附建式地下室局部整體抗浮穩(wěn)定性設(shè)計(jì)探究

孫占偉

（河北 秦皇島066000）

城鎮(zhèn)化的推進(jìn)和建筑技術(shù)的創(chuàng)新，為地下空間開發(fā)創(chuàng)造了良好環(huán)境。附建式地下室的使用功能和空間結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、多樣，對設(shè)計(jì)方案、施工質(zhì)量均提出了嚴(yán)格要求。在地下空間開發(fā)時(shí)，隨著深度的增加，遇到的浮力越大，這種現(xiàn)象在地下水豐富、透水性強(qiáng)的地基中表現(xiàn)的尤其明顯。因此，在附建式地下室的設(shè)計(jì)中，必須基于前期的地質(zhì)勘測、水文調(diào)查，計(jì)算地下水浮力，在此基礎(chǔ)上開展抗浮穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。近年來，建筑行業(yè)內(nèi)關(guān)于抗浮穩(wěn)定的理論研究日益豐富，抗浮樁、抗浮錨桿等也得到了推廣使用，對提高附建式地下室施工質(zhì)量與使用安全提供了幫助。

1 工程概況

某商務(wù)寫字樓長86.6 米，寬53.7 米，總高度60.1 米，共16層。其中，地下2 層，分別為下沉式庭院和地下車庫；地上14 層，1-3 層為綜合超市，4-14 層為商務(wù)辦公區(qū)。土質(zhì)類型從地表往下依次有素填土、粉質(zhì)黏土、殘積性黏土、風(fēng)化泥巖。附建式地下室采用整體澆筑成型的方式，設(shè)有后澆帶。

2 地下室抗浮錨桿布置方式的選擇

2.1 地下車庫抗浮錨桿布置

在該工程中，地下室抗浮設(shè)計(jì)采用的是“獨(dú)立基礎(chǔ)+抗浮板”的組合方案。其中，如何布置抗浮錨桿是需要重點(diǎn)考慮的問題。工程實(shí)踐表明，跨中集中布置抗浮錨桿，雖然能夠通過減少錨桿使用數(shù)量達(dá)到控制成本的效果，但是會影響抗浮性能。而本次工程屬于高層建筑，地下車庫所受浮力較大，出于建筑安全性考慮，對于抗浮錨桿采用了均勻布置的方式，如圖1 所示。在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）相關(guān)規(guī)定，抗浮錨桿最小間距不得低于孔徑的5 倍。所用抗浮錨桿共計(jì)12 根，單根錨桿的直徑不低于180mm，錨桿長度有兩種規(guī)格，橫向?yàn)?.4m，縱向?yàn)?.0m。

2.2 下沉式庭院抗浮錨桿布置

在本工程中，以車庫南北方向上的中軸線為界，東西方向上對稱設(shè)置2 處下沉式庭院。由于橫向跨度偏小，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，對于下沉式庭院的抗浮錨桿布置，選擇了集中布置方案，如圖2 所示。

圖1 錨桿布置方案

圖2 下沉式庭院錨桿的布置

3 附建式地下室局部整體抗浮穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計(jì)

在地下水位較高、地質(zhì)條件復(fù)雜的施工環(huán)境下，地下室施工有較大概率出現(xiàn)上浮失效問題。具體可以分為兩種情況，一種是整體上浮失效，另一種是局部上浮失效。后一種較為常見，本文主要選擇這種情況提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。

3.1 局部位置抗浮錨桿布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合前期調(diào)查資料，附建式地下室的不同位置，所受浮力存在較為明顯的差異。其中，地下室邊緣位置采用地下連續(xù)墻形式予以加固，對于這些位置允許適當(dāng)增加抗浮錨桿的間隔距離。在不影響地下室抗浮穩(wěn)定性能的前提下，提高了設(shè)計(jì)方案的性價(jià)比。需要注意的是，錨桿間距增加，意味著錨桿數(shù)量減少，在地下室底板上會出現(xiàn)彎矩增加的情況，此時(shí)應(yīng)選擇更大直徑的配筋。圖3（a）和（b）分別代表了抗浮錨桿設(shè)計(jì)優(yōu)化前后的彎矩變化。對比可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案中，抗浮錨桿邊跨彎矩的絕對值增加，對降低抗浮錨桿的內(nèi)應(yīng)力和變形值均有積極影響。另外，本次工程中，最初設(shè)計(jì)方案使用抗浮錨桿114 根，優(yōu)化設(shè)計(jì)后所用錨桿降低至76 根，減少38 根，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

