建筑结构的抗浮设计探讨

黄 健， 光 军

(淄博市规划设计研究院， 淄博255037)

0 概述

随着近几年政府对生态环境的保护力度逐渐加大，地下水位逐年上升。随着地下水位的不断上升，原本不需要抗浮设计或者只通过增加配重即可满足抗浮设计的建筑，现难以满足抗浮设计要求。近几年由于地下水位的上升导致的建筑结构破坏案例时有发生，见图1。本文主要探讨抗浮水位获取途径、抗浮设计的计算方法和措施、抗拔桩和抗拔锚杆布置的原则等。通过三个工程实例的抗浮设计剖析，对抗浮设计进行了总结和阐述。

图1 地下车库受水浮力的破坏

1 抗浮设计

1.1 抗浮水位

抗浮水位为建筑结构抗浮设计的重要前提条件。目前而言，抗浮水位的获取主要有两种途径：一是由本项目的地质勘察单位在地质勘察报告中提供；二是由建设方委托相关单位(一般为地质勘察单位)出具本项目的抗浮水位论证报告，并经相关专家专项论证。抗浮水位的高与低，一般不会造成人身安全，相对于“深基坑”、“高支模”，抗浮水位往往容易被忽视。建议抗浮水位应在该项目的地质勘察报告中提出，特别重要的项目应经专家专项论证，方可使用。

1.2 抗浮设计的内容

建筑结构的抗浮设计分为整体抗浮设计和局部抗浮设计。相对于整体抗浮设计，局部抗浮设计往往被忽视而出现问题。有些人认为，只要水位在地下建筑物顶板之上，那么建筑所受到的浮力就是一定的，没必要提供抗浮水位。 上述观念对于整体抗浮是正确的，但对于局部抗浮就不适用。举个例子，把地下建筑物看作潜水艇，其受到的整体浮力是一定的，因为它的体积是不变的；而潜水艇四周舱体钢板所受到的压力是随下潜的深度而增大，这里所说的即为局部抗浮的概念。建筑结构整体抗浮与局部抗浮的区别见表1，其中Gk为建筑物自重及压重之和，kN；Nw,k为浮力作用值，kN；Kw为抗浮稳定安全系数，一般情况下可取1.05；Mx,My分别为x,y方向板的总弯矩设计值；q为相应于作用的基本组合时，竖向荷载设计值，kN/m2；lx,ly为等代框架梁的x,y向计算跨度，即柱子中心线之间的间距，m；bce为独立基础在计算弯矩方向的有效宽度，m。

整体抗浮与局部抗浮的区别 表1

2 抗浮措施

2.1 增加配重法

当建筑物自重及压重之和略小于水浮力作用值时，可采用如下方法抗浮：方法一是增加自身的重量。方法二是在室内回填容重较大的材料，回填材料一般为素土、素混凝土及铁屑混凝土，材料容重取小值，素土取16kN/m2，素混凝土取22kN/m2；对于铁屑混凝土在使用前应做好充分调研，核实当地是否确能生产后，方可使用；就山东省来说，目前尚无采用铁屑混凝土增加配重的抗浮实例。方法三是基础底板外挑，利用基础底板外挑范围内的覆土达到增加地下建筑自身抗浮配重；由于基础底板外挑长度有限，因此该方法主要用于横截面较小的建筑物，如地下管廊、地下水泵房等。

2.2 抗拔桩法

抗拔桩主要分为普通抗拔桩、扩大头抗拔桩[3]以及后压浆抗拔桩[3]。《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)中虽然对普通抗拔桩有详细的介绍，但对扩大头抗拔桩和后压浆抗拔桩并未有介绍，现实工程中对于扩大头抗拔桩和后压浆抗拔桩已有较多应用。笔者认为，相对于受压桩，抗拔桩受地质环境和施工条件等因素影响更大。因此，扩大头抗拔桩和后压浆抗拔桩的抗拔极限承载力标准值应乘以0.8的折减系数，更为合理。

