高層建筑附建式地下室抗浮設計方法探究

曹安群

(蚌埠市規(guī)劃設計研究院，安徽 蚌埠 233000)

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)化進程的推進，高層建筑成為城市建筑發(fā)展的主流。同時，地下空間的開發(fā)和利用力度越來越大，高層建筑附建式地下室抗浮設計的重要性日益凸顯，本文以此類地下室的抗浮設計為方向進行了闡述與研究。

1 抗浮設計

1.1 抗浮設計水位

抗浮設計水位是建筑結(jié)構(gòu)抗浮設計的重要基本參數(shù)。目前，抗浮設計水位主要通過兩種途徑獲?。阂皇怯身椖康目辈靻挝辉趲r土工程勘察報告中提供；二是對于特別重要的工程或是缺少歷史水文資料的工程，由建設方委托勘察單位出具抗浮設計水位論證報告，并組織相關(guān)專家進行專項論證。

1.2 抗浮設計內(nèi)容

高層建筑附建式地下室的抗浮設計分為整體抗浮和局部抗浮。整體抗浮是取整個地下室為分析對象，即地下室的自重、壓重和抗浮構(gòu)件提供的抗浮力之和大于水的浮力?！督ㄖ鼗A設計規(guī)范》(GB 50007—2011)第5.4.3條給出了簡單水浮力作用情況下，基礎整體抗浮穩(wěn)定性的設計要求：

GkNw,k≥Kw

式中：Gk為建筑物自重及壓重之和；Nw,k為水浮力作用值；Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般情況取1.05。

局部抗浮是結(jié)構(gòu)的整體抗浮滿足上述要求，而局部的基礎底板因為水浮力超過抗浮力而引起的上浮。局部抗浮不滿足要求會導致基礎底板向上變形，嚴重時會導致底板隆起開裂、柱身剪切破壞、柱的縱筋壓屈等破壞。

基礎的抗浮穩(wěn)定性不滿足要求時，可以綜合采用增加壓重、設置抗浮構(gòu)件、降低地下水位等措施。整體抗浮滿足而局部抗浮不滿足時，也可采用增加基礎底板厚度與配筋等加大基礎剛度的措施。

2 抗浮措施

2.1 增加壓重

當?shù)叵率业慕Y(jié)構(gòu)自重和已有壓重之和略小于水浮力作用值時，可采用增加壓重抗浮，其方法主要有：

方法一：增大地下室頂板的壓重。一般是加大地下室頂板的覆土厚度，該方式還可以解決上部市政管道的鋪設、城市綠化建設等問題。

方法二：在地下室內(nèi)回填容重較大的材料。一般采用基坑開挖產(chǎn)生的原狀土、素混凝土及鋼渣混凝土等，其容重應取相應材料的較小值。

方法三：借助高層建筑結(jié)構(gòu)的自重作為間接壓重。對于大型寫字樓和高層住宅小區(qū)的附建式地下室，其上部主樓部分的重量遠大于相應范圍內(nèi)的水浮力，可以通過增加主樓周邊基礎底板厚度和梁柱構(gòu)件剛度的方式，使上部主樓的重量有效地向外擴散，以此增大主樓周邊地下室的重量。

增加壓重抗浮的方式施工便捷、安全可靠且管理成本較低，具有明顯優(yōu)勢。但仍存在一定的弊端，當?shù)叵率宜艿乃×^大時，采用該方式需要使用較厚的壓重材料，且要降低地下室層高或增大基礎埋深而造成建造成本增加或水浮力增大。

2.2 抗拔構(gòu)件

地下室抗浮設計中使用較多的抗拔構(gòu)件有抗拔樁和抗拔錨桿兩種。

抗拔樁主要是利用樁身自重與樁側(cè)的摩阻力提供抗拔力，按施工工藝可分為鉆孔灌注樁、預制管樁等樁型種類。工程實踐中，實際的地下水位一般低于抗浮設防水位，因而抗拔樁也要求兼作抗壓樁，應重視驗算在低水位下抗拔樁的抗壓承載力?？拱螛对谒×ψ饔孟?，長期處于受拉狀態(tài)，樁身容易發(fā)生裂縫等情況。為避免樁身的鋼筋發(fā)生腐蝕等問題，需要進行樁身混凝土的裂縫寬度驗算，確保在腐蝕性土層中抗拔樁的耐久性?？拱螛兑话悴贾迷谥?，跨內(nèi)的水浮力需要通過基礎底板的變形傳遞至柱下，這就要求基礎底板具有較大的剛度。

