地下室抗浮設(shè)計(jì)方法研究

陳志龍

(廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361015)

地下室抗浮設(shè)計(jì)方法研究

陳志龍

(廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361015)

隨著地下空間資源不斷開發(fā)利用，地下室因抗浮不足而造成的工程事故時(shí)有發(fā)生。文章通過簡(jiǎn)要分析兩個(gè)工程案例的事故原因及處理辦法，闡述地下室的整體抗浮和局部抗浮的重要性。簡(jiǎn)要介紹施工階段及設(shè)計(jì)階段的幾種抗浮措施及其適用條件。

地下室；抗浮水位；整體抗??；局部抗??；抗浮樁；抗浮錨桿

0 引言

改革開放以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，城市地下空間資源的開發(fā)利用越來(lái)越受重視，很多住宅小區(qū)、辦公樓區(qū)均有修建地下車庫(kù)以及各種平戰(zhàn)結(jié)合的人防工程，以及獨(dú)立的地下商城等?？垢?yīng)引起重視，因?yàn)榭垢〔蛔?，重則引起建筑物整體上浮，影響結(jié)構(gòu)安全，輕則底板開裂等，后期加固需要很大的代價(jià)。本文通過結(jié)合工程實(shí)例分析，簡(jiǎn)單的闡述地下室抗浮設(shè)計(jì)重要性及工程中具體采用的抗浮措施。

1 抗浮不足引起工程事故的實(shí)例

1.1 案例一概況

某辦公樓地下室面積約28 800m2，3層地下室，建筑物埋深約為12m，上部由一棟塔樓和裙樓組成，結(jié)構(gòu)體系采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。裙樓部位由于整體抗浮考慮不足，裙樓局部范圍整體上浮，引起地下室底板開裂、地下室墻體以及梁柱交接位置的梁端產(chǎn)生45°角裂縫、樓板也產(chǎn)生大量的放射狀新裂縫。地下室平面示意圖及現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1～圖2所示。

圖1 地下室平面示意圖

(a)底板開裂(b)柱腳裂縫(c)墻體45°角裂縫(d)梁端裂縫 (e)打孔泄壓圖2 現(xiàn)場(chǎng)照片

事故原因一：該工程位于臨近海邊，由于施工期間正值雨季，多日的大雨導(dǎo)致地下室水位不斷上升達(dá)到歷史最高防洪水位，且地表水排水不暢倒灌地下室。在地下室頂板覆土尚未完成回填的情況下，即停止了降水，導(dǎo)致壓重不足，雨水倒灌未及時(shí)排水，導(dǎo)致浮力上升過快。

事故原因二：抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，未根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境及水文條件考慮按歷史最高防洪水位來(lái)做抗浮設(shè)計(jì)，尚未留有余量。

處理辦法：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，不斷有新的裂縫產(chǎn)生，而且裂縫拓展速度很快。根據(jù)多方討論方案后，處理辦法采用先“放”后“抗”。在地下室底板開孔泄壓，泄壓后底板面的水深達(dá)100mm左右，水壓高度達(dá)10m之高，泄壓后，建筑物開始慢慢沉降，最大沉降約10cm，沉降穩(wěn)定后，觀察底板及梁裂縫開始愈合。為增加整體的抗浮能力，待沉降及結(jié)構(gòu)裂縫穩(wěn)定后在底板上重新增補(bǔ)錨桿，底板增厚200mm做成疊合底板、增加內(nèi)防水處理等技術(shù)措施加固結(jié)構(gòu)到達(dá)“抗”的目的。經(jīng)加固處理后目前使用情況良好。

1.2 案例二概況

某小區(qū)地下室面積約18 000m2，1層地下室，建筑物埋深約4.2m，上部由5棟塔樓組成。由于底板局部抗浮不足造成底板開裂，底板滲水嚴(yán)重，影響了正常功能的使用。地下室平面示意圖及現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3～圖4所示。

圖3 地下室平面示意圖

圖4 底板裂縫

事故原因一：該工程底板采用筏板基礎(chǔ)，柱底自重大于水浮力產(chǎn)生浮力(1.05倍的設(shè)計(jì)抗浮水位的浮力標(biāo)準(zhǔn)值)，設(shè)計(jì)上能滿足整體抗浮驗(yàn)算，由于設(shè)計(jì)人員考慮到整體抗浮滿足要求，在計(jì)算底板剛度、配筋時(shí)未進(jìn)行水浮力的組合計(jì)算，僅考慮上部荷載的工況計(jì)算。經(jīng)復(fù)核，底板跨中位置的水浮力大于基底反力，因此造成底板跨中局部位置出現(xiàn)裂縫，引起滲水。

