（南京大学建筑规划设计研究院有限公司）
【摘 要】阐述了几种常用地下室抗浮方案，对于抗拔桩、锚在工程中的应用进行了分析，并探讨了计算分析时应注意的问题。
【关键词】抗浮措施；设防水位；抗拔桩；抗浮锚杆；抗拔刚度；有限元分析
1．前言
随着中国社会经济发展，城市中的高层建筑如雨后春笋般出现，其地下室及配套的地下车库、商业等也大量增加，民用地下工程的抗浮成为结构设计必须要考虑并解决的环节。在地下水充沛地区，尤其地下室埋深较大时抗浮设计尤为重要。本文依据工程经验并结合相关对建筑物抗浮进行探讨。
2．地下室结构抗浮理论分析
地下室位于地下水位之下时，根据阿基米德定律必然会受到浮力。文献1给出了不同土层和水层分布下地下室浮力的计算模型，但由于地质条件的离散性及地勘结果可靠性问题，表格不适合应用于一般工程设计。出于安全考虑及简化设计过程，一般设计假定地下结构直接承受上部潜水的浮力这种最不利情况，即浮力=水头高度x水容重。根据规范《建筑地基基础设计规范》GB5007-2011第5.4.3.1条Gk/Nwk>1.05，即结构永久荷载大于水头产生的浮力时，结构整体抗浮验算通过，，当Gk/Nwk小于等于1.05时，需要采取抗浮措施。地下室抗浮一般采取以下三种措施：
（1）自重抗浮及增加配重法
当地下室永久荷载与水浮力差值不大时，增加自重或者增加配重的方案较为经济。可以采取加厚地下室顶板和底板的方式增加自重；而增加配重一般采取将地下室底板标高下降，其上回填素土至建筑标高的方式。此类抗浮方案局限性较大，水浮力与自重差值较大时，此方法基坑开挖深度增加较多，工程运用中需要对其经济性进行考量。
（2）抗拔锚杆
目前只有当地下室基底下为中风化岩或者风化程度更低的岩层时，抗拔锚杆才可以作为永久性被动抗浮措施使用。锚杆抗浮可根据规范GB5007-2011第8.6条设计，但是规范中给出的计算公式过于简单，实际应用时可以参考《全国民用建筑工程设计技术措施-结构（地基与基础）》（2009版）第7.3条执行。
在工程应用中发现两个问题：首先，锚杆的单根抗拔承载力特征值一般较低，在工程中单位面积下一般会设置较多锚杆，防水卷材遇到锚杆时铺设不便，有可能导致地下室底板外防水不能起到预期作用；其次锚杆杆体直径较小，杆体材料如果采用细石混凝土会很难浇注，所以一般采用灌浆体以便于施工。采用下图做法可以有效的解决上述两个问题，通过工程回访发现效果良好。
（3）抗拔桩
抗拔桩按照成桩方式的不同主要有灌注桩和预制桩。工程中应该根据工程地质情况、上部结构特点、施工现场条件、周边环境等选择合适的抗拔桩形式。从可靠性及土层适应性上看，灌注桩应用更为广泛，而且后注浆灌注桩及扩底灌注桩能大幅提高抗拔承载力。预制桩分为管桩及方桩。由于过往管桩大量应用在工程中，工程事故也时有发生，目前各地对其适用限定较为严格。目前江苏省发布的《先张法预应力混凝土抗拔管桩（一）抱箍式连接》解决了管桩抗拔接头问题和桩身刚度问题。在工程中选用抱箍式连接抗拔桩时应避免一柱一桩；每根桩宜采用单节桩，使用多节桩时接头数量不应超过一个。目前对于方桩使用限制较少，但抗拔方桩的焊接接头质量与非抱箍式连接管桩一样不可靠，工程中如果设计及施工不当易造成工程事故，故笔者认为在工程中应慎用方桩抗拔。
抗拔桩正截面受拉承载力受桩身钢筋抗拉力设计值限制，同时抗拔桩的裂缝控制也较为严格，所以实际应用时抗拔桩单桩抗拔特征值相对其抗压承载力特征值要低很多，如果桩身范围内土侧阻较高，设计时应注意单桩抗拔承载力是否受桩身承载力控制。由于抗拔桩抗拔力是由桩侧表面土层侧阻力提供，桩径越小其单位体积桩身提供的侧阻力越大，出于经济性考虑，工程设计中在长径比满足要求的情况下应尽量使用直径较小的抗拔桩。
3．抗浮设计分析
工程中抗浮设计首先便是要确定抗浮水位。抗浮水位应由地勘报告提供，通过施工图审查并合格的地勘报告会给出明确的抗浮水位，但是设计人员在采纳前需要判断其是否满足抗浮设计需求。《全国民用建筑工程设计技术措施》中给出了抗浮水位参照考虑方法，但在实际工程应用中仍存在困难。文献2第6.3条则明确提出抗浮水位“一般情况下可取室外地坪标高”；《2013年江苏省建设工程施工图审查技术问答》（结构专业）中指出“抗浮水位应根据通过审查的岩土工程勘察报告确定。如认为改变环境、地形地貌后，应由勘察单位重新核定抗浮水位标高。勘察单位不能明确提供时，设计抗浮水位标高一般取不低于室外地坪以下0.5米”。在我国南方地区按照以上两本资料结合当地水文情况可以较为准确的选定抗浮水位。
