚杆杆体总的锚固长度不小于La，锚入底板的竖直段不小于0.4La，如(图4)所示。

图3 独立基础加锚杆抗拔方案

图4 锚杆大样图

图5 墩基加锚杆节点示意图

(图5)为福清某项目地下室墩基础加锚杆桩抗拔方案节点示意图，由于墩现场开挖持力层为中等风化凝灰岩，若要满足抗拔而增加桩长时开挖较困难且造价高，因此采用(图5)所示的墩底加抗拔锚杆的方式，墩端全截面进入持力层时不扩头，锚杆抗拔承载力特征值为60kN。

3 局部抗浮

局部抗浮分析是针对抗水板的抗浮分析。由于地下室底板的刚度并不是无限大，所以在浮力的作用下会发生变形。除了对结构构件的强度验算，还应进行变形验算和裂缝验算，若底板计算时只验算强度不进行裂缝宽度的计算，可能会造成底板产生裂缝，甚至漏水严重，形成“地下游泳池”。在不布置抗拔桩或抗拔锚杆的时候，通常对底板会根据不同荷载工况用“倒楼盖”法或是采用其他有限元元法对柱上板带和跨中板带进行内力的分析，“SEVEN·七星汇”项目地下室局部抗浮分析时:局部计算抗水板时有效水浮力为:γwh = γw-0.9ΣG=84.5-0.9×40.4 =48.1kN/m2，作为反向荷载，对梁、板等构件进行反向的承载力验算、正常使用极限状态下的验算。

4 抗浮设计中的其他问题

有些设计人员和施工人员忽视施工对地下室抗浮的重要性，设计图纸对施工时抗浮措施的要求只字不提，施工人员在施工过程中不关注降水，没有采取降水措施或在抗浮结构未达到设计预定目标时就停止了降水，导致在施工期间产生地下室整体上浮事件时有发生《地下室防水技术规范》在第10章中明确规定了，“明挖法地下室防水施工时，地下水位应降至工程底部最低高程500mm以下，降水作用应持续至回填完毕”;进行整体抗浮和局部抗浮验算，并提出施工期间的抗浮措施和降水措施。