中冶长天国际工程有限责任公司建筑公司湖南长沙 410007
摘要：随着国家经济的快速发展，建筑从地上和地下两个空间方向发展，地下构筑物开始广泛应用，地下水位对地下构筑物的正常使用、经济合理性、施工周期等存在很大的影响。本文拟针对地下构筑物的抗浮设计问题，结合工程实例，对常见的几种抗浮方案进行比较，选择经济合理的抗浮方案，为其他类似工程提供参考。
关键词：抗浮设计；水浮力；抗拔锚杆；抗拔桩；排水盲沟
前言
随着我国经济的快速发展，城镇化建设加速，建筑行业成为国家经济发展的支柱产业，建筑从地上慢慢发展到了地下，因忽视抗浮设计，造成地下水的水浮力对地下构筑物的破坏，出现结构底板外墙裂缝、底板隆起或地下室整体上浮等情况，对地下构筑物使用带来了严重影响，导致重大的经济损失。因此，在进行地下构筑物设计时，抗浮设计是其中一个关键问题。抗浮设计是根据地下水位的高低，结合建筑物的上部自重和建筑物上部压重（覆土等）来确定建筑物能承受水浮力的一种设计方案。目前，一般采用以下几种方案来解决地下室的抗浮问题：一是利用设置抗拔桩或抗拔锚杆来抵抗水浮力；二是利用结构自身自重或增加结构荷载来抵抗水浮力；三是通过渗排水层、排水盲沟排水减压，降低地下水标高减小水浮力。下面笔者就结合几个工程实例，将上述几种方法应用到工程实例中。
1.工程实例
（1）某两层地下车库——采用抗拔桩抵抗水浮力
本工程为地下两层地上两层商业的框架结构。设计标高±0.000相当于绝对标高 70.000米。拟建场地位于长沙市红星村井湾子家具城A栋南侧，原始地貌单元为湘江冲积Ⅴ级阶地，场地平整。
根据地质勘察报告，本工程抗浮设计水位标高为 68.500 米。负二层的结构底板低标高为-8.5，需要考虑7米的水浮力，车库底板厚度为400mm，扣去底板自重，还需考虑60 KN/ m2的水浮力。车库柱跨为6mX6m，跨度较小。根据地勘报告采用人工挖孔桩基础形式，以强风化泥质粉砂岩作为持力层，采用抗拔桩抵抗水浮力。
抗拔桩是利用桩身自重（扩底桩还包括扩抵范围上部的土自重）和桩身周围的侧摩阻力来抵抗水浮力。本工程因柱跨较小，有效利用了结构本身的桩基础及上部结构传至框架柱的荷载，共同抵抗水浮力，既缩短了工期又节约了工程造价。不过，地下室底板的梁板设计需根据底板的自重及使用荷载、底板下部的水浮力正反两个方向综合考虑，水浮力对底板和底板梁产生很大的附加弯矩和剪力，底板和底板梁需要加大厚度和截面，配筋也需要根据水浮力综合考虑。
单桩抗拔承载力一般采用静载荷试验法或经验参数法。对于设计等级为甲级和乙级建筑桩基，单桩的抗拔极限承载力应通过现场单桩上拔静载荷试验确定。单桩上拔静载荷试验及抗拔极限承载力标准值取值可按现行行业标准《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）[1]进行。但由于往往缺少抗拔试验的条件，对于设计等级为丙级建筑桩基，基础的抗拔极限承载力取值多按下式计算：
Tuk=Σλi qsikμi li （1）
式中：Tuk——基桩抗拔极限承载力标准值；
μi——桩身周长，对于等直径桩取μ=πd；
qsik——桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值；
λi——抗拔系数；
li——桩底以上受扩底影响而按扩底直径D计算破坏面的桩身高度取4~10d，软土取低值，对于砂、砾石和卵石取高值，按内摩擦角增大而增加。
抗拔桩布置时，力求各桩受力均匀，一般将抗拔桩布置在柱下、纵横墙交叉处或延外墙均匀布置。抗拔桩按轴心受拉构件进行承载力计算，桩身配筋由计算确定，并满足最小配筋率的要求。抗拔桩的主筋沿桩通长布置，桩与上部结构的连接可按抗拉桩的要求。
（2）某两层地下车库——采用抗拔锚杆抵抗水浮力
本工程为下部大底盘两层地下车库，上部为四栋三十三层住宅楼。设计标高±0.000相当于绝对标高 70.300米。拟建场地位于长沙市雨花区红星村内，为湘江河流Ⅳ级阶地。拟建场地为填方区，中部低四周高，低洼处地表有少量积水。
根据地质勘察报告，本工程抗浮设计水位标高为 67.800米。负二层的结构底板低标高为-9.600米，需要考虑7.1米的水浮力，水浮力71KN/ m2，水浮力比较大，且塔楼范围以外部分的框架柱柱跨为8.1mX8.1m，跨度大。通过抗拔桩桩身自重（扩底桩还包括扩抵范围上部的土自重）和桩身周围的侧摩阻力来实现与水浮力抗衡，单柱下的水浮力较大，须在跨中增加一根抗拔桩，工程造价增加较大且施工工期将大大延长；而抗浮锚杆是通过在底板与其下的岩土之间设置锚杆和砂浆组成的锚固体抵抗水浮力，且抗浮锚杆布置灵活、受力合理、造价低廉、施工方便。综合考虑后，并不适合采用抗拔桩抵抗水浮力，地下室主塔楼范围以外部分宜采用抗浮锚杆在底板下均匀布置来抵抗水浮力，此部分底板的梁板设计不考虑水浮力对底板的截面及配筋影响；主塔则靠上部结构三十三层自身自重抵抗水浮力。由于抗浮锚杆的设计没有统一的专业规范，给抗浮锚杆的应用带来不便。