建筑結構的抗浮設計探討

黃 健， 光 軍

(淄博市規(guī)劃設計研究院， 淄博255037)

0 概述

隨著近幾年政府對生態(tài)環(huán)境的保護力度逐漸加大，地下水位逐年上升。隨著地下水位的不斷上升，原本不需要抗浮設計或者只通過增加配重即可滿足抗浮設計的建筑，現(xiàn)難以滿足抗浮設計要求。近幾年由于地下水位的上升導致的建筑結構破壞案例時有發(fā)生，見圖1。本文主要探討抗浮水位獲取途徑、抗浮設計的計算方法和措施、抗拔樁和抗拔錨桿布置的原則等。通過三個工程實例的抗浮設計剖析，對抗浮設計進行了總結和闡述。

圖1 地下車庫受水浮力的破壞

1 抗浮設計

1.1 抗浮水位

抗浮水位為建筑結構抗浮設計的重要前提條件。目前而言，抗浮水位的獲取主要有兩種途徑：一是由本項目的地質勘察單位在地質勘察報告中提供；二是由建設方委托相關單位(一般為地質勘察單位)出具本項目的抗浮水位論證報告，并經相關專家專項論證?？垢∷坏母吲c低，一般不會造成人身安全，相對于“深基坑”、“高支?！保垢∷煌菀妆缓鲆?。建議抗浮水位應在該項目的地質勘察報告中提出，特別重要的項目應經專家專項論證，方可使用。

1.2 抗浮設計的內容

建筑結構的抗浮設計分為整體抗浮設計和局部抗浮設計。相對于整體抗浮設計，局部抗浮設計往往被忽視而出現(xiàn)問題。有些人認為，只要水位在地下建筑物頂板之上，那么建筑所受到的浮力就是一定的，沒必要提供抗浮水位。 上述觀念對于整體抗浮是正確的，但對于局部抗浮就不適用。舉個例子，把地下建筑物看作潛水艇，其受到的整體浮力是一定的，因為它的體積是不變的；而潛水艇四周艙體鋼板所受到的壓力是隨下潛的深度而增大，這里所說的即為局部抗浮的概念。建筑結構整體抗浮與局部抗浮的區(qū)別見表1，其中Gk為建筑物自重及壓重之和，kN；Nw,k為浮力作用值，kN；Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般情況下可取1.05；Mx,My分別為x,y方向板的總彎矩設計值；q為相應于作用的基本組合時，豎向荷載設計值，kN/m2；lx,ly為等代框架梁的x,y向計算跨度，即柱子中心線之間的間距，m；bce為獨立基礎在計算彎矩方向的有效寬度，m。

整體抗浮與局部抗浮的區(qū)別 表1

2 抗浮措施

2.1 增加配重法

當建筑物自重及壓重之和略小于水浮力作用值時，可采用如下方法抗浮：方法一是增加自身的重量。方法二是在室內回填容重較大的材料，回填材料一般為素土、素混凝土及鐵屑混凝土，材料容重取小值，素土取16kN/m2，素混凝土取22kN/m2；對于鐵屑混凝土在使用前應做好充分調研，核實當?shù)厥欠翊_能生產后，方可使用；就山東省來說，目前尚無采用鐵屑混凝土增加配重的抗浮實例。方法三是基礎底板外挑，利用基礎底板外挑范圍內的覆土達到增加地下建筑自身抗浮配重；由于基礎底板外挑長度有限，因此該方法主要用于橫截面較小的建筑物，如地下管廊、地下水泵房等。

2.2 抗拔樁法

抗拔樁主要分為普通抗拔樁、擴大頭抗拔樁[3]以及后壓漿抗拔樁[3]。《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)中雖然對普通抗拔樁有詳細的介紹，但對擴大頭抗拔樁和后壓漿抗拔樁并未有介紹，現(xiàn)實工程中對于擴大頭抗拔樁和后壓漿抗拔樁已有較多應用。筆者認為，相對于受壓樁，抗拔樁受地質環(huán)境和施工條件等因素影響更大。因此，擴大頭抗拔樁和后壓漿抗拔樁的抗拔極限承載力標準值應乘以0.8的折減系數(shù)，更為合理。