2.3 抗拔锚杆法

抗拔锚杆可分为普通抗拔锚杆和高压旋喷扩大头锚杆[4]。对于普通抗拔锚杆，《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)中仅仅对锚入岩石中的抗拔锚杆进行了介绍，而对于一般项目，基础底部距离岩石较远，锚入岩石已无意义。这时，抗拔锚杆就只能锚入土层中，其抗浮计算详见《全国民用建筑工程设计技术措施》[3]。高压旋喷扩大头抗拔锚杆是一种较为新型的抗拔锚杆，其在山东省内已被多个项目应用，并取得了较好的效果。

2.4 降低地下水位法

相对于增加配重法、抗拔桩法、抗拔锚杆法，降低地下水位法主要为既有建筑物受到水浮力破坏时的处理措施。具体处理方式一般在建筑物四周设置永久性的降水井、隔水带及排水沟等，以此达到降低地下水位，减小水浮力的作用。

3 抗拔桩与抗拔锚杆的布置原则

抗拔桩的布置应根据工程实际情况，具体问题具体分析。首先应根据式(1)，(2)确定框架柱底部的受力状况。

(1)

Nw,ki=1.05A2Pw,ki

(2)

式中：Gki为各框架柱底部所受自重及压重之和，kN；Pw,ki为各框架柱底部所受地下水浮力，kN/m2；A1为各框架柱底部自重及压重所能抵消的地下水浮力的范围面积，m2；Nw,ki为各框架柱柱距四分之一跨范围内所受地下水浮力之和，kN；A2为各框架柱柱距四分之一跨范围内面积，m2。

当Gki≥Nw,ki时，框架柱下应布置抗拔桩，见图2(a)。反之，应将抗拔桩布置在框架柱范围面积之外，这样能有效减小防水板的跨度，降低防水板的厚度，取得较好的经济性，见图2(b)。

相对于抗拔桩来说，抗拔锚杆应避免受压状况的出现[5]。因为抗拔锚杆在受压与受拉往复受力状态下极易失效，所以抗拔锚杆的布置应避开框架柱，在各框架柱底部自重及压重所能抵消的地下水浮力的范围面积A1之外布置，见图3。由于抗拔锚杆对防水板起不到刚性支点作用，因此在进行防水板厚度计算时，不应考虑抗拔锚杆的支点作用。

图2 抗拔桩布置示意图

图3 抗拔锚杆布置

图4 地下管廊横截面

4 工程抗浮设计实例

4.1 某地下管廊的抗浮设计

某地下管廊为单仓管廊，未考虑抗浮时的横截面见图4。对于此类地下小型建筑物，其局部抗浮一般都能满足要求，而整体抗浮却难以满足。由于管廊横截面较小，单纯增加配重既不经济效果又较差。最佳抗浮方法为采用底板外挑，见图5，图中管廊横截面宽度为B，底板外挑长度为b，顶板覆土厚0.5m。取抗浮水位为自然地面，在不同管廊横截面宽度和不同底板外挑长度下进行整体抗浮计算，结果见表2。

图5 采用底板外挑的管廊横截面

管廊横截面宽度B与底板外挑长度b对整体抗浮影响 表2

从表2中可以得出以下结论：

(1)虽然整体抗浮效果随着底板外挑长度增加而提高，底板外挑长度b大于2m后再增加其外挑长度，整体抗浮效果提高较小。建议管廊底板外挑长度不宜超过2m。

(2)当管廊横截面宽度B为6m时的抗浮效果相对于管廊横截面宽度B为4m时的抗浮效果降低。因此管廊横截面宽度超过6m时，不建议单纯采用底板外挑抗浮。

4.2 某地下交通枢纽的抗浮设计

项目地下2层，局部地上1层，总建筑面积约8.1万m2，平面尺寸约143m×198m。地下2层柱距9m×9m，层高4.5m，功能为小型汽车停放。地下1层柱距18m×18m，层高7.5m，功能为公交车和出租车换乘及停放。地上1层柱距18m×18m，层高约8.8m，两端与匝道桥相连，主要功能为机动车落客。本项目使用年限为100年。由于使用功能的要求，地下1层抽掉一部分框架柱，使之成为大跨框架。本工程地下2层、1层的结构平面图见图6，7，建筑剖面见图8。框架柱布置见图9。

