巖溶強(qiáng)發(fā)育條件下抗浮設(shè)計(jì)與探究

王佳煒

(貴州省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

抗浮設(shè)計(jì)是地下室設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，在實(shí)際工程中解決抗浮的現(xiàn)行措施主要是“抗和放”兩種思路，所謂“抗”有壓重抗浮法、結(jié)構(gòu)抗浮法、錨固抗浮法；“放”有排水限壓法、泄水降壓法、隔水控壓法。不同的抗浮方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，雖然《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2011)[1]、《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)[2]、《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》(CECS22：2005)[3]等規(guī)范對(duì)抗浮措施及設(shè)計(jì)有規(guī)定，眾多文獻(xiàn)也進(jìn)行相關(guān)探索，但這些規(guī)范或規(guī)程未在統(tǒng)一框架內(nèi)編制，實(shí)際工程運(yùn)用中易令人混淆，對(duì)抗浮設(shè)計(jì)缺乏統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。2020年3月1日正式實(shí)施的《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 476—2019)[4]，有望一并解決上述問(wèn)題。為此在本案例地下室抗浮設(shè)計(jì)中，結(jié)合具體情況尋求相應(yīng)的設(shè)計(jì)思路，采用精度較高的有限元計(jì)算模型進(jìn)行抗浮計(jì)算與分析。

1 工程概況

某工程位于貴州省貴陽(yáng)市，融合婦幼保健院、醫(yī)技共享中心、微創(chuàng)手術(shù)中心、醫(yī)美中心為一體的醫(yī)療建筑群。建設(shè)用地面積約40000 m2，總建筑面積約110000 m2，地下面積約35000 m2。地下2層，地上有5棟建筑單體組成，最高的單體為11層，最低單體為5層，項(xiàng)目鳥(niǎo)瞰圖如圖1所示。本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為6度(0.05 g)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為II類，特征周期為0.35 g，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，本案例位于溶蝕殘丘-洼地地貌區(qū)，原自然地面西高東低，場(chǎng)地位于坡度較緩的山腳處。場(chǎng)地土為穩(wěn)定基巖，場(chǎng)地類別為Ⅱ類場(chǎng)地，建議以中風(fēng)化灰?guī)r為地基持力層，其地基承載力特征值為3500 kPa，側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值800 kPa。根據(jù)場(chǎng)地抽水試驗(yàn)結(jié)果，場(chǎng)地穩(wěn)定地下水位高于地下室底板5.8 m?？辈爝^(guò)程中共計(jì)鉆勘645個(gè)地基柱位勘察鉆孔，有147個(gè)鉆孔遇溶洞，遇洞隙率22.7%。場(chǎng)地溶洞、裂隙比較普遍，巖面傾斜較大，且?guī)r溶串珠發(fā)育較為明顯，為典型的巖溶強(qiáng)發(fā)育地段。

本案例上部結(jié)構(gòu)均為框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式比較常規(guī)，設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要是在場(chǎng)地巖溶強(qiáng)發(fā)育且抗浮水位較高，上部荷載差別較大且地下室面積較大等諸多不利條件下考慮抗浮設(shè)計(jì)。

2 解決思路

抗浮設(shè)計(jì)的解決思路基本都是圍繞整體抗浮和局部抗浮兩個(gè)思路來(lái)開(kāi)展工作，由于本項(xiàng)目上部結(jié)構(gòu)荷載差異較大，只有場(chǎng)地北側(cè)高層區(qū)域滿足整體抗浮，其余區(qū)域均不滿足《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》G/Nw，k≥Kw整體抗浮的要求，若不采取相應(yīng)的措施抵抗浮力，則結(jié)構(gòu)會(huì)喪失穩(wěn)定，通俗的說(shuō)是在水中“浮起來(lái)”。所以在不滿足整體抗浮的區(qū)域，結(jié)合場(chǎng)地情況分別考慮了抗拔樁和抗浮錨桿。

解決整體抗浮后，可視結(jié)構(gòu)內(nèi)全體豎向構(gòu)件均滿足抗拔承載力，結(jié)構(gòu)內(nèi)每根柱子均可被相應(yīng)從屬面積內(nèi)的重量“壓得住”，或通過(guò)可靠的抗拔措施保證“拔不出”。那么結(jié)構(gòu)底板可簡(jiǎn)化變形模式計(jì)算，結(jié)構(gòu)內(nèi)每根柱都可作為底板的一個(gè)支點(diǎn)，柱從屬面積內(nèi)的重量不足以把該柱“壓得住”，于是該柱從屬區(qū)域的底板會(huì)存在向上的變形，因此需要結(jié)合浮力的受荷面積，充分考慮底板的局部抗浮問(wèn)題。為此可通過(guò)計(jì)算利用底板配筋和底板截面厚度來(lái)提供抗力。

3 本案例中抗浮設(shè)計(jì)若干要點(diǎn)