事故原因二：地下室主體施工完成后，由于業(yè)主某些原因，該工程停止施工，基坑周邊停止降水，后澆帶封閉后導(dǎo)致地下室水壓超過設(shè)計(jì)預(yù)期，地下室底板隆起開裂。

處理辦法：底板裂縫寬度約為0.05mm～0.45mm，根據(jù)底板裂縫寬度不同采取不同的處理措施，底板裂縫寬度小于0.2mm且有滲水的裂縫區(qū)域，采用改性環(huán)氧樹脂高壓注漿。底板裂縫寬度大于0.2mm且滲水嚴(yán)重的區(qū)域，沿裂縫長(zhǎng)度方向開U型或V型的槽，預(yù)埋灌漿嘴，U型或V型槽用速凝水泥抹平后再用配制好的灌漿料進(jìn)行高壓注漿以封閉裂縫。裂縫區(qū)域表面均涂刮滲透結(jié)晶體防水材料一遍。

2 抗浮設(shè)計(jì)中的兩個(gè)基本概念

通過上述兩個(gè)案例中發(fā)現(xiàn)，在考慮地下室抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，一是計(jì)算的地下室整體抗浮應(yīng)滿足要求；二是計(jì)算的地下室局部抗浮應(yīng)滿足要求。

驗(yàn)算整體抗浮時(shí)，一是從整個(gè)地下室范圍內(nèi)總恒荷載(包括自重和配重)應(yīng)大于1.05倍的地下室總水浮力，從宏觀上考慮地下室是否滿足整體抗浮要求。二是柱或剪力墻的受荷面積范圍的恒荷載應(yīng)大于此范圍內(nèi)的1.05倍的水浮力[2]。當(dāng)不能滿足要求時(shí)，需要增加自重或增加配重來(lái)滿足整體抗浮要求，或是通過設(shè)置抗拔樁、抗拔錨桿等措施來(lái)滿足整體抗浮要求。考慮地下室的整體抗浮，需結(jié)合工程實(shí)際情況，采取有效、經(jīng)濟(jì)的抗浮措施，即應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)安全，也應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)性。

驗(yàn)算局部抗浮時(shí)，驗(yàn)算底板的強(qiáng)度、變形及裂縫寬度，均應(yīng)滿足規(guī)范要求，而且還應(yīng)包括驗(yàn)算地下室局部薄弱范圍，如多層的裙房部位等，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的地下室上部有高層塔樓和多層的裙房等組成，因此驗(yàn)算裙房范圍的抗浮能力尤為重要。

3 抗浮設(shè)防水位的合理取值

抗浮設(shè)防水位的取值是地下室抗浮設(shè)計(jì)中一個(gè)決定性的參數(shù)，如何合理地取抗浮水位，直接影響水浮力的大小，直接關(guān)系著結(jié)構(gòu)主體的安全和工程造價(jià)[4]，因此需要對(duì)抗浮設(shè)防水位認(rèn)真研究。選取合理的抗浮設(shè)防水位，從以下4個(gè)因素綜合考慮[1]：

(1)主要根據(jù)地勘報(bào)告。一般地勘報(bào)告會(huì)提供穩(wěn)定水位、歷史最高水位及建議的抗浮水位。根據(jù)地勘報(bào)告提供的數(shù)據(jù)，然后結(jié)合工程是否考慮有人防要求?？紤]人防要求時(shí)，取穩(wěn)定水位進(jìn)行人防組合。不考慮人防時(shí)，應(yīng)取歷史最高水位或建議的抗浮水位。兩者比較后，取不利情況來(lái)考慮抗浮計(jì)算。

(2)由于場(chǎng)地一般都會(huì)有多種土層，有強(qiáng)透水、弱透水、不透水等土層，綜合考慮場(chǎng)地的承壓水、孔隙水、潛水之間的聯(lián)系，并通過實(shí)測(cè)承壓水水位考慮其對(duì)抗浮設(shè)防水位的影響。

(3)當(dāng)建筑物處于斜坡地段，應(yīng)區(qū)分高地段和低地段的抗浮水位差。

(4)當(dāng)建筑物處于海邊等易受洪水影響的地段，應(yīng)考慮其歷史最高的防洪水位。

4 抗浮技術(shù)措施

整體抗浮或局部抗浮驗(yàn)算不滿足要求時(shí)，可采取相應(yīng)有效的抗浮措施。

4.1 施工階段的抗浮措施

根據(jù)幾個(gè)工程的實(shí)際案例調(diào)查，不少的抗浮事故原因是發(fā)生在施工階段對(duì)抗浮未引起重視或未采取有效的抗浮措施。比如：純地下部位覆土未完成、或上部塔樓未到設(shè)計(jì)要求可停止降水的層數(shù)時(shí)即停止降水，極易引起上浮事故。特別應(yīng)注意，暴雨時(shí)的地表水對(duì)深基坑的倒灌，形成“腳盆”效應(yīng)，若未及時(shí)采取降水措施，易引起地下室結(jié)構(gòu)抗浮不足而引發(fā)的工程事故，應(yīng)引起足夠重視。因此施工期間，主要通過降水井等措施把基坑內(nèi)的水位降至底板底。地下室結(jié)構(gòu)施工完成后，基坑四周應(yīng)采用粘性土及時(shí)回填并分層夯實(shí)，可形成止水層，可有效地防止施工階段地表水倒灌。待滿足停止降水的條件時(shí)方可以停止降水。