图6 地下2层结构平面布置图

图7 地下1层结构平面布置图

图8 建筑剖面图

图9 框架柱布置图

本项目的抗浮设计水头为12.66m，通过结构自重的统计，结构自重远远小于水浮力，单纯采用增加配重法已无法满足整体抗浮设计。抗浮措施只能从抗拔桩和抗拔锚杆中选取。由于基底距离泥岩层较远，且泥岩层的极限粘结强度标准值较低。考虑到建筑的使用年限为100年，最终确定使用抗拔桩。

分别取600，800，1 000，1 200mm四种不同桩径，桩长均取18m，进行抗拔承载力计算，计算结果见表3。通过不同桩径的计算结果对比发现，随着桩径的增加，抗拔承载力虽有增加，但混凝土的用量相对于抗拔承载力的增幅更大。从经济性上考虑，抗拔桩应尽量选择桩径较小的桩。设计初期选用直径600mm的抗拔桩，由于基底以下2m左右有分布极其不均匀的胶结碎石层，最薄层处仅有0.6m，平均层厚度为2.51m。通过实地考察和调研，直径600mm钻机由于扭矩太小，打不透该胶结碎石层，而直径800mm钻机可穿透该土层。综合考虑，本项目抗拔桩选择桩径800mm。

不同抗拔桩径的混凝土用量及抗拔承载力对比 表3

图10 抗拔桩布置图

通过计算，大框架柱下一定范围内能满足局部抗浮要求，而小框架柱下一定范围内无法满足抗浮要求。因此抗拔桩主要布置在小框架柱下以及大框架柱一定范围之外的区域，见图10。

4.3 某主楼周边带地下车库的抗浮设计

项目主楼为地上4层，地下1层，地下功能为车库，且地下车库区域超出主楼平面，见图11。

图11 主楼周边带地下车库平面示意图

本项目水浮力作用值Nw,k=47kN/m2，通过建筑物自重及压重之和统计，主楼部分Gk=42.8kN/m2，Gk/Nw,k=0.91<1.05；而地下车库部分Gk=34.4kN/m2，Gk/Nw,k=0.73<1.05。主楼和周边车库部分均不满足整体抗浮要求，但两部分Gk与Nw,k差距不大，可通过设置抗拔锚杆抗浮。抗拔锚杆布置原则应使主楼部分与周边车库部分两区域的Gk/Nw,k比值相近，以此达到变形协调相同的目的[6]。

抗拔锚杆抗拔承载力特征值应根据式(3)[3]、式(4)[3]分别计算，取较小值。

Rt1=ξ1πDlafrb

(3)

(4)

式中：Rt1，Rt2为抗拔锚杆抗拔承载力特征值；D为锚杆锚固段注浆体直径；la为锚杆锚固段有效锚固长度；frb为锚杆锚固段注浆体与地层的粘结强度特征值；ξ1为经验系数，对于永久性锚杆取0.8，对于临时性锚杆取1.0；λi为第i土层的抗拔系数；qsia为第i土层的锚杆锚固段侧阻力特征值；li为第i土层的锚杆锚固段有效锚固长度。

通过多个项目对比发现，一般情况下Rt2

通过计算分析，本工程抗拔锚杆采用直径200mm，抗拔承载力特征值Rt=95kN。主楼部分抗拔锚杆间距约3m×3m，周边车库部分抗拔锚杆间距约2m×2m。抗拔锚杆的布置应避开框架柱，在各框架柱底部自重及压重所能抵消的地下水浮力的范围面积之外布置。

5 结论

(1)当框架柱底所受自重及压重之和Gki小于框架柱柱距的四分之一跨范围内所受地下水浮力之和Nw,ki时，框架柱下应布置抗拔桩。反之，应将抗拔桩布置在框架柱范围面积之外，这样能有效减小防水板的跨度，降低防水板的厚度，取得较好的经济性。

(2)相对于抗拔桩来说，抗拔锚杆应避免受压状况出现。在进行防水板厚度计算时，不应考虑抗拔锚杆的支点作用。

(3)建议地下管廊底板外挑长度不宜超过2m。当管廊横截面宽度超过6m时，建议不要单纯采用底板外挑抗浮措施。

(4)随着桩径的增加，抗拔承载力虽有增加，但混凝土的用量相对于抗拔承载力的增幅更大。从经济性上考虑，抗拔桩应尽量选择桩径较小的桩。