2.3 抗拔錨桿法

抗拔錨桿可分為普通抗拔錨桿和高壓旋噴擴大頭錨桿[4]。對于普通抗拔錨桿，《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007—2011)中僅僅對錨入巖石中的抗拔錨桿進行了介紹，而對于一般項目，基礎底部距離巖石較遠，錨入巖石已無意義。這時，抗拔錨桿就只能錨入土層中，其抗浮計算詳見《全國民用建筑工程設計技術措施》[3]。高壓旋噴擴大頭抗拔錨桿是一種較為新型的抗拔錨桿，其在山東省內已被多個項目應用，并取得了較好的效果。

2.4 降低地下水位法

相對于增加配重法、抗拔樁法、抗拔錨桿法，降低地下水位法主要為既有建筑物受到水浮力破壞時的處理措施。具體處理方式一般在建筑物四周設置永久性的降水井、隔水帶及排水溝等，以此達到降低地下水位，減小水浮力的作用。

3 抗拔樁與抗拔錨桿的布置原則

抗拔樁的布置應根據工程實際情況，具體問題具體分析。首先應根據式(1)，(2)確定框架柱底部的受力狀況。

(1)

Nw,ki=1.05A2Pw,ki

(2)

式中：Gki為各框架柱底部所受自重及壓重之和，kN；Pw,ki為各框架柱底部所受地下水浮力，kN/m2；A1為各框架柱底部自重及壓重所能抵消的地下水浮力的范圍面積，m2；Nw,ki為各框架柱柱距四分之一跨范圍內所受地下水浮力之和，kN；A2為各框架柱柱距四分之一跨范圍內面積，m2。

當Gki≥Nw,ki時，框架柱下應布置抗拔樁，見圖2(a)。反之，應將抗拔樁布置在框架柱范圍面積之外，這樣能有效減小防水板的跨度，降低防水板的厚度，取得較好的經濟性，見圖2(b)。

相對于抗拔樁來說，抗拔錨桿應避免受壓狀況的出現(xiàn)[5]。因為抗拔錨桿在受壓與受拉往復受力狀態(tài)下極易失效，所以抗拔錨桿的布置應避開框架柱，在各框架柱底部自重及壓重所能抵消的地下水浮力的范圍面積A1之外布置，見圖3。由于抗拔錨桿對防水板起不到剛性支點作用，因此在進行防水板厚度計算時，不應考慮抗拔錨桿的支點作用。

圖2 抗拔樁布置示意圖

圖3 抗拔錨桿布置

圖4 地下管廊橫截面

4 工程抗浮設計實例

4.1 某地下管廊的抗浮設計

某地下管廊為單倉管廊，未考慮抗浮時的橫截面見圖4。對于此類地下小型建筑物，其局部抗浮一般都能滿足要求，而整體抗浮卻難以滿足。由于管廊橫截面較小，單純增加配重既不經濟效果又較差。最佳抗浮方法為采用底板外挑，見圖5，圖中管廊橫截面寬度為B，底板外挑長度為b，頂板覆土厚0.5m。取抗浮水位為自然地面，在不同管廊橫截面寬度和不同底板外挑長度下進行整體抗浮計算，結果見表2。

圖5 采用底板外挑的管廊橫截面

管廊橫截面寬度B與底板外挑長度b對整體抗浮影響 表2

從表2中可以得出以下結論：

(1)雖然整體抗浮效果隨著底板外挑長度增加而提高，底板外挑長度b大于2m后再增加其外挑長度，整體抗浮效果提高較小。建議管廊底板外挑長度不宜超過2m。

(2)當管廊橫截面寬度B為6m時的抗浮效果相對于管廊橫截面寬度B為4m時的抗浮效果降低。因此管廊橫截面寬度超過6m時，不建議單純采用底板外挑抗浮。

4.2 某地下交通樞紐的抗浮設計

項目地下2層，局部地上1層，總建筑面積約8.1萬m2，平面尺寸約143m×198m。地下2層柱距9m×9m，層高4.5m，功能為小型汽車停放。地下1層柱距18m×18m，層高7.5m，功能為公交車和出租車換乘及停放。地上1層柱距18m×18m，層高約8.8m，兩端與匝道橋相連，主要功能為機動車落客。本項目使用年限為100年。由于使用功能的要求，地下1層抽掉一部分框架柱，使之成為大跨框架。本工程地下2層、1層的結構平面圖見圖6，7，建筑剖面見圖8?？蚣苤贾靡妶D9。

