抗拔桩及防水板的设计研究

惠丽洁

（中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，济南 250010）

1 引言

对于地下车库的抗浮设计，当仅靠增加压重不能满足结构抗浮要求时，需设置抗浮锚杆或抗拔桩等。因抗浮锚杆相对经济，且可使防水板所受浮力更均匀地传给地基，因此，设计通常首选设置抗浮锚杆。而当水浮力较大或基础的持力层较软弱时，采用抗浮锚杆可能不是最经济的方案，可通过设置工程桩兼抗拔桩来承受上部结构荷载和水浮力。

2 抗浮计算要点

2.1 抗浮设防水位

抗浮设防水位为结构设计使用年限内可能出现的最高水位，一般地勘报告会直接给出。对于情况复杂的重要工程，提出抗浮设防水位时应进行专门的研究[1]。

2.2 抗浮稳定性要求

基础抗浮稳定性应符合下式要求[2]：

式中，G 为建筑结构自重、附加物自重抗浮结构及构件抗力设计值总和，kN；Nw,k为浮力设计值，kN；Kw为抗浮稳定安全系数。计算时需考虑JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技术标准》第6.3.7 条抗浮组合系数。

2.3 地下水压力的荷载分项系数

根据《结构设计统一技术措施》，当进行结构承载力计算时，地下水压力荷载分项系数：当地下水位变动幅度较大时，可按可变荷载取1.5，否则可按永久荷载取1.3。此外，地下水头乘以荷载分项系数后不应超过地下室的埋深，若抗浮设防水位高于室外地坪，则不应超过抗浮设防水位[3]。

3 基础计算

3.1 工程桩兼抗拔桩的计算

在低水组合下，上部结构传来的荷载应由桩全部承担，防水板仅承担其自重及其上面荷载，并将荷载直接传给地基。在高水组合下，防水板除承担其自重及其上面荷载还承受水压力，同时又将反力传给桩承台，通过桩的拔力抵抗水浮力。工程桩兼抗拔桩需同时满足抗压承载力及抗拔承载力的设计要求。

3.1.1 单桩竖向极限承载力特征值Ra计算

式中，Rsk为桩周极限承载力特征值；Rpk为桩端极限承载力特征值；u 为桩身周长；qsi为桩侧第i 层土的侧阻力特征值；qp为桩的端阻力特征值；li为桩周第i 层土的厚度；Ap为桩端横截面面积；ψsi为大直径灌注桩侧阻力尺寸效应系数；ψp为大直径灌注桩端阻力尺寸效应系数[4]。

3.1.2 桩身正截面受压承载力N 计算

式中，ψc为基桩成桩工艺系数，对于水下灌注桩取0.7；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；Aps为桩身截面面积；fy′为纵向主筋抗压强度设计值；A′s为纵向主筋截面面积。

3.1.3 单桩抗浮承载力特征值计算

式中，d 为桩身直径；qsik为桩侧第i 层土黏结强度标准值；λi为抗拔系数；l′i为第i 层土内桩长。

3.1.4 抗拔桩正截面受拉承载力N′计算

本文仅考虑非预应力桩：

式中，fy为钢筋抗拉强度设计值；As为钢筋截面面积。

3.1.5 抗拔桩裂缝验算

式中，ωmax为按荷载效应标准组合计算的最大裂缝宽度；αcr为构件受力特征系数；φ 为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，当φ＜0.2 时，取φ=0.2；当φ＞1.0 时，取φ=1.0；σs为按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉普通钢筋应力；cs为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离，mm，当cs＜20 时，取cs=20；当cs＞65 时，取cs=65；ρte为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；deq为受拉区纵向钢筋的等效直径；Es为钢筋弹性模量。

GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015 年版）中关于裂缝的计算是针对构件正常使用状态，对于抗拔桩只需正常使用极限状态下的裂缝宽度满足要求即可，即抗拔工程桩裂缝验算可取单桩抗浮承载力特征值。而对于抗拔桩的试验桩，是为了验证地基土对桩的极限拔力，裂缝验算应取单桩抗浮极限承载力标准值。

3.2 防水板计算

防水板作为一种特殊的板，受力复杂，一般采用倒楼盖法计算其配筋。需注意基础对防水板的冲切作用，当地下水头较高、防水板较薄且承台尺寸较小时，极易造成防水板受冲切承载力不满足。结构设计软件只有采用筏板计算时，可计算防水板的受冲切承载力，采用防水板计算时不能计算，需根据规范手算复核。防水板受冲切示意图如图1 所示。