4.2 設(shè)計(jì)階段的幾種抗浮措施及適用條件

4.2.1 釋放水浮力法

在地下室底板下及四周設(shè)置縱橫連通的排水盲溝，將基底下的壓力水通過釋放層中的透水系統(tǒng)(過濾層、導(dǎo)水層)匯集到集水系統(tǒng)，并導(dǎo)流至出水系統(tǒng)后進(jìn)入水箱或集水坑內(nèi)，達(dá)到預(yù)定水位時(shí)，再抽出水箱或集水坑內(nèi)的水，從而釋放部分水浮力，以滿足地下室整體抗浮及局部抗浮驗(yàn)算。

此方法具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，但該方法主要適用于抗浮水位較低、地下室底板位于不(弱)透水層，且土質(zhì)較堅(jiān)硬的土層。

4.2.2 壓重法

增加恒荷載的重量，包括結(jié)構(gòu)的自重和配置。自重可通過增加板厚等自身結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸；配重可通過增加底板上配重材料(可采用低標(biāo)號(hào)混凝土、鐵屑混凝土等重材料)、增加底板外伸部分的回填土重量，增加地下室頂板上覆土。在條件允許的情況下，可采用適當(dāng)增加層數(shù)等辦法來(lái)增加結(jié)構(gòu)的自重以抵抗地下室水浮力的作用。

該方法較適合于建筑物的自重與浮力相差不大時(shí)。

4.2.3 設(shè)置抗拔樁

抗拔樁是通過樁土之間摩擦力及樁身自重來(lái)抗浮，主要布置在柱及剪力墻下兼做抗壓樁，抗拔樁的抗拔承載力一般較大，也較容易受環(huán)境及施工條件等影響，造價(jià)較高。當(dāng)柱及剪力墻下的抗拔兼抗壓樁不滿足抗拔要求時(shí)，可在抗浮底板下增設(shè)純抗拔樁。設(shè)置抗拔樁時(shí)，應(yīng)注意驗(yàn)算樁身的裂縫寬度，其最大裂縫寬度不大于0.2mm 。根據(jù)不同場(chǎng)地的腐蝕性，應(yīng)對(duì)樁身采取防腐措施。

設(shè)置抗拔樁時(shí)的抗浮計(jì)算[6]

式中：GK為建筑物自重及壓重之和，n為抗拔樁的根數(shù)，NK為標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的基樁抗拔力，NW,K為浮力作用值，KW為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般情況下可取1.05[2]。

抗拔樁按成樁方式的不同，主要有現(xiàn)場(chǎng)灌注樁和預(yù)制樁。灌注樁除常規(guī)的等截面形式外，還有擴(kuò)底灌注樁和后注漿灌注樁等。擴(kuò)底灌注樁和后注漿灌注樁能大幅提高抗拔承載力，適宜于深開挖條件的結(jié)構(gòu)抗浮。灌注樁作為抗拔樁時(shí)，樁身要求通長(zhǎng)配筋，鋼筋錨入承臺(tái)的長(zhǎng)度一般要求大于40d。預(yù)制樁作為抗拔樁時(shí)，盡量采用單節(jié)樁；若需要接樁，應(yīng)采取可靠的措施保證接頭的連接質(zhì)量，還應(yīng)注意樁頂與承臺(tái)的連接構(gòu)造處理。

抗拔樁作為一種有效的抗浮措施，適用于大部分的地下工程，通常采用點(diǎn)式布置，布置于柱及剪力墻下。抗拔樁主要通過樁土摩擦力提供抗拔力，因此應(yīng)保證樁基的有效樁長(zhǎng)，特別注意采用泥漿護(hù)壁的灌注樁時(shí)應(yīng)對(duì)其抗拔力進(jìn)行折減。根據(jù)地勘報(bào)告選擇合理有效的抗浮樁型。

4.2.4 設(shè)置抗浮錨桿

抗浮錨桿因施工周期短、施工方便、造價(jià)較低、受力合理等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用，即可用于設(shè)計(jì)、施工階段使用，亦可用于因抗浮不足引起的工程事故中的加固處理。

