廖森初

(福建廣宇建筑設(shè)計(jì)院 福建福州 350002)

隨著城市化建設(shè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的高層建筑拔地而起，人們對(duì)其地下空間的開(kāi)發(fā)利用也越來(lái)越普遍，地下室的層數(shù)和深度也有增加的趨勢(shì)，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也不可避免地將涉及到地下室的抗浮問(wèn)題?？垢≡O(shè)計(jì)首先應(yīng)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的整體抗浮穩(wěn)定性，若滿足則再驗(yàn)算局部抗浮安全度，要按各個(gè)柱的受荷面積來(lái)進(jìn)行。針對(duì)那些上部結(jié)構(gòu)層數(shù)少，結(jié)構(gòu)自重小的部位，特別是地下室超出高層塔樓范圍較多的部位，抗浮安全度較低，更應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的重視。

1 抗浮設(shè)計(jì)時(shí)地下水位取值

在得到原始資料后，應(yīng)對(duì)各種情況作詳細(xì)分析，按可能出現(xiàn)的最不利情況確定地下室抗浮設(shè)計(jì)地下水位。當(dāng)有長(zhǎng)期水位觀測(cè)資料時(shí)，場(chǎng)地抗浮水位可用實(shí)測(cè)最高水位，無(wú)長(zhǎng)期水位觀察資料時(shí)，應(yīng)按勘察期間實(shí)測(cè)的最高水位并結(jié)合場(chǎng)地地形條件等因素綜合確定。有一些特殊情況還應(yīng)進(jìn)行必要的分析，比如對(duì)于山坡地的地下室進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，若建筑物一側(cè)是敞開(kāi)的，水是往低處流的，不能籠統(tǒng)的采用勘察報(bào)告所提供的高于室外地坪的地下室抗浮水位來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，水浮力不可能高出室外地坪。

2 整體抗浮措施的方案選擇

2.1 壓重抗浮

抗浮安全度不足是由于結(jié)構(gòu)自重加恒載重量小于地下水對(duì)結(jié)構(gòu)的浮力而造成，故最直接的辦法是利用建筑的自重或增加其上的恒載來(lái)平衡地下水的總浮力，如在地下室頂板上覆土，既可增加恒載來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗浮能力，又能解決上部建筑排水管道出戶的問(wèn)題;也可將地下室底板下沉，上填土或素混凝土或毛石混凝土以增加壓重，這種做法在有地溝和地坑的地方將地溝和地坑做在此填充物內(nèi)，省去了彎折下沉底板做地溝和地坑，一舉兩得;還可結(jié)合當(dāng)?shù)氐牟牧瞎?yīng)情況，采用重混凝土(如北京常采用的鋼渣混凝土)抗浮也是可行的。

例如“SEVEN·七星匯”項(xiàng)目?jī)蓪拥叵率?，局部無(wú)上部建筑，結(jié)構(gòu)防水板板底絕對(duì)標(biāo)高為-10.250m，即黃海標(biāo)高為-3.450m，地勘報(bào)告提供抗浮水位為黃海標(biāo)高5.0m，則水浮力為γwh=10×(5+3.450)=84.5kN/m2，分析自重計(jì)算:地下室頂板自重0.20×25=4.0kN/m2，頂板覆土 1.3m:1.3×18=18kN/m2，地下一層板自重:0.12×25=3.0kN/m2，地下室底板自重:0.4×25=10.0kN/m2，自重合計(jì):ΣG=40.4N/m2。0.9ΣG ＜ γwh，還可適當(dāng)考慮梁、柱、承臺(tái)折算成板厚的自重，但總壓重仍不能抵抗水浮力，故整體抗浮穩(wěn)定性不滿足?？梢钥闯鰧?duì)于兩層地下室，建筑的永久抗浮安全度較低，用“壓”的方法仍不能平衡水浮力時(shí)，可增加“拉”的做法，設(shè)置抗拔樁。

2.2 工程樁抗拔

利用高層建筑結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)的抗拔能力抗浮是工程中的常用措施之一，如果抗壓樁能兼作抗浮樁，則會(huì)大大節(jié)約投資，降低工程造價(jià)。樁基礎(chǔ)大多為現(xiàn)澆大直徑樁，整體性好，樁周與土層之間的摩擦力較大，尤其是嵌巖樁，其樁周與基巖間的摩擦力對(duì)提高單樁抗拔力極為有效。因此對(duì)于大直徑灌注樁基礎(chǔ)，對(duì)其抗拔力作一定驗(yàn)算來(lái)抵抗浮力，是較經(jīng)濟(jì)的選擇。樁基的抗拔承載力破壞可能呈單樁拔出或群樁整體拔出，即呈非整體破壞和整體破壞模式，對(duì)兩種破壞的承載力均應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第5.4.5條Nk≤Tgk/2+Ggp及 Nk≤Tuk/2+Gp進(jìn)行驗(yàn)算，其中 Tuk= λi*Qsik*ui**Qsik*ui*li。同時(shí)，依據(jù) JGJ94-2008第 5.8.7條，鋼筋混凝土軸心抗拔樁的正截面受拉承載力應(yīng)符合 N≤fy*As+fpy*Aps。