3.1 因地制宜在同一工程中采用不同的抗浮錨固結(jié)構(gòu)

抗浮治理方案的選擇及優(yōu)化需要綜合考慮工程特點(diǎn)、地質(zhì)條件、場(chǎng)地條件和環(huán)境等因素，同時(shí)要滿足被錨固體變形、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的要求，以保證選擇最優(yōu)的抗浮方案。結(jié)合本項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)中風(fēng)化灰?guī)r持力層西淺東深，加之上部建筑高差較大，基底反力懸殊較大，以至于大部分區(qū)域不滿足整體抗浮。因此結(jié)合場(chǎng)地持力層的深淺及是否滿足整體抗浮等因素，因地制宜綜合考量，地下室西側(cè)采用防水板(板厚500 mm)+抗浮錨桿，地下室東側(cè)采用防水板(板厚650 mm)+抗拔樁，同時(shí)結(jié)合整體抗浮的計(jì)算，在上部自重不能滿足整體抗浮的區(qū)域采用抗拔樁或柱下獨(dú)立基礎(chǔ)+抗浮錨桿，具體抗浮布置詳見(jiàn)圖1。

圖1 地下室底板抗浮布置情況Fig.1 Anti-floating layout of the basement floor

本案例的抗浮結(jié)構(gòu)布置采用集中式布置和分布式布置兩種，分布式布置即將抗浮錨桿均勻布置，或布置在墻柱之間。其優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)地下結(jié)構(gòu)底板上部荷載的不均勻分布與浮力的平衡關(guān)系，利用抗浮錨桿進(jìn)行荷載合理平衡，達(dá)到整體抗浮穩(wěn)定的要求，并使底板受力更小和更為均勻，變形及裂縫控制更為理想，底板厚度相對(duì)較小。集中式布置，主要來(lái)自抗浮樁的理念，即將抗浮樁集中布置在柱下，其優(yōu)點(diǎn)是可利用柱下基礎(chǔ)較高承載力進(jìn)行荷載傳遞，基礎(chǔ)錨固可靠，受力路徑簡(jiǎn)單，不過(guò)基礎(chǔ)底板柱間跨中區(qū)域浮力需靠結(jié)構(gòu)底板傳遞，底板受力及局部彎曲較大，造成底板厚度加大。本案例按上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基-抗浮錨桿共同作用理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，因地制宜在同一工程中采用不同的抗浮錨固結(jié)構(gòu)，考慮場(chǎng)地持力層深度、荷載平衡、剛度調(diào)平，做到抗浮設(shè)計(jì)最為經(jīng)濟(jì)和有效。

3.2 抗浮錨桿布置及錨固長(zhǎng)度的考慮

在抗浮錨桿的布置方面，首先是結(jié)合場(chǎng)地中風(fēng)化完整巖石的條件，在場(chǎng)地東側(cè)完整巖石基本超過(guò)地下室底板，充分利用上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向荷載抵消自平衡區(qū)域內(nèi)的水浮力，再相對(duì)均勻布置錨桿。一方面可有效發(fā)揮錨桿的抗拔作用，另一方面可減小底板的計(jì)算跨度，由此底板承受的彎矩和剪力也隨之大大減小。

在錨桿計(jì)算主要包括以下兩個(gè)方面，一是錨桿與防水板之間共同受力的計(jì)算，二是錨桿自身錨桿承載力及錨固長(zhǎng)度的計(jì)算。

(1)錨桿與防水板之間共同受力的計(jì)算

其計(jì)算思路主要包括兩種：一種是倒樓蓋計(jì)算模型，該計(jì)算模型主要將上部豎向構(gòu)件框架柱為不動(dòng)支座，其豎向位移為零，基礎(chǔ)之間沒(méi)有沉降差異，并將錨桿假定為彈簧支座；底板只承擔(dān)自重、板頂荷載和水浮力，最后按雙向板分析方法計(jì)算錨桿受力和底板配筋。另一種是有限元計(jì)算模型，該計(jì)算模型將上部結(jié)構(gòu)剛度與荷載凝聚到與下部基礎(chǔ)相連的節(jié)點(diǎn)上，將水浮力和錨桿分別模擬為外荷載和彈簧支座。最后通過(guò)底板與錨桿之間的剛度分配及有限元計(jì)算得出錨桿受力和底板配筋。本案例釆用有限元分析模型進(jìn)行抗浮計(jì)算，能夠綜合考慮上部結(jié)構(gòu)、底板和錨桿之間協(xié)同工作，并能夠準(zhǔn)確模擬水浮力和上部荷載的相互關(guān)系，支座關(guān)系也更加真實(shí)。同時(shí)分析模型中抗浮錨桿的布置，基本是在豎向荷載抵消自平衡區(qū)域外，按2 m×2 m的間距計(jì)算分析，其最終的結(jié)果可直接指導(dǎo)施工圖的繪制。