抗浮錨桿依賴于土層與錨固體之間的粘結(jié)強(qiáng)度提供抗拔承載力。抗浮錨桿的設(shè)計(jì)包括承載力計(jì)算、桿體截面面積、錨桿數(shù)量的計(jì)算。對(duì)此，可參照文獻(xiàn)[3]中詳細(xì)的計(jì)算過程。

抗浮錨桿根據(jù)是否施加預(yù)應(yīng)力分為全長(zhǎng)粘結(jié)型非預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿、部分粘結(jié)型預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿。設(shè)計(jì)抗浮錨桿需注意的使用條件及構(gòu)造要求可參考文獻(xiàn)[3]。

地下室底板抗浮錨桿的布置一般有3種形式：

(1)當(dāng)自重與浮力相差不大時(shí)，可采用集中點(diǎn)狀布置。一般布置于柱、墻下，可考慮上部的自重平衡一部分浮力。純底板區(qū)域應(yīng)按防水板要求計(jì)算強(qiáng)度、配筋，一般底板配筋會(huì)較大。

(2)當(dāng)?shù)装宀捎昧喊褰Y(jié)構(gòu)體系且自重與浮力相差不大時(shí)，可采用集中線狀布置。錨桿布置于地下室底板梁下，在上部自重受力范圍內(nèi)可考慮自重平衡一部分浮力。純底板區(qū)域應(yīng)按防水板要求計(jì)算強(qiáng)度、配筋，一般底板配筋會(huì)較大。

(3)當(dāng)自重與浮力相差較大時(shí)，可考慮面狀均勻布置，在地下室底板下均勻布置。由于上部建筑物自重與底板下均布的錨桿是點(diǎn)(線)與面的關(guān)系，如何能使點(diǎn)的荷載與面上的荷載共同作用，一是需要底板的剛度足夠大，而是通過倒置樓蓋的假定計(jì)算，才能使上部自重荷載與均布錨桿共同抗浮。而實(shí)際大部分工程中，很難達(dá)到點(diǎn)(線)與面上的受力能變形協(xié)調(diào)。因此，對(duì)于面狀均勻布置的錨桿合理做法應(yīng)區(qū)分兩種抗浮區(qū)域：一是柱、墻、梁影響區(qū)域，充分利用上部建筑物自重進(jìn)行抗浮。二是純底板抵抗區(qū)域，僅考慮純底板區(qū)域的底板自重及配重進(jìn)行抗浮。否則，當(dāng)浮力大于中間純底板區(qū)域的自重時(shí)，則因錨桿布置不足導(dǎo)致該區(qū)域的錨桿先破壞和失效然后導(dǎo)致自重影響區(qū)域范圍內(nèi)的錨桿破壞和失效，而引發(fā)上浮事故。

綜上，一是自重與浮力相差不大時(shí)優(yōu)先選擇集中線狀布置，有更好的經(jīng)濟(jì)效益[5]；二是自重與浮力相差較大時(shí)應(yīng)區(qū)分自重影響區(qū)域的抗浮和純底板區(qū)域的抗浮，選擇面狀均勻布置。

5 結(jié)語(yǔ)

地下室整體抗浮或局部抗浮不足引起的地下室工程事故時(shí)有發(fā)生，設(shè)計(jì)階段應(yīng)結(jié)合地勘資料、實(shí)際工程的場(chǎng)地條件、當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件等綜合因素考慮地下室抗浮設(shè)計(jì)及措施，選擇合理、經(jīng)濟(jì)的抗浮方案。施工階段應(yīng)采取有效的抗浮措施，防止施工期間發(fā)生上浮事故。

[1]JGJ72-2004高層建筑巖土工程勘察規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

[2]GB50007-2011 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[3] 全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施一結(jié)構(gòu)(地基與基礎(chǔ))[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010．

[4] 李旭平.地下室抗浮設(shè)計(jì)水位到底如何確定[J].建材世界，2006，27(4)：144-145.

[5] 于岷紅，梁立，馬志林．某地下室抗浮設(shè)計(jì)[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2012，42(12)：139-142．

[6] 秦海蘭，姜善華．地下室抗浮設(shè)計(jì)與抗浮措施研究綜述[J]．江蘇建筑，2013(6)：64-65.

Elementary introduction to anti-floating design method of basement

CHENZhilong

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Corp.,Ltd, Xiamen 361004)

With the continuous development and utilization of underground space resources, Because of the lack of anti floating basement, engineering accidents happen frequently.This paper briefly analyzed the accident causes and treatment methods of two engineering cases.The importance of integral anti floating and local anti floating of basement resistance was expounded; Several anti floating measures and their applicable conditions during construction stage and design stage were briefly introduced.

Basement；Anti- floating water level；Whole anti -floating；Local anti- floating；Anti-floating pile；Anti-floating anchor

陳志龍(1982.12- )，男，工程師。

E-mail:512983457@qq.com

2017-05-25

TU318

A

1004-6135(2017)09-0040-04