關(guān)于抗浮設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題探討

盧秋陽(yáng)

(中鐵八局同新房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)公司，四川成都610031)

現(xiàn)有的一些規(guī)范對(duì)抗浮設(shè)計(jì)有相關(guān)規(guī)定，也有不少文獻(xiàn)進(jìn)行過(guò)探討，但目前的抗浮設(shè)計(jì)理論尚不完整，還沒(méi)有建立系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，規(guī)范中的有關(guān)規(guī)定也并不具體。因?yàn)檫@涉及到巖土工程學(xué)，而由于地下土層相互作用以及土層與結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜性，這門學(xué)科對(duì)土層機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

我們?cè)诳垢≡O(shè)計(jì)過(guò)程中主要是以下幾個(gè)步驟：確定抗浮水位、水浮力、抵抗水浮力的有利荷載、抗浮措施及方案。根據(jù)抗浮設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，我將針對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行研討，并提出建議。

1 抗浮水位的確定

1.1 抗浮水位選取的現(xiàn)狀

《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2009) 和《高層建筑巖土工程勘察規(guī)范》(JGJ72—2004)對(duì)抗浮設(shè)計(jì)水位的確定基本上是指導(dǎo)性的?！陡邔咏ㄖr土工程勘察規(guī)范》(JGJ72—2004)規(guī)定當(dāng)有長(zhǎng)期水位觀測(cè)資料時(shí)，場(chǎng)地抗浮設(shè)防水位可采用實(shí)測(cè)最高水位；無(wú)長(zhǎng)期水位觀測(cè)資料或資料缺乏時(shí)，按勘察期間實(shí)測(cè)最高穩(wěn)定水位并結(jié)合場(chǎng)地地形地貌、地下水補(bǔ)給、排泄條件等因素綜合確定。工程師進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)的水位選取依據(jù)是直接來(lái)源于地勘單位給出的報(bào)告，報(bào)告中給出的是指勘察期間測(cè)量得到的水位，受季節(jié)性降水影響明顯，在雨水季節(jié)地下水的水位就高，而在枯水期地下水位明顯較低，因此往往提出的建議水位是歷史最高水位。而工程師和勘察報(bào)告都很少綜合考慮工程所在地域的地質(zhì)情況、地層構(gòu)造、地下水的補(bǔ)給、大氣降水、排泄與徑流等有關(guān)因素，而且還受人為因素( 地下水開(kāi)采、修筑水庫(kù)、水庫(kù)放水、灌溉等)。當(dāng)然，這些影響因素是很難確定的。曾經(jīng)就有關(guān)于根據(jù)地質(zhì)局的勘查成都地下常年水位降低的報(bào)告。

在建筑使用年限的 70 年間，建筑物周圍地貌的變化以及水文條件和氣象的變化都是不能預(yù)料的，特別是近年來(lái)氣候的劇烈變化、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的頻繁使得地下水位更加無(wú)法估計(jì)。以上這些因素往往又難于去量化，這就取決于工程師的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)素質(zhì)，工程師出于安全考慮都取值比較保守。2013年成都出現(xiàn)了特大暴雨，加之成都排水管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力有限，導(dǎo)致城區(qū)很多路面積水，特別是在沿河區(qū)域，出現(xiàn)河水倒灌街道道路的情況，甚至有些直接流入住宅區(qū)地下室的停車場(chǎng)，但地下室并沒(méi)有受到破壞。這有可能河水是溢出河堤，而非通過(guò)地下室的土層滲入，沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)大的浮力的原因。當(dāng)然采取了抗浮設(shè)計(jì)措施也是一道防線。