圖3 優(yōu)化前后主樓邊跨彎矩標(biāo)準(zhǔn)值（kN·m/m）

3.2 抗浮錨桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 穩(wěn)定性驗(yàn)算

巖土的抗剪強(qiáng)度會影響抗浮錨桿的穩(wěn)定性。尤其是當(dāng)錨桿設(shè)計(jì)密度較大、間隔距離較小時(shí)，很容易因?yàn)榭辜魪?qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求而出現(xiàn)錨桿被拔出的現(xiàn)象。以圖4 為例，由于錨桿間距偏小，楔入錨桿之后對中間的巖土產(chǎn)生擠壓力，在兩側(cè)擠壓力重疊區(qū)域會形成一個(gè)破壞區(qū)。兩側(cè)錨桿受到浮力作用后，從巖土中擠出。另外，根據(jù)抗浮錨桿數(shù)量的不同，也會對穩(wěn)定性產(chǎn)生差異化的影響。理論上來說，單根錨桿所受的擠壓力較小，因此在巖土破壞區(qū)相對穩(wěn)定；相反，如果是多根錨桿共同受力，則更容易發(fā)生錨桿脫出，這種現(xiàn)象稱為群錨效應(yīng)。

圖4 抗拔錨桿被整體拔出的破壞形態(tài)

因此，在進(jìn)行抗浮錨桿的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)，必須要關(guān)注群錨效應(yīng)產(chǎn)生的影響。當(dāng)單根錨桿被擠出后，在原來的位置會留下一個(gè)近似于圓錐的空間。同時(shí)，在抗浮錨桿間隔距離較近的情況下，這些圓錐空間還會產(chǎn)生相互重疊，在重疊區(qū)域抗浮穩(wěn)定性更差，如圖5 所示。

圖5 群錨破壞圓錐體相互干擾

在群錨效應(yīng)的影響下，錨桿在巖土中整體拔出的計(jì)算見圖如圖6 所示。同時(shí)，參考本次工程的錨桿布置方案，綜合考慮錨桿間隔距離、錨桿埋設(shè)深度，以及巖土密度等基本參數(shù)，可以計(jì)算出單根錨桿拔出后巖土體積（V），以及上部巖土的重量（m）。同時(shí)，在特定水位下，可得單根抗浮錨桿所受浮力標(biāo)準(zhǔn)值（N），將上述數(shù)據(jù)代入公式：

K=（巖土自重+結(jié)構(gòu)自重）/浮力標(biāo)準(zhǔn)值

得到抗浮安全系數(shù)K。只要K 值大于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）中規(guī)定的1.05，即表明該設(shè)計(jì)滿足要求。

圖6 抗浮錨桿被整體拔出的計(jì)算簡圖

3.2.2 抗浮錨桿構(gòu)造

本次工程中地下結(jié)構(gòu)采用整體澆筑成型的施工方式。抗浮錨桿一部分插入巖土中，另一部分被混凝土包裹。后期受到地下水侵蝕和浮力作用，很容易出現(xiàn)銹蝕問題，并且在底板與墊層的相接位置，出現(xiàn)不同程度的裂縫，后期地下室容易出現(xiàn)滲漏問題。因此，為了提高抗浮錨桿的穩(wěn)定性，需要對其構(gòu)造進(jìn)行改良。一種便捷、有效的方法，是在抗浮錨桿的表面涂刷一層環(huán)氧樹脂漆，具有耐抗、防銹等作用。還有一種措施則是在錨桿與孔口之間，增設(shè)橡膠止水塞或者是止水鋼板，可以起到更為理想的加固效果。除了采取外部防腐措施外，還可以從錨桿本身出發(fā)，例如選擇和安裝錨桿時(shí)，應(yīng)提前檢查錨桿與錨頭連接是否牢固，錨桿本身有無劃傷、彎曲等問題。

4 結(jié)論

在現(xiàn)代建筑中，附建式地下室逐漸成為一種標(biāo)準(zhǔn)配置，在增加建筑使用面積、拓展建筑實(shí)用功能的同時(shí)，如何保證地下室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定也成為設(shè)計(jì)人員和施工部門必須要考慮的問題。抗浮錨桿的使用對解決地下室上浮失效問題有明顯作用，通過合理調(diào)節(jié)錨桿間距、進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算和結(jié)構(gòu)改良設(shè)計(jì)，有助于提升其穩(wěn)定性。除此之外，還要針對不同的建筑形式，如地下車庫、下沉式庭院等，分別制定差異化的設(shè)計(jì)方案，才能切實(shí)保障地下室的抗浮效果，以及維護(hù)整體建筑安全。