淺談某坡地建筑地下室抗浮設(shè)計(jì)

姜萬(wàn)民JIANG Wan-min；梁棟 LIANG Dong

（①同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司安徽分公司，合肥 230000；②中建八局第二建設(shè)有限公司，濟(jì)南 250000）

1 工程概況

本項(xiàng)目為蚌埠市新城試驗(yàn)學(xué)校教育集團(tuán)虎山校區(qū)綜合樓項(xiàng)目，項(xiàng)目位于安徽省蚌埠市蚌山區(qū)，規(guī)劃路與貨場(chǎng)五路交匯處東南側(cè)，虎山路東路以西。總用地面積約5.5 萬(wàn)平，總建筑面積約6 萬(wàn)平。其中綜合樓為四層，右側(cè)半幅帶地下室，采用框架結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)設(shè)防類，設(shè)防烈度為7 度（0.1g），抗震分組為第一組，地震作用按照7 度（0.15g）進(jìn)行設(shè)計(jì)，場(chǎng)地特征周期為0.35s（二類），抗震等級(jí)按照8 度確定。建筑抗浮工程設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為1.05。擬建場(chǎng)地地勢(shì)開(kāi)闊，稍有起伏，最大高差為7.24m，地下水較為充沛，由地勘報(bào)告可知，抗浮水位取室外地面以下1m，由于存在較大高差，抗浮設(shè)計(jì)需考慮選擇較為合適的抗浮水位及抗浮設(shè)計(jì)方案，既要保證結(jié)構(gòu)安全，又要考慮節(jié)省材料。建筑剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 建筑剖面圖

2 抗浮水位的確定

對(duì)于地下室抗浮設(shè)計(jì)首先應(yīng)確定抗浮水位，當(dāng)抗浮水位確定以后，可以通過(guò)地下室基礎(chǔ)的底部高度確定水頭高度，水頭高度確定后方可進(jìn)行浮力作用的計(jì)算，本項(xiàng)目屬于坡地建筑，地面標(biāo)高隨坡地變化較大，抗浮水位對(duì)設(shè)計(jì)影響較大，因此應(yīng)綜合考慮抗浮水位。

2.1 主體結(jié)構(gòu)條件

由建筑方案設(shè)計(jì)條件可知，綜合樓主樓右側(cè)從10 軸到17 軸有地下車庫(kù)，地庫(kù)底板頂標(biāo)高為-10.300m，主體結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)主要功能為教室，設(shè)計(jì)時(shí)恒荷載主要是樓面鋪裝，結(jié)構(gòu)自重及填充墻重量，有地基基礎(chǔ)規(guī)范可知，抗浮設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮恒荷載產(chǎn)生的有利作用?？蚣芙Y(jié)構(gòu)豎向傳力構(gòu)件為框架柱，標(biāo)準(zhǔn)柱距為8.4m，間距較大，考慮基礎(chǔ)底板豎向作用的滯后效應(yīng)，板跨中部位抗浮作用較小，因此需要考慮底板的抗浮強(qiáng)度。由于建筑需要部分框架柱并不延申至屋面，只存在于地下一層或一層，上部恒載傳遞下來(lái)的抗力減少，因此此部分基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行抗浮計(jì)算，驗(yàn)算是否滿足抗浮要求。

2.2 場(chǎng)地地下水條件

由虎山學(xué)校地勘報(bào)告可知，鉆探揭露，本場(chǎng)地在15m深度范圍內(nèi)，對(duì)本工程有影響的主要包含兩個(gè)地下含水層組，第一含水層組，地下水類型屬于上層滯水，主要分布于第一層土及地下伏粉質(zhì)粘土層上部裂隙中，其水量受地表水控制，以地表水的垂直滲透補(bǔ)給為主。初見(jiàn)水位與穩(wěn)定水位埋深基本一致，在0.7~5.8m。第二含水層組：地下水類型屬于承壓水，主要分布于三層全風(fēng)化花崗巖和四層強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖中，以水平徑向流動(dòng)補(bǔ)給為主。穩(wěn)定水位為3.6~10.5m。地下水條件較為豐富，水量充沛，對(duì)結(jié)構(gòu)地下室抗浮較為不利。