1.2 抗浮水位選取的建議

成都經(jīng)歷過(guò)實(shí)際暴雨之后的檢驗(yàn)，地下室出現(xiàn)破壞的情況很少，若選取了合理水位，加上采取抗浮設(shè)計(jì)措施，應(yīng)該能夠保證地下室的安全。規(guī)范規(guī)定的當(dāng)有長(zhǎng)期水位觀測(cè)資料時(shí)，采取場(chǎng)地抗浮設(shè)防水位可采用實(shí)測(cè)最高水位，這是偏于安全保守的。若2013年的成都暴雨在70a之內(nèi)不再發(fā)生，那我們以此次的水位做為我們的抗浮設(shè)計(jì)水位，這顯然是不合理的。一是以我們國(guó)家的發(fā)展速度，30a后房子是否還存在；二是我們民用建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限是50a，之后如果繼續(xù)使用還需要鑒定加固，結(jié)構(gòu)不一定能夠再使用。這就造成了資源浪費(fèi)，建筑應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。此外，當(dāng)基礎(chǔ)在弱透水層內(nèi)，而弱透水層以上和弱透水層以下是透水性比較好的土層，這就存在夾層的情況，水就很可能在弱透水層以上的土層內(nèi)，造成水位很高的假象。因此，我建議抗浮水位的確定應(yīng)結(jié)合我國(guó)的國(guó)情、水文、地質(zhì)、氣候等因素，參考近30a的最高實(shí)測(cè)水位，做為我們的設(shè)計(jì)依據(jù)，而不能將歷史最高水位作為我們?cè)O(shè)計(jì)依據(jù)。

2 水浮力的計(jì)算

2.1 計(jì)算理論

《高層建筑巖土工程勘察規(guī)范》(JGJ72—2004)規(guī)定地下室在穩(wěn)定地下水位作用下所受的浮力應(yīng)按靜水壓力計(jì)算，對(duì)臨時(shí)高水位作用下所受的浮力，在黏性土地基中可以根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)適當(dāng)折減。但規(guī)范對(duì)于折減的具體參考系數(shù)沒(méi)有明確指出，而且規(guī)定如果要折減也是對(duì)臨時(shí)高水位作用下所受的浮力進(jìn)行折減。按照靜水壓力建議的計(jì)算式(1)：

P=γ·g·(h-h0)

(1)

式中 ：P為每1m2的水浮力；γ為折減系數(shù)；g為水的重度；h為抗浮水位標(biāo)高；h0為地下室板底標(biāo)高。

2.2 γ的取值問(wèn)題

式(1)中關(guān)于抗浮水位的標(biāo)高問(wèn)題已經(jīng)討論過(guò)，對(duì)于γ的取值，行業(yè)內(nèi)的爭(zhēng)議比較大。大部分工程師為了安全起見(jiàn)，都是按照靜水壓力計(jì)算，而無(wú)關(guān)土層的滲透性強(qiáng)弱，γ值都取1。而實(shí)際上在砂石土層中與粘土層中，水的滲透性能是不同的，文獻(xiàn)[1]中也通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)，而且在粘土層中衰減也較明顯。地下室底部的土層滲透性較差的話，在雨季土層中就不會(huì)滲入大量的水，產(chǎn)生的浮力也較小。

筆者認(rèn)為由骨粒、水、空氣組成的三相土層產(chǎn)生的浮力與單是水產(chǎn)生的浮力有本質(zhì)的區(qū)別，即使是滲透性較強(qiáng)的砂石層中，骨粒與水之間也有粘聚力，相當(dāng)于削弱了水的動(dòng)力，只是這種粘聚力比較小，為了安全起見(jiàn)，也為了防止因管涌導(dǎo)致的水浮力很大，建議在滲透性較好的土層中γ取值為1。在弱透水層中，滲透性差，含水量低，而且顆粒的粘聚力較強(qiáng)，所產(chǎn)生的水浮力會(huì)減弱。至于γ的取值，由于土質(zhì)情況的復(fù)雜性，建議在勘察期間進(jìn)行實(shí)際場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)，以確定土層的滲透性能，從而選擇一個(gè)較為合理的折減系數(shù)，但最好采用在豐水期勘察的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)妥。具體折減系數(shù)的計(jì)算公式還有待進(jìn)一步研究。

3 抗浮計(jì)算

3.1 抗浮有利因素分析

關(guān)于討論抗浮設(shè)計(jì)的文章有很多，但涉及到抗浮有利因素分析和荷載的取值并不是很多。

進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，通常只考慮結(jié)構(gòu)自重的有利作用，而并不考慮地下室四周的填土對(duì)建筑的摩擦力和基地與土層的粘滯力。因?yàn)樵趯?shí)際的施工過(guò)程中，回填土很難保證完全按照設(shè)計(jì)要求達(dá)到相應(yīng)的壓實(shí)系數(shù)，回填土的材料也往往是慘雜了很多建筑廢渣，沒(méi)有按照設(shè)計(jì)要求施工。這就很難保證填土對(duì)地下室側(cè)壁的擠壓作用，也就沒(méi)有對(duì)地下室的摩擦作用。雨水的滲入也會(huì)降低它們之間的摩擦力。對(duì)于基地與土層的粘滯力，當(dāng)基地是砂石層時(shí)，不存在粘滯力。當(dāng)基地是粘土層，若滲透性較差，基地與土層存在一定的粘滯力，但基地的土層在開(kāi)挖時(shí)受到擾動(dòng)，有所松動(dòng)現(xiàn)象，而且粘滯力相對(duì)于水浮力是相當(dāng)微弱的，因此也不給予考慮，也可以作為安全儲(chǔ)備。