目前可以参考的规范有：《建筑地基基础设计规范》 (GB50007-2002)[2]、《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002)[3]以及《岩土锚杆（索）技术规程》(CECS22:2005)[4]。抗浮锚杆孔径一般为锚杆筋体直径的三倍，但不应小于一倍锚杆筋体直径加50mm，本工程锚杆拟采用锚杆孔径为150mm。锚杆的筋体插入上部结构的长度，应符合钢筋的锚固长度要求。锚杆一般在底板均匀布置，框架柱附近考虑上部结构自重，可以不布置，节约部分成本；底板框架梁附近可以适当考虑底板自重，减少锚杆布置数量。在抗浮锚杆施工过程中，还需注意锚杆与底板的连接，锚杆是穿过地下室底板下的防水层锚入底板内，使得地下水容易延锚杆渗入底板，形成一个防水薄弱点，所以锚杆的间距不能太小，《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)[1]图8.6.1规定了锚杆的中心间距≥6倍锚杆孔径。《岩土锚杆（索）技术规程》(CECS22:2005)[3]中7.2.2条规定锚杆的间距除必须满足锚杆的受力要求外，尚宜大于1.5m。当所采用的间距更小时，应将锚固段错开布置。
（3）某雨水收集池——采用增加结构自身自重法
本工程拟建场地位于长沙市河西高新开发区，属于低山丘陵地貌，场地地形起伏，高差变化较大，整体上为西高东低。地下水由地势较高地段向地势低地段径流、排泄。根据地质勘察报告地下水位为雨水池底板以上1.5米，地下水对雨水池底板产生了15KN/m2的水浮力。保守计算雨水池底板（h=350mm）及顶板（h=150mm）的板自重为：
0.35m×25KN/m3+0.15m×25KN/m3=12.5KN/m2；
雨水池自重仅小于水浮力2.5 KN/m2，差距比较小，我们拟采用在雨水池顶板覆盖种植土（图a）或将雨水池底板外挑（图b）增加整体结构自重的形式来抵抗剩余的水浮力。雨水池底板的梁板设计根据底板上部的水压力和底板下部的水浮力正反两方向综合考虑。图a所示方法因为在顶部增加覆土，使得雨水池埋深加深，水浮力也相应增加；图b则不存在增加水浮力，更加有利于抗浮。这两种方法的缺点都是增加了结构的自身自重，但抵抗水浮力的时候自重越大越有利。当构筑物埋深浅、水浮力较小时，可以尽量采用增加自重的方法，对工程造价影响较小，后期也不会产生管理成本。
（4）某三面敞开式地下车库——采用排水盲沟排水减压
本工程为下部大底盘地下车库带上部两栋17层住宅楼，地下车库部分为西面挡土，其他三面开敞式地下室。本工程拟建场地位于长沙市河西高新开发区，属于低山丘陵地貌，场地地形起伏，高差变化较大，整体上为西高东低。地下水由地势较高地段向地势低地段径流、排泄。
根据地质勘察报告地下水位为地下室底板以上1.5米，地下水对底板产生了阶梯水压，从经济及施工程序两个方面考虑，西面的地下室外墙需要挡土，地下室底板只在靠西边两跨设置300mm厚的结构底板，帮助地下室外墙抵抗土压力，其余底板均做建筑地坪，图五中阴影部分地坪下设置渗排水层，渗排水层由粗砂滤水层与集水管组成。集水管应设置在粗砂过滤层下部，坡度不宜小于1%，且不得有倒坡现象。集水管之间的距离宜为10m左右。渗入集水管的地下水导入集水井后应用水泵排走。本工程因大部分地面为建筑地坪，为确保地下水不对底板产生水浮力，另沿地下室外墙设置了排水盲沟地下室采用排水盲沟和渗排水层将地下水标高将至底板以下。渗排水层和排水盲沟都需要定期检修，若集水管和排水盲沟被堵塞，地下水位将升高，建筑地坪将上拱出现裂缝。
2.结束语
综合以上各种抗浮方法，都有其利弊和优劣。采用增加结构自身自重的方案，是最简单有效的方法，适用于结构自重与水浮力差距较小的情况。增加的覆土或增加的结构板厚度不多，比较经济合理。当水浮力与自重差距较大时，可以根据工程实际情况和地质条件，合理选择抗浮锚杆或抗拔桩。抗浮锚杆施工工期相对较短，适用于锚固性能较好的基岩或砂石层，对于砂土层则不适用；且锚杆布置灵活，底板的梁、板设计可以不考虑水浮力作用，节约成本。抗拔桩适用相对广泛一些，但施工工期较长，底板的梁、板设计需要考虑水浮力作用，综合造价也较高。采用渗排水层及盲沟降低地下水位是另一种可行的方案，适用于地下水位标高与底板底标高相差不多的情况，但后期需要定期检修，存在维护费用。
所以在选择抗浮方案时，我们可根据地勘报告，结合工程特点、场地条件等，按其经济合理、安全可靠、施工便利等原则，综合考虑，因地制宜，选择一个合理的抗浮方案。
参考文献：
[1]JGJ106-2014建筑基桩检测技术规范.
[2]GB50007-2011 建筑地基基础设计规范.
[3]GB50330-2002 建筑边坡工程技术规范.
[4]CECS 22：2005 岩土锚杆（索）技术规程.
[5]JGJ94-2008 建筑桩基技术规范.
[6]GB50108-2008 地下工程防水技术规范.
论文作者:甘甜
论文发表刊物:《基层建设》2016年4期
论文发表时间:2016/6/14
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