另外近年來(lái)，也有許多工程將預(yù)應(yīng)力混凝土空心樁用于抗拔樁，其中預(yù)應(yīng)力混凝土管樁就非常常見(jiàn)的用于工程抗拔，管樁抗拔時(shí)與灌注樁相比，還需要注意幾點(diǎn):由于管樁表面較光滑且樁尖一般不能進(jìn)入較硬巖層，因此只有當(dāng)樁較長(zhǎng)并且樁周?chē)耐翆幽Σ亮^大時(shí)單樁才有可能提供足夠的抗拔力;樁內(nèi)的縱向鋼筋數(shù)量有限，因此單樁所提供的抗拔承載力受樁身強(qiáng)度的影響，不能大于樁身受拉承載力取值;樁與承臺(tái)間的連接強(qiáng)度，對(duì)樁的抗拔承載力也有很大影響，故樁與承臺(tái)的連接方式十分關(guān)鍵。目前大部分的工程中樁頂與承臺(tái)連接是通過(guò)樁頂管中埋設(shè)吊筋澆筑混凝土芯，此時(shí)應(yīng)確保加芯的抗拔承載力。

“SEVEN·七星匯”項(xiàng)目因主樓采用預(yù)應(yīng)力管樁作為抗壓樁，故地下室設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用預(yù)應(yīng)力管樁作為抗拔樁，場(chǎng)地土層依上至下分別為雜填土、粉質(zhì)粘土，淤泥、粉質(zhì)粘土、卵石、殘積砂質(zhì)粘性土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等，選用強(qiáng)風(fēng)化花崗巖作為樁端持力層，管樁規(guī)格采用PHC500-125-AB，樁長(zhǎng)約15m，用于整體抗浮樁計(jì)算的有效水浮力取:γw-0.9ΣG=84.5-0.9×40.4=48.1kN/m2。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第5.4.5條Nk≤Tuk/2+Gp可得出單根預(yù)應(yīng)力管樁的抗拔力承載力設(shè)計(jì)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，

查圖集可知，PHC500-125-AB的樁身軸心受拉承載力設(shè)計(jì)值為1100kN，

532X1.35=706kN＜1100kN，故采用單樁抗拉承載力特征值為T(mén)uk=532kN，

樁布置方案如(圖1)，單樁拔力為

Nk=48.1×3.3×3.1=492kN＜532kN，故整體抗浮驗(yàn)算滿足。

《福建省預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》DBJ13-86-2007中5.2.9指出管樁作為抗拔樁時(shí)應(yīng)充分重視樁身結(jié)構(gòu)承載力的驗(yàn)算，當(dāng)管樁不用預(yù)應(yīng)力鋼筋做抗拔筋而用內(nèi)孔填芯混凝土中的鋼筋作為抗拔樁的受力鋼筋時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算填芯混凝土長(zhǎng)度和該處的受力鋼筋，填芯長(zhǎng)度不小于3m。

基樁拔力設(shè)計(jì)值為1.2×492=590.4kN，

所需加設(shè)抗拔鋼筋面積:As=5904000/360=1640mm2，選用 6Φ22，

預(yù)應(yīng)力管樁內(nèi)孔圓周長(zhǎng)度Um=(0.5-0.125×2)×3.14=0.785m，

C30的微膨脹混凝土fn可取0.35MPa

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

故灌芯長(zhǎng)度取3m，采用加微膨脹劑的C30細(xì)石混凝土，樁與承臺(tái)連接大樣詳(圖2)。

2.3 錨桿抗拔

當(dāng)建筑采用天然地基且無(wú)法采取前述的抗浮措施時(shí)，可以考慮用錨桿等拉錨措施抗浮，該方式適用于基巖或有良好的錨固土層、錨桿長(zhǎng)度較短等情況，實(shí)際工程中，抗浮錨桿和抗浮樁都是利用巖土層與錨固體或樁體的粘結(jié)摩阻力來(lái)抗浮，若地下室底板以下地下水水頭壓力較大，淤泥或松散砂層太厚，則錨桿施工會(huì)有一定困難。前文中“SEVEN·七星匯”項(xiàng)目地下室由于土層中有較厚淤泥，故不考慮采用錨桿作為抗拔樁。當(dāng)?shù)刭|(zhì)及基礎(chǔ)條件適合采用錨桿樁抗拔時(shí)，布置方案也可參考前文。