考慮抵抗水浮力的有利荷載包括結(jié)構(gòu)自重和覆土的重量，而對(duì)于結(jié)構(gòu)自重的取值存在爭(zhēng)議。有些專家認(rèn)為，對(duì)于多層建筑需要抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)計(jì)入地面以上結(jié)構(gòu)的自重，而只考慮地面以下的結(jié)構(gòu)自重，原因在于擔(dān)心上部荷載通過(guò)柱傳遞到基礎(chǔ)后，基礎(chǔ)與抗水板的連接并不能保證荷載有效的平均分布在抗水板上，從而不能保證整體抗浮設(shè)計(jì)概念的實(shí)現(xiàn)。我認(rèn)為這種考慮，對(duì)于局部抗浮設(shè)計(jì)和傳力路徑是合理的，但對(duì)于整體抗浮考慮時(shí)，這是不合理的，而且是自相矛盾的，若考慮到基礎(chǔ)與抗水板連接無(wú)法保證力的傳遞，那地下室部分的有利荷載只能考慮抗水板的自重，地下室的梁板柱的荷載就不能考慮。實(shí)際上，他們是為了安全考慮，相當(dāng)于少考慮一部分荷載，作為安全系數(shù)。但我們整體抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，是把建筑從地下室到上部作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)考慮的，強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)理論。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)的抗浮設(shè)計(jì)公式，如式(2)，也是整體考慮結(jié)構(gòu)荷載來(lái)確定是否需要抗浮的。至于基礎(chǔ)與抗水板的連接問(wèn)題，可以通過(guò)加強(qiáng)構(gòu)造措施來(lái)保證。

3.2 抗浮設(shè)計(jì)

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)的抗浮設(shè)計(jì)公式5.4.3：

Gk/Nw,k>Kw

(2)

式中 ：Gk為建筑物自重和壓重之和(kN)；Nw,k為浮力作用值(kN)；Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般情況下取1.05；

當(dāng)上式不滿足時(shí)，就必須進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。總的浮力值減去有利荷載值的差值就是需要通過(guò)抗浮措施來(lái)抵抗的浮力值。

對(duì)于安全系數(shù)的取值，有些工程師為了安全考慮，取的數(shù)值大于1.05。各個(gè)國(guó)家的規(guī)范也有所差異，即使是我國(guó)國(guó)內(nèi)，一些相關(guān)行業(yè)的規(guī)范取值也不一樣。我認(rèn)為通過(guò)以上對(duì)抗浮水位和有利因素的分析，無(wú)需再增大安全系數(shù)，嚴(yán)格按照規(guī)范1.05取值。式(2)是針對(duì)整體抗浮考慮的，還應(yīng)進(jìn)行局部抗浮設(shè)計(jì)，驗(yàn)算局部有可能水浮力較大的位置。

4 抗浮措施

4.1 抗浮方案的選擇

主要的抗浮設(shè)計(jì)方案包括抗浮錨桿、抗拔樁、增加結(jié)構(gòu)的自重、設(shè)置地下室底板外挑板、采用止水帷幕等。

抗浮錨桿主要用于地基錨固性能較好的基巖或者砂石層，對(duì)于砂土層則不適用。抗拔樁適用范圍很廣，但造價(jià)相對(duì)較高。采用增加結(jié)構(gòu)自重的方式，是最直接簡(jiǎn)單的方法，但只能用在抗浮設(shè)計(jì)值較小的情況下比較經(jīng)濟(jì)，而且增加結(jié)構(gòu)板的厚度后會(huì)影響建筑的空間尺寸。設(shè)置地下室底板外挑板的作用非常小，只能作為一種保障措施。止水帷幕用于地基土層的滲透性較差的情況，但效果很難保證，造價(jià)也較高。