其次，工程设计中应考虑整体抗浮及局部抗浮验算，并确定施工降水措施的休止时间。Gk/Nwk>1.05即可满足整体抗浮要求，Gk为建筑物自重及压重之和，不含活荷载。Gk计算时应注意混凝土容重不宜超过25KN/m3；建筑上部填充墙体容重不可取值偏大，填充墙体遇门窗洞口时折减系数不宜过大；地下室顶板上的覆土在施工中较难以达到设计要求的压实系数，其容重宜取15~16KN/m3。对于大面积地下室，上部多栋建筑的情况和上部建筑有大空间、局部荷载明显较小的情况需要局部抗浮验算。比如江苏省某18层建筑外扩三跨裙房，裙房5层，主楼与裙房下两层地下室，裙房一层抽柱后形成了18米x18米的大空间，显然此区域地下室恒荷载不能平衡水浮力总值，需要采取抗浮措施，避免地下室底板在水浮力作用下发生较大裂缝和变形。
再次，设计中应当提出施工过程必须采取隔水或降水措施，明确施工过程停止降地下水位的条件。在雨量充沛的季节或者暴雨时，防止地表水流入基坑形成“澡盆效应”，造成施工中的地下室浮起或者浮力过大使抗拔桩、锚破坏。地下室侧壁回填土应采用黏土分层夯实形成止水层。在坡地上的地下室设计抗浮水位较低且基坑周围是透水性较差的粘土时，不可采用透水性较好的材料比如建筑垃圾回填，或者黏土回填不压实，避免遇强降雨时出现“澡盆效应”。
4．计算分析
电算分析可以极大提高设计效率，可以假定不同的边界条件分析并包络结果，使地下室抗拔设计更加安全、经济。
1）按照《建筑地基基础设计规范》计算模型中水浮力的标准组合系数应取1.05，恒荷载标准组合系数取1.0。目前规范中对于基本组合中的水浮力和恒载分项系数没有明确规定。《建筑结构荷载规范》GB50009-2012第3.1.1条条文解释“对水位不变的水压力可永久荷载考虑，而水位变化的水压力应按可变荷载考虑”，由于实际工程中按照抗浮最高水位进行结构构件强度计算，可视作水位不会更高，水压力可以按照永久荷载考虑，分项系数取1.2。桩、锚抗拔承载力验算应采用弹性地基梁板有限元算法，标准组合及基本组合计算时均应进行非线性分析，非线性计算迭代次数不宜少于10次。如果桩、锚不采用非线性组合计算，则为倒楼盖算法，其所得结果较为失真，应用在工程中存在安全隐患或不经济。
2）桩、锚刚度对于其承载力计算结果和地下室底板厚度、配筋有较大影响，如果刚度设定有误甚至会对设计结果造成安全隐患。桩筏基础在水浮力作用下会产生竖向位移，其与底板平面外变形协调，因此底板内力与抗拔桩反力受底板平面外刚度影响和抗拔桩的竖向刚度共同影响，需要非线性计算迭代多次才能得出叫准确的结果。
抗拔桩竖向抗拔刚度应当根据试桩报告确定。抗拔试验装置反压支座对于桩周土体的反作用力会限制一部分土体变形，根据试桩报告确定的桩刚度有些许偏大，当抗拔力较小时，此误差对整体计算结果影响不大。抗拔桩变形计算是一个极其复杂的问题，其受桩长度、直径、桩周土类型、桩打入过程对周侧土干扰等多方面影响，精确计算抗拔桩在理论上和工程应用中都存在困难，文献3提供了参考算法，当没有试桩资料时可以参考应用。根据笔者工作经验，在工程中可以按照抗压刚度的1/4至1/2预估抗拔刚度。
岩石锚杆抗拔应当根据抗拔试验报告确定。如果试验确定的抗拔刚度不大，而工程中局部锚杆刚度较大的高于试验值，而且其受荷面积内的水浮力明显大于其抗拔承载力时会出现“超上拔力”，导致锚杆破坏失效。为避免此种情况，在设计时对于底板跨中区域可以假定锚杆为不动支座，锚杆分担面积内总水浮力小于锚杆抗拔承载力，再按照此面积布置锚杆计算试算。在板跨中布置抗拔桩时也可按此方法初步控制桩间距。
对于抗拔桩、抗拔锚杆的布置应区别对待。抗拔桩通常也作为抗压桩和桩身钢筋直锚段长度要求，其一般布置在竖向构件下承台、柱墩内。锚杆一般在防水板下布置，布置间距应符合变刚度调平概念设计，而不宜采用等间距布置方式，此种方式未考虑锚杆变形后底板与与其变形协调，锚杆反力和变形差异很大。在底板跨中变刚度调平布置锚杆可以有效的降低筏板内力，减少底板配筋量，减小底板厚度，提高经济性；而且锚杆反力均匀，整体变形均匀，提高了锚杆设计的安全性。
5．结语
地下室抗浮设计应遵从安全可靠，施工方便，经济合理的原则，综合考虑地勘报告、场地情况、工程期限选取抗浮方案。地下室底板电算分析时应合理的设定多种边界条件，采用有限元分析，确保设计结果安全可靠。
参考文献：
[1]杨爱珍.地下结构不均匀上浮机理研究[D].南京：东南大学，2009.
[2]高层住宅结构设计统一技术措施GDA0003-2012.广东省建筑设计研究院标准
[3]孙晓立.抗拔桩承载力和变形计算方法研究[D].同济大学，2009
论文作者:徐冰
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年4月总第209期
论文发表时间:2016/6/13
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