2.3 確定抗浮水位

勘報(bào)告中給出抗浮設(shè)計(jì)水位為室外地面以下1m，由于地下室頂板高度為34.300m，但是地形為從10 軸到17軸為逐漸下降，高差為約有4.5m，因此需充分考慮抗浮水位，以免造成抗抗浮的不足，或者抗浮考慮過(guò)多造成浪費(fèi)。針對(duì)這種坡地的實(shí)際情況，采用分段確定抗浮水位的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，地下室左端擋墻10 軸處開(kāi)始考慮抗浮，此軸建筑地面標(biāo)高為37.800m，因此將10 軸上框架柱的抗浮水位定為36.800m，17 軸抗浮水位為32.300m，有兩者之間進(jìn)行線性內(nèi)插，每隔8.4m 取一個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間取相應(yīng)的最高水位為抗浮水位，因此10 軸抗浮水位為36.8m，11 軸與10 軸相聚4.2m，水位取36.8m，與10 軸相同；12 軸取抗浮水位為36.500m；13 軸抗浮水位取35.500m。15 軸以后抗浮水位全部位于基礎(chǔ)底板以下，因此不在考慮15 軸以后的抗浮。

水頭計(jì)算時(shí)，應(yīng)取基礎(chǔ)底面的標(biāo)高，基礎(chǔ)為下柱墩設(shè)計(jì)，底面標(biāo)高不相同，因此統(tǒng)一取基礎(chǔ)高度為1.4m。抗浮水位及基礎(chǔ)底板確定后可計(jì)算浮力作用。

3 抗浮方案對(duì)比

依據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)條件及建筑條件，選取12 軸交E 軸框架柱進(jìn)行試算，柱距為8.4×8.4m，防水板厚為500mm，柱墩厚尺寸為4.8×4.8m，柱墩厚度為400mm，經(jīng)分段計(jì)算可得地下水位可取33.500m，地庫(kù)防水板底標(biāo)高為27.3m，計(jì)算可得總浮力為：

由盈建科軟件計(jì)算得到上部結(jié)構(gòu)恒載為2179kN，混凝土容重取23kN/m3底板及柱墩混凝土質(zhì)量為：

則由地基規(guī)范5.4.3 條抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)取1.05，則有：

即所需抗力為：

由地勘報(bào)告及地庫(kù)底板標(biāo)高可知持力層可選擇④層強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖，分別進(jìn)行抗拔樁、抗浮錨桿及混凝土壓重的設(shè)計(jì)，并對(duì)比幾個(gè)方案的的工期與造價(jià)。

3.1 抗拔樁計(jì)算

選取第④層強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖為持力層，抗拔樁采用PHC 400AB 95 預(yù)制樁，由于地勘報(bào)告中未給出相關(guān)極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，依據(jù)樁基規(guī)范表5.3.5-1 取qsik=110kPa。

假定群樁呈現(xiàn)非整體破壞，由樁規(guī)5.4.6-1 取12m 長(zhǎng)樁基計(jì)算抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為：

又有5.4.5 條非整體破壞時(shí)樁基的抗拔承載力為：

則所需要的樁數(shù)量為三顆樁。

3.2 錨桿計(jì)算

本工程抗浮采用抗拔錨桿，錨桿孔直徑d＝200mm，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度6.5m，配筋為3 根25。錨桿鉆孔內(nèi)采用M30 水泥砂漿填實(shí)，抗浮錨桿有效錨固長(zhǎng)度為6.5m。

由地勘報(bào)告地下室抗浮錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)建議值取一次常壓注漿強(qiáng)度為120kPa。根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》第4.6.8 及4.6.10 條規(guī)定：

由式4.6.8.2 有：

由式4.6.10 有；

綜上，單根錨桿抗拔承載力設(shè)計(jì)值取200KN，則所需錨桿數(shù)量為7 根。

3.3 混凝土壓重計(jì)算

取混凝土容重為23kN/m3，則浮容重為13kN/m3，則有所需混凝土壓重高度為H=1231/（8.4*8.4*13）=1.35m，當(dāng)采用壓重措施時(shí)，需要將地庫(kù)底板繼續(xù)下挖，因此挖方工作量較大，又由于本地下室設(shè)計(jì)時(shí)，抗浮水位的選采用的隨坡度變化計(jì)算，因此底板所受浮力大小存在差異，使用壓重措施時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)。

選取上文設(shè)計(jì)區(qū)域進(jìn)行成本工期核算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 抗浮方案對(duì)比