4.2 抗浮錨桿應(yīng)注意的問(wèn)題

由于抗浮錨桿技術(shù)易于施工，布置靈活，受力簡(jiǎn)單，造價(jià)合理，因此現(xiàn)在應(yīng)用越來(lái)越多。但由于錨桿與土體之間的相互作用非常復(fù)雜，還有待進(jìn)一步研究，其中需要注意幾個(gè)問(wèn)題：

(1)鋼筋的銹蝕問(wèn)題。若采用的是粘接式錨桿，錨桿受拉后，錨桿周圍的漿體保護(hù)層一旦開(kāi)裂的話，就很容易受到銹蝕，鋼筋截面變小，影響承載力。只有通過(guò)嚴(yán)格控制裂縫寬度，采用大直徑的鋼筋，表面涂防腐層來(lái)減小不利影響?；蛘卟捎脽o(wú)粘接預(yù)應(yīng)力錨桿，但造價(jià)較高。

(2)錨桿的變形問(wèn)題。若采用的是普通錨桿，在水位往復(fù)變化的情況下，錨桿受到反復(fù)的拉力作用，會(huì)產(chǎn)生永久變形，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。若采用的是預(yù)應(yīng)力錨桿，在沒(méi)有水浮力的作用下，錨桿對(duì)結(jié)構(gòu)的拉力較大，就會(huì)成為結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，相當(dāng)于上部荷載作用在結(jié)構(gòu)上。這就需要工程師在實(shí)際的工程中權(quán)衡利弊了，選擇合理的錨桿承載力。

(3)錨桿與底板的連接問(wèn)題。由于錨桿是穿過(guò)土層和底板，而構(gòu)成了水流沿錨桿滲入底板的通道，因此節(jié)點(diǎn)的防水措施和施工質(zhì)量非常重要，處理不好會(huì)對(duì)底板內(nèi)的鋼筋產(chǎn)生銹蝕作用，最終導(dǎo)致底板的開(kāi)裂。

5 結(jié)論

(1)建議在確定抗浮水位時(shí)，應(yīng)結(jié)合我國(guó)的國(guó)情、水文、地質(zhì)、氣候、周邊情況等因素，參考近30a的最高實(shí)測(cè)水位，做為我們的設(shè)計(jì)依據(jù)。

(2)建議在滲透性較好的土層中折減系數(shù)γ取值為1。在弱透水層中，由于土質(zhì)情況的復(fù)雜性，建議在豐水期進(jìn)行實(shí)際場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)，以確定土層的滲透性能，從而選擇合理的折減系數(shù)。折減系數(shù)的計(jì)算公式還有待進(jìn)一步研究。

(3)在計(jì)算抗浮的有利荷載時(shí)應(yīng)計(jì)入地面以上結(jié)構(gòu)的自重，采取加強(qiáng)基礎(chǔ)與底板的連接，保證整體性。抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)取1.05是完全能夠保證安全的，無(wú)需再增大取值。

(4)錨桿技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越多，但我們不能忽視所存在問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)因考慮這些問(wèn)題的影響。具體選擇何種抗浮方案，應(yīng)進(jìn)行幾種方案的經(jīng)濟(jì)性與合理性對(duì)比確定。

[1] 張曠成，丘建金． 關(guān)于抗浮設(shè)防水位及浮力計(jì)算問(wèn)題的討論[J]． 巖土工程技術(shù)，2007，21(1) : 15-20

[2] 柳建國(guó)，劉波. 建筑物的抗浮設(shè)計(jì)與工程技術(shù)[J].工業(yè)建筑，2007,37(4)

[3] 吳建虹. 高層建筑地下室抗浮設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題[J].廣東土木與建筑，2002，(8)

[4] 林本海. 地下結(jié)構(gòu)物抗浮設(shè)計(jì)問(wèn)題的研討[J].廣州建筑,2005，(5)

[5] 鄭偉國(guó). 地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)的思路和建議[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013,43(5)

[6] 胡興. 獨(dú)立式地下車庫(kù)抗浮設(shè)計(jì)與抗浮措施[J]. 廣東土木與建筑,2008，(5)

[7]GB50021—2009巖土工程勘察規(guī)范[S]

[8]JGJ72—2004高層建筑巖土工程勘察規(guī)范[S]

[9]GB50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]