图1 防水板受冲切示意图

4 工程实例

以某地下车库设计为例，地下车库仅地下2 层，采用框架结构，基础布置如图2 所示。车库基础采用桩承台+防水板，主楼和地下车库相邻一跨的跨度为8.1 m，通过计算相邻部分主楼桩基础最大沉降为12.2 mm，车库桩基础最大沉降为12.33 mm，满足主楼与相邻的裙房柱的差异沉降不大于裙房边跨（与主楼相邻）跨度的0.1%。

图2 地下车库基础结构平面图

场地抗浮设防水位为-3.540 m（相对标高），地下车库防水板顶标高-10.750 m，板厚600 mm，地下车库顶板回填土厚1.55 m。根据地勘报告，桩基设计参数如表1 所示。抗拔桩采用泥浆护壁钻（冲）孔灌注桩，直径800 mm，采用C35 混凝土，桩长15 m，桩端入第5 层全风化云母片岩不少于2 m，场地水具有弱腐蚀性，桩保护层厚度为70 mm，桩身裂缝控制等级为三级。

表1 土层主要物理力学指标

4.1 单桩竖向极限承载力特征值（仅考虑桩的侧阻力）

单桩竖向极限承载力特征值Ra=u∑ψsiqsili=1 663 kN；

桩身正截面受压承载力Nu=ψcfcAps=5 872 kN＞1.35 Ra；

单桩竖向极限承载力特征值取为1 450 kN，可满足计算要求。

4.2 抗浮承载力特征值计算

单桩抗浮承载力特征值为Quk/2=πd×∑λiqsikli/2=1 020 kN；

单桩抗浮承载力特征值取为800 kN，可满足计算要求。

4.3 抗拔桩正截面受拉承载力计算

4.4 抗拔桩裂缝验算

Nk=800 kN 时，

ωmax=αcrφσ（s1.9cs+0.08deq/ρte）/Es=0.09 mm＜0.2 mm。

4.5 地下车库抗浮验算

回填土的重度不小于16 kN/m3，混凝土重度不小于22 kN/m3。计算时，结构内部填充墙、回填材料重量、地下室顶板及侧壁回填混凝土和土的抗浮力组合系数取0.9。

1）地下车库整体抗浮计算：上部传来恒载（软件计算结果）=89 759 kN；防水板及其上恒载（防水板自重＋垫层自重+防水板挑板覆土重量）=34 133 kN；围区水浮力Nw,k=139 524 kN。

地下车库区域共布设99 根抗拔桩：Kw=G/Nw,k=(上部结构传来恒载+防水板及其上恒载+抗拔桩可抵抗的水浮力)Nw,k=1.45≥1.1。

所以，地下车库整体抗浮同时满足施工期间和使用期间稳定性要求。

2）地下车库局部抗浮计算：取最不利处，地下车库无地上结构处（取E 轴上8.4 m×7.95 m 的计算单元）计算。

计算单元内的建筑物自重及压重G=（地下室顶板覆土重G1+地下一层顶板梁及板自重G2+地下二层顶板梁板自重G3+柱自重G4+防水板自重及其上垫层重G5）=3 357 kN；

围区水浮力=5 282 kN，柱下需布设4 根抗拔桩，故：

Kw=G/Nw,k=（计算单元内的建筑物自重及压重G+计算单元内抗拔桩可抵抗的水浮力）/Nw,k=1.24＞1.1。

所以，地下车库局部抗浮稳定性满足施工及使用期间抗浮稳定性要求。

4.6 防水板计算

本工程防水板600 mm 厚，采用筏板计算。该地下车库为人防地下室，防水板配筋取平时设计和人防设计的包络值。经复核计算，防水板在承台附近受冲切承载力满足设计要求。

5 结语

桩承台+防水板作为一种重要的抗浮措施，在工程中具有较广泛的应用。本文以某地下车库的抗浮设计为例，详细讨论了抗拔桩及防水板的计算及设计要点，为后续工程设计提供一些借鉴。抗浮设计是结构设计的重要一环，关乎结构的安全使用，结构工程师需给予充分的重视并采取安全、合理、经济的抗浮措施。