高层建筑附建式地下室抗浮设计方法探究

2023-01-08曹安群

工程与建设 2022年3期

关键词：抗拔抗浮浮力

曹安群

(蚌埠市规划设计研究院，安徽蚌埠 233000)

0 引言

随着城镇化进程的推进，高层建筑成为城市建筑发展的主流。同时，地下空间的开发和利用力度越来越大，高层建筑附建式地下室抗浮设计的重要性日益凸显，本文以此类地下室的抗浮设计为方向进行了阐述与研究。

1 抗浮设计

1.1 抗浮设计水位

抗浮设计水位是建筑结构抗浮设计的重要基本参数。目前，抗浮设计水位主要通过两种途径获取：一是由项目的勘察单位在岩土工程勘察报告中提供；二是对于特别重要的工程或是缺少历史水文资料的工程，由建设方委托勘察单位出具抗浮设计水位论证报告，并组织相关专家进行专项论证。

1.2 抗浮设计内容

高层建筑附建式地下室的抗浮设计分为整体抗浮和局部抗浮。整体抗浮是取整个地下室为分析对象，即地下室的自重、压重和抗浮构件提供的抗浮力之和大于水的浮力。《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)第5.4.3条给出了简单水浮力作用情况下，基础整体抗浮稳定性的设计要求：

GkNw,k≥Kw

式中：Gk为建筑物自重及压重之和；Nw,k为水浮力作用值；Kw为抗浮稳定安全系数，一般情况取1.05。

局部抗浮是结构的整体抗浮满足上述要求，而局部的基础底板因为水浮力超过抗浮力而引起的上浮。局部抗浮不满足要求会导致基础底板向上变形，严重时会导致底板隆起开裂、柱身剪切破坏、柱的纵筋压屈等破坏。

基础的抗浮稳定性不满足要求时，可以综合采用增加压重、设置抗浮构件、降低地下水位等措施。整体抗浮满足而局部抗浮不满足时，也可采用增加基础底板厚度与配筋等加大基础刚度的措施。

2 抗浮措施

2.1 增加压重

当地下室的结构自重和已有压重之和略小于水浮力作用值时，可采用增加压重抗浮，其方法主要有：

方法一：增大地下室顶板的压重。一般是加大地下室顶板的覆土厚度，该方式还可以解决上部市政管道的铺设、城市绿化建设等问题。

方法二：在地下室内回填容重较大的材料。一般采用基坑开挖产生的原状土、素混凝土及钢渣混凝土等，其容重应取相应材料的较小值。

方法三：借助高层建筑结构的自重作为间接压重。对于大型写字楼和高层住宅小区的附建式地下室，其上部主楼部分的重量远大于相应范围内的水浮力，可以通过增加主楼周边基础底板厚度和梁柱构件刚度的方式，使上部主楼的重量有效地向外扩散，以此增大主楼周边地下室的重量。

增加压重抗浮的方式施工便捷、安全可靠且管理成本较低，具有明显优势。但仍存在一定的弊端，当地下室所受的水浮力较大时，采用该方式需要使用较厚的压重材料，且要降低地下室层高或增大基础埋深而造成建造成本增加或水浮力增大。

2.2 抗拔构件

地下室抗浮设计中使用较多的抗拔构件有抗拔桩和抗拔锚杆两种。

抗拔桩主要是利用桩身自重与桩侧的摩阻力提供抗拔力，按施工工艺可分为钻孔灌注桩、预制管桩等桩型种类。工程实践中，实际的地下水位一般低于抗浮设防水位，因而抗拔桩也要求兼作抗压桩，应重视验算在低水位下抗拔桩的抗压承载力。抗拔桩在水浮力作用下，长期处于受拉状态，桩身容易发生裂缝等情况。为避免桩身的钢筋发生腐蚀等问题，需要进行桩身混凝土的裂缝宽度验算，确保在腐蚀性土层中抗拔桩的耐久性。抗拔桩一般布置在柱下，跨内的水浮力需要通过基础底板的变形传递至柱下，这就要求基础底板具有较大的刚度。

抗拔锚杆的受力原理和抗拔桩较为相似，都是利用构件与岩土层间的侧摩阻力实现抗拔。普通锚杆和预应力锚杆是工程中较为常见的抗拔锚杆类型。工程实践中，基础底板下土层较好或距离岩石层较近等因素为抗拔锚杆适宜的应用条件。相较于抗拔桩，抗拔锚杆可布置在跨内，特别适用于局部抗浮不满足要求的情况。因为抗拔锚杆在拉压往复受力的状态下容易失效，所以抗拔锚杆应避免布置在柱下，以免抗拔锚杆受压。由于季节更替会导致地下水位变化，因而抗拔锚杆的拉力也会随之变化，普通锚杆在此情况下容易出现变形失效等问题，可能造成底板和地基土脱空，导致结构出现安全隐患。预应力抗拔锚杆虽然不易出现上述问题，但其在水位较低时的初始拉力，容易造成底板发生向下的变形而出现底板拉裂的情况。抗拔锚杆具有受力合理、施工便捷、造价较低等优势条件，实际应用较为广泛。

2.3 降低地下水位

相较于增加压重、设置抗拔构件等方法，降低地下水位主要作为既有地下室受到水浮力破坏时的处理措施。具体方法是在地下室周边设置永久降水井点、隔水帷幕及排水沟等，以达到降低地下水位，减小水浮力的效果。采用此方法长时间降低地下水位时需要注意对周边建筑物的影响，防止因地下水位降低导致的附加地基沉降变形影响周边建筑物。

3 抗浮设计实例

3.1 工程概况

某住宅小区，地上为4栋17～19层的高层住宅，地下1层为连为一体的地下室。地下室平面尺寸约为158 m×86 m，层高3.8 m，主要功能为地下车库。本工程抗浮设计水位为-0.8 m，地下室顶板覆土厚度为1.6 m。主楼部分采用桩筏基础，筏板厚度为950 mm；地下室部分采用筏形基础，筏板厚度为400 mm，局部增设下柱墩以满足抗冲切承载力要求，柱墩厚度为600 mm；筏板顶面标高为-5.5 m。

3.2 抗浮设计过程

本工程水浮力作用值Nw,k为43 kN/m2，建筑物自重及压重之和Gk为78.6 kN/m2，Gk/Nw,k=1.83>1.05，整体抗浮满足要求。但地下室局部自重及压重不足以抵消水浮力，需采用相应的抗浮措施。本工程单纯采用增加压重的方法已无法满足局部抗浮要求，因此考虑设置抗拔桩或抗拔锚杆。由于地下室柱网尺寸不大且局部需要使用抗压桩，最终决定采用抗拔桩。

计算单桩抗拔承载力和每延米混凝土用量时，分别取800 mm、1 000 mm、1 200 mm、1 400 mm四种不同桩径，桩长均为12 m，计算结果分别为1 060 kN(0.502 4 m3)、1 340 kN(0.785 0 m3)、1 610 kN(1.130 4 m3)、1 890 kN(1.538 6 m3)。通过对以上计算结果的分析发现，随着桩径的增加，单桩抗拔承载力有所提高，但单位承载力的混凝土用量增幅更大。咨询本工程的勘察单位了解到，当地较大直径桩的施工经验不多且综合造价较高。结合经济性与技术性的比较，本工程选用桩径为800 mm的抗拔桩。通过计算，抗拔桩主要布置在框架柱下，且同时满足低水位下的抗压承载力要求。