(2)錨桿自身錨桿承載力及錨固長(zhǎng)度的計(jì)算

從現(xiàn)場(chǎng)施工的可實(shí)施性及成孔的經(jīng)濟(jì)性，抗浮錨桿的直徑取180 mm；為充分利用錨桿縱筋抗拉強(qiáng)度并依據(jù)保護(hù)層厚度要求，錨桿內(nèi)置縱筋2C32(As=1607 mm)，底板厚度h0取500 mm，其混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，抗浮水頭WQ為5.8 m，由此進(jìn)行錨桿各參數(shù)計(jì)算。

結(jié)合《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]第8.6.3條，雖然Rt應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，設(shè)計(jì)階段先初步確定單根錨桿抗拔承載力特征值，由此可知：Rt≤0.8πd1lf=0.8*3.14*0.18*2*400=361 kN。同時(shí)根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]第3.2.4條要求，驗(yàn)算普通錨桿承載力特征值，由此可知：R=fyAs/l.35=360×1607/1.35=428 kN。取兩式中較小值，最終單根錨桿抗拔承載力特征值為361 kN，均大于有限元模型中每一根錨桿的計(jì)算結(jié)果。

結(jié)合《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.8.6條，由于巖石錨桿錨固段的抗拔承載力，應(yīng)按照本規(guī)范附錄M的試驗(yàn)方法經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)確定。設(shè)計(jì)階段暫按永久性錨桿進(jìn)行設(shè)計(jì)，待現(xiàn)場(chǎng)原位檢測(cè)的結(jié)果明確后在再進(jìn)行修正，由此hr=Rt/ξfur=361/0.8*400*3.14*0.18=2 m，最終本工程的抗浮錨桿節(jié)點(diǎn)大樣如圖2所示。

圖2 抗浮錨桿節(jié)點(diǎn)大樣Fig.2 Large sample of anti-floating bolt joint

3.3 受力島集中現(xiàn)象

值得注意的是地下室底板按防水板考慮后，在水浮力的作用下類似一個(gè)“倒樓蓋”的模型，與無(wú)梁樓板的受力模式比較相似，即板式樓蓋的受力呈現(xiàn)島狀特性：內(nèi)力向柱端集中，柱端負(fù)彎矩較大，且負(fù)彎矩不局限于柱間板帶，呈豐滿的環(huán)狀分布，同時(shí)跨中正彎矩相對(duì)較小。無(wú)梁樓板在柱端剛度相對(duì)較大，使得島狀特性更加明顯[6]。

本工程中有限元分析模型中，網(wǎng)格劃分尺寸為500 mm，從分析結(jié)果可以明顯看出，地下室底板在框架柱區(qū)域，板底負(fù)彎矩較大。從柱中心點(diǎn)的網(wǎng)格依次往外擴(kuò)散到四周第三個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的彎矩值，在數(shù)值的大小上基本是2倍、3倍、5倍的關(guān)系，分析結(jié)果詳見(jiàn)圖3。即便是柱下有樁基礎(chǔ)，但樁基礎(chǔ)的最大截面為2 m，基本只能涵蓋到第二個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。由于受力島現(xiàn)象產(chǎn)生的彎矩，仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于底板的雙層雙向配筋的承載力，為此本項(xiàng)目還在樁基礎(chǔ)或平面相對(duì)較小的柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的位置，在板底4 m×4 m的區(qū)域增設(shè)鋼筋網(wǎng)片，通過(guò)這一系列的加強(qiáng)措施有效地解決局部區(qū)域受力島的問(wèn)題。

圖3 底板受力分析結(jié)果Fig.3 Stress analysis results of the bottom plate

4 結(jié)語(yǔ)

(1)抗浮設(shè)計(jì)應(yīng)因地制宜，結(jié)合場(chǎng)地持力層深度、抗浮設(shè)防水位、荷載平衡、剛度調(diào)平等因素綜合考慮，在同一工程中采用不同的抗浮錨固結(jié)構(gòu)，做到抗浮設(shè)計(jì)最為經(jīng)濟(jì)和有效。

(2)抗浮錨桿錨固段注漿體與地層(巖土體)間的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，在無(wú)試驗(yàn)資料時(shí)，可參照《勘察報(bào)告》中提供的數(shù)據(jù)或建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的參考值。最終單根錨桿抗拔承載力的特征值，必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位抗拔試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行復(fù)核和調(diào)整。

(3)充分認(rèn)識(shí)防水板與框架柱“倒樓蓋”的島狀受力特性，有針對(duì)性地在一些關(guān)鍵受力部位進(jìn)行加強(qiáng)，有效減少混凝土用量、鋼筋用量，能改善結(jié)構(gòu)受力性能。

(4)抗浮工程設(shè)計(jì)和施工必須具有一定的前提支撐性依據(jù)，做到有的放矢。尤其是地下水浮力問(wèn)題，影響因素眾多、變化萬(wàn)千，因此必須在具備一定依據(jù)資料的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)和施工。