圖6 地下2層結構平面布置圖

圖7 地下1層結構平面布置圖

圖8 建筑剖面圖

圖9 框架柱布置圖

本項目的抗浮設計水頭為12.66m，通過結構自重的統(tǒng)計，結構自重遠遠小于水浮力，單純采用增加配重法已無法滿足整體抗浮設計。抗浮措施只能從抗拔樁和抗拔錨桿中選取。由于基底距離泥巖層較遠，且泥巖層的極限粘結強度標準值較低。考慮到建筑的使用年限為100年，最終確定使用抗拔樁。

分別取600，800，1 000，1 200mm四種不同樁徑，樁長均取18m，進行抗拔承載力計算，計算結果見表3。通過不同樁徑的計算結果對比發(fā)現(xiàn)，隨著樁徑的增加，抗拔承載力雖有增加，但混凝土的用量相對于抗拔承載力的增幅更大。從經濟性上考慮，抗拔樁應盡量選擇樁徑較小的樁。設計初期選用直徑600mm的抗拔樁，由于基底以下2m左右有分布極其不均勻的膠結碎石層，最薄層處僅有0.6m，平均層厚度為2.51m。通過實地考察和調研，直徑600mm鉆機由于扭矩太小，打不透該膠結碎石層，而直徑800mm鉆機可穿透該土層。綜合考慮，本項目抗拔樁選擇樁徑800mm。

不同抗拔樁徑的混凝土用量及抗拔承載力對比 表3

圖10 抗拔樁布置圖

通過計算，大框架柱下一定范圍內能滿足局部抗浮要求，而小框架柱下一定范圍內無法滿足抗浮要求。因此抗拔樁主要布置在小框架柱下以及大框架柱一定范圍之外的區(qū)域，見圖10。

4.3 某主樓周邊帶地下車庫的抗浮設計

項目主樓為地上4層，地下1層，地下功能為車庫，且地下車庫區(qū)域超出主樓平面，見圖11。

圖11 主樓周邊帶地下車庫平面示意圖

本項目水浮力作用值Nw,k=47kN/m2，通過建筑物自重及壓重之和統(tǒng)計，主樓部分Gk=42.8kN/m2，Gk/Nw,k=0.91<1.05；而地下車庫部分Gk=34.4kN/m2，Gk/Nw,k=0.73<1.05。主樓和周邊車庫部分均不滿足整體抗浮要求，但兩部分Gk與Nw,k差距不大，可通過設置抗拔錨桿抗浮?？拱五^桿布置原則應使主樓部分與周邊車庫部分兩區(qū)域的Gk/Nw,k比值相近，以此達到變形協(xié)調相同的目的[6]。

抗拔錨桿抗拔承載力特征值應根據式(3)[3]、式(4)[3]分別計算，取較小值。

Rt1=ξ1πDlafrb

(3)

(4)

式中：Rt1，Rt2為抗拔錨桿抗拔承載力特征值；D為錨桿錨固段注漿體直徑；la為錨桿錨固段有效錨固長度；frb為錨桿錨固段注漿體與地層的粘結強度特征值；ξ1為經驗系數(shù)，對于永久性錨桿取0.8，對于臨時性錨桿取1.0；λi為第i土層的抗拔系數(shù)；qsia為第i土層的錨桿錨固段側阻力特征值；li為第i土層的錨桿錨固段有效錨固長度。

通過多個項目對比發(fā)現(xiàn)，一般情況下Rt2

通過計算分析，本工程抗拔錨桿采用直徑200mm，抗拔承載力特征值Rt=95kN。主樓部分抗拔錨桿間距約3m×3m，周邊車庫部分抗拔錨桿間距約2m×2m?？拱五^桿的布置應避開框架柱，在各框架柱底部自重及壓重所能抵消的地下水浮力的范圍面積之外布置。

5 結論

(1)當框架柱底所受自重及壓重之和Gki小于框架柱柱距的四分之一跨范圍內所受地下水浮力之和Nw,ki時，框架柱下應布置抗拔樁。反之，應將抗拔樁布置在框架柱范圍面積之外，這樣能有效減小防水板的跨度，降低防水板的厚度，取得較好的經濟性。

(2)相對于抗拔樁來說，抗拔錨桿應避免受壓狀況出現(xiàn)。在進行防水板厚度計算時，不應考慮抗拔錨桿的支點作用。

(3)建議地下管廊底板外挑長度不宜超過2m。當管廊橫截面寬度超過6m時，建議不要單純采用底板外挑抗浮措施。

(4)隨著樁徑的增加，抗拔承載力雖有增加，但混凝土的用量相對于抗拔承載力的增幅更大。從經濟性上考慮，抗拔樁應盡量選擇樁徑較小的樁。