通過(guò)對(duì)工期、成本、方案可行性三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在工期方面，樁由于施工工藝復(fù)雜，施工養(yǎng)護(hù)周期較長(zhǎng)因此當(dāng)單純作為抗拔樁使用時(shí)在成本工期方面無(wú)較大優(yōu)勢(shì)，本項(xiàng)目基礎(chǔ)持力層為二層粉質(zhì)粘土層，承載力特征值為230kPa，本建筑為多層建筑，總層數(shù)為5 層，地基承載力滿足要求，無(wú)需設(shè)計(jì)抗壓樁，當(dāng)僅作為抗拔樁使用時(shí)，造價(jià)較高?？垢″^桿在成本及施工便利性方面具有較好的優(yōu)勢(shì)，地基承載力滿足要求，僅考慮抗拔設(shè)計(jì)，抗浮錨桿具有較好的抗浮效果。采用混凝土壓重方案，會(huì)加深開(kāi)挖深度，加大工作量，深度增加后對(duì)抗浮更為不利，因此壓重設(shè)計(jì)的抗浮效果并不理想，總體成本及工期增加較多，因此壓重方案并不合適，綜上所述，抗浮錨桿最為合理。

4 地下室抗浮設(shè)計(jì)

由上文分析可知采用抗浮錨桿進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)最為合理，上文中已經(jīng)對(duì)抗浮錨桿計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)的講解，因此本部分主要針對(duì)地下室進(jìn)行抗浮錨桿的設(shè)計(jì)，主要考慮抗浮錨桿的盈建科軟件計(jì)算設(shè)計(jì)方法及其布置方案。

4.1 確定抗浮設(shè)計(jì)位置

本項(xiàng)目采用盈建科3.0.1 進(jìn)行地下室抗浮設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行整體抗浮設(shè)計(jì)，即在軟件中輸入相關(guān)水位軟件可自動(dòng)算出整體抗浮滿足要求。當(dāng)整體抗浮計(jì)算滿足要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行局部抗浮設(shè)計(jì)，由于規(guī)范所給抗浮設(shè)計(jì)為穩(wěn)定設(shè)計(jì)，地庫(kù)底板為鋼筋混凝土材料，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行局部強(qiáng)度驗(yàn)算，驗(yàn)算過(guò)程如下，采用盈建科軟件在上部結(jié)構(gòu)中將活載全部刪除，只留恒載，混凝土材料容重選取為23kN/m3，運(yùn)行計(jì)算后，選取標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算值，對(duì)于地下一層的墻柱，可以選取軸向荷載進(jìn)行查看：重新復(fù)制地庫(kù)計(jì)算模型，在盈建科軟件中保留地下部分，將計(jì)算所得的水浮力反向輸入為面荷載，均布于底板上，此時(shí)混凝土容重取0，運(yùn)行計(jì)算，得到標(biāo)準(zhǔn)值下的墻柱軸力，將兩次計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行做差，當(dāng)存在負(fù)值時(shí)，表示此柱抗浮不足，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。

4.2 錨桿計(jì)算布置

對(duì)需要進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)墻柱，由計(jì)算所得的荷載值除以錨桿承載力，可以得到每根柱子所遇的錨桿數(shù)量，將計(jì)算所需的數(shù)量盡量均勻的布置在基礎(chǔ)下面，滿足規(guī)范間距要求，將錨桿置于基礎(chǔ)以下，可以明確傳力路徑，取得較好的設(shè)計(jì)效果。

4.3 抗浮錨桿構(gòu)造措施

當(dāng)基礎(chǔ)截面較小，滿足錨桿間距的條件下無(wú)法全部布置在基礎(chǔ)下時(shí)，可將錨桿布置于防水板下，本項(xiàng)目防水板厚度厚度只有500mm，為滿足鋼筋的錨固強(qiáng)度，因此考慮在錨桿上部設(shè)計(jì)將防水板加厚至700mm，加厚區(qū)應(yīng)寬出錨桿200mm，滿足保護(hù)層要求，通過(guò)增加防水板厚度，錨桿抗拔承載力具有較好的保證，滿足承載力及耐久性的設(shè)計(jì)需要。錨桿大樣詳見(jiàn)圖2。

圖2 錨桿大樣

5 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)某坡地建筑地下室進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述了通過(guò)采用隨室外坡地標(biāo)高變化確定抗浮水位，通過(guò)對(duì)比抗拔樁、抗浮錨桿、以及混凝土壓重措施的造價(jià)工期等因素，對(duì)比得到抗浮錨桿在造價(jià)及施工工期方面具有較大優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)本項(xiàng)目對(duì)地下室進(jìn)行抗浮錨桿設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)方法，確定單根錨桿的承載力及所需的抗浮位置，進(jìn)行布置錨桿及抗浮構(gòu)造措施，最終取得了較好的設(shè)計(jì)效果，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全需要，節(jié)省造價(jià)，縮短工期。