圖1 抗拔樁平面布置圖

圖2 預(yù)應(yīng)力抗拔樁與承臺(tái)連接大樣圖

淺基礎(chǔ)加錨桿也是抗拔設(shè)計(jì)中的主要方案形式。(圖3)為湖北紅安市某大廈單層地下室獨(dú)基加錨桿抗拔方案布置，地下水位標(biāo)高為54.600(黃海標(biāo)高，余同)，地下室底板底標(biāo)高50.600，跨度5.5m×5m取覆土最薄處，計(jì)算用于整體抗浮樁計(jì)算的有效水浮力取:γw-0.9ΣG=40-0.9×29=13.9kN/m2

單根錨桿的抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值為13.9×5.5×6=458.7kN，

單根錨桿抗拔承載力設(shè)計(jì)值 Nt=γq·Ntk=1.3×458.7kN=597kN

式中:Ntk為錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)

Nt為錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值(kN)，γq為荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.3

錨桿鋼筋面積可按《混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中正截面受拉承載力公式確定:As≥N/fy=59700/300=1990mm2，錨桿取3×2Φ22(As=2280mm2)

抗浮錨桿的錨固也十分重要，如果錨桿錨固不好，錨桿容易失效，給底板的安全埋下隱患。建議錨桿桿體總的錨固長(zhǎng)度不小于La，錨入底板的豎直段不小于0.4La，如(圖4)所示。

圖3 獨(dú)立基礎(chǔ)加錨桿抗拔方案

圖4 錨桿大樣圖

圖5 墩基加錨桿節(jié)點(diǎn)示意圖

(圖5)為福清某項(xiàng)目地下室墩基礎(chǔ)加錨桿樁抗拔方案節(jié)點(diǎn)示意圖，由于墩現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖持力層為中等風(fēng)化凝灰?guī)r，若要滿足抗拔而增加樁長(zhǎng)時(shí)開(kāi)挖較困難且造價(jià)高，因此采用(圖5)所示的墩底加抗拔錨桿的方式，墩端全截面進(jìn)入持力層時(shí)不擴(kuò)頭，錨桿抗拔承載力特征值為60kN。

3 局部抗浮

局部抗浮分析是針對(duì)抗水板的抗浮分析。由于地下室底板的剛度并不是無(wú)限大，所以在浮力的作用下會(huì)發(fā)生變形。除了對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度驗(yàn)算，還應(yīng)進(jìn)行變形驗(yàn)算和裂縫驗(yàn)算，若底板計(jì)算時(shí)只驗(yàn)算強(qiáng)度不進(jìn)行裂縫寬度的計(jì)算，可能會(huì)造成底板產(chǎn)生裂縫，甚至漏水嚴(yán)重，形成“地下游泳池”。在不布置抗拔樁或抗拔錨桿的時(shí)候，通常對(duì)底板會(huì)根據(jù)不同荷載工況用“倒樓蓋”法或是采用其他有限元元法對(duì)柱上板帶和跨中板帶進(jìn)行內(nèi)力的分析，“SEVEN·七星匯”項(xiàng)目地下室局部抗浮分析時(shí):局部計(jì)算抗水板時(shí)有效水浮力為:γwh = γw-0.9ΣG=84.5-0.9×40.4 =48.1kN/m2，作為反向荷載，對(duì)梁、板等構(gòu)件進(jìn)行反向的承載力驗(yàn)算、正常使用極限狀態(tài)下的驗(yàn)算。

4 抗浮設(shè)計(jì)中的其他問(wèn)題

有些設(shè)計(jì)人員和施工人員忽視施工對(duì)地下室抗浮的重要性，設(shè)計(jì)圖紙對(duì)施工時(shí)抗浮措施的要求只字不提，施工人員在施工過(guò)程中不關(guān)注降水，沒(méi)有采取降水措施或在抗浮結(jié)構(gòu)未達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)定目標(biāo)時(shí)就停止了降水，導(dǎo)致在施工期間產(chǎn)生地下室整體上浮事件時(shí)有發(fā)生《地下室防水技術(shù)規(guī)范》在第10章中明確規(guī)定了，“明挖法地下室防水施工時(shí)，地下水位應(yīng)降至工程底部最低高程500mm以下，降水作用應(yīng)持續(xù)至回填完畢”;進(jìn)行整體抗浮和局部抗浮驗(yàn)算，并提出施工期間的抗浮措施和降水措施。

5 結(jié)語(yǔ)

地下室的抗浮設(shè)計(jì)雖然不復(fù)雜，但必須慎重對(duì)待，對(duì)周?chē)h(huán)境、場(chǎng)地條件和土層情況要認(rèn)真分析，荷載計(jì)算必須準(zhǔn)確，根據(jù)各個(gè)工程的具體情況具體分析，采用合理的抗浮方式，才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)可靠的目的。

[1]黃琪祺，周健.抗浮錨桿在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].土工基礎(chǔ).2008.06.

[2]袁鐵垣，秦峻英.地下室抗浮問(wèn)題及抗浮設(shè)計(jì)[J].山西建筑.2009.09.

[3]袁正如.地下工程抗浮設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題[J].地下空間與工程學(xué)報(bào).2007.06.

[4]虞林軍.先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁作為抗拔樁的設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)2006.03.