抗拔錨桿的受力原理和抗拔樁較為相似，都是利用構(gòu)件與巖土層間的側(cè)摩阻力實現(xiàn)抗拔。普通錨桿和預應力錨桿是工程中較為常見的抗拔錨桿類型。工程實踐中，基礎底板下土層較好或距離巖石層較近等因素為抗拔錨桿適宜的應用條件。相較于抗拔樁，抗拔錨桿可布置在跨內(nèi)，特別適用于局部抗浮不滿足要求的情況。因為抗拔錨桿在拉壓往復受力的狀態(tài)下容易失效，所以抗拔錨桿應避免布置在柱下，以免抗拔錨桿受壓。由于季節(jié)更替會導致地下水位變化，因而抗拔錨桿的拉力也會隨之變化，普通錨桿在此情況下容易出現(xiàn)變形失效等問題，可能造成底板和地基土脫空，導致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全隱患。預應力抗拔錨桿雖然不易出現(xiàn)上述問題，但其在水位較低時的初始拉力，容易造成底板發(fā)生向下的變形而出現(xiàn)底板拉裂的情況。抗拔錨桿具有受力合理、施工便捷、造價較低等優(yōu)勢條件，實際應用較為廣泛。

2.3 降低地下水位

相較于增加壓重、設置抗拔構(gòu)件等方法，降低地下水位主要作為既有地下室受到水浮力破壞時的處理措施。具體方法是在地下室周邊設置永久降水井點、隔水帷幕及排水溝等，以達到降低地下水位，減小水浮力的效果。采用此方法長時間降低地下水位時需要注意對周邊建筑物的影響，防止因地下水位降低導致的附加地基沉降變形影響周邊建筑物。

3 抗浮設計實例

3.1 工程概況

某住宅小區(qū)，地上為4棟17～19層的高層住宅，地下1層為連為一體的地下室。地下室平面尺寸約為158 m×86 m，層高3.8 m，主要功能為地下車庫。本工程抗浮設計水位為-0.8 m，地下室頂板覆土厚度為1.6 m。主樓部分采用樁筏基礎，筏板厚度為950 mm；地下室部分采用筏形基礎，筏板厚度為400 mm，局部增設下柱墩以滿足抗沖切承載力要求，柱墩厚度為600 mm；筏板頂面標高為-5.5 m。

3.2 抗浮設計過程

本工程水浮力作用值Nw,k為43 kN/m2，建筑物自重及壓重之和Gk為78.6 kN/m2，Gk/Nw,k=1.83>1.05，整體抗浮滿足要求。但地下室局部自重及壓重不足以抵消水浮力，需采用相應的抗浮措施。本工程單純采用增加壓重的方法已無法滿足局部抗浮要求，因此考慮設置抗拔樁或抗拔錨桿。由于地下室柱網(wǎng)尺寸不大且局部需要使用抗壓樁，最終決定采用抗拔樁。

計算單樁抗拔承載力和每延米混凝土用量時，分別取800 mm、1 000 mm、1 200 mm、1 400 mm四種不同樁徑，樁長均為12 m，計算結(jié)果分別為1 060 kN(0.502 4 m3)、1 340 kN(0.785 0 m3)、1 610 kN(1.130 4 m3)、1 890 kN(1.538 6 m3)。通過對以上計算結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，隨著樁徑的增加，單樁抗拔承載力有所提高，但單位承載力的混凝土用量增幅更大。咨詢本工程的勘察單位了解到，當?shù)剌^大直徑樁的施工經(jīng)驗不多且綜合造價較高。結(jié)合經(jīng)濟性與技術(shù)性的比較，本工程選用樁徑為800 mm的抗拔樁。通過計算，抗拔樁主要布置在框架柱下，且同時滿足低水位下的抗壓承載力要求。

4 結(jié)束語

高層建筑附建式地下室的應用越來越廣泛，相對于整體抗浮，局部抗浮問題容易被忽視，實際工程中需要格外注意。抗浮措施的選擇對地下室抗浮設計的安全性與經(jīng)濟性影響較大，設計時應通過多方案比選，確定經(jīng)濟合理的設計方案。