成都某地下室抗浮设计

[摘要]：国家现行的主要结构设计规范关于地下室抗浮设计和锚杆设计没有统一意见，本文基于实际工程，参考各地方规范，详细介绍了地下室抗浮和锚杆的设计方法，系统的论述了锚杆的各种布置方法及其优缺点，对同类工程具有一定的参考价值。
[关键词]：抗浮设计 ；锚杆布置 ；锚杆设计


0 引言:
随着城市建设的发展，高层建筑大量兴建，基础的埋置深度普遍较深，在这个深度范围内，有时可能遇到多层地下水，如地下水位较浅，它对建筑平面内纯地下室部分产生一个较大的向上的压力作用，当结构本身重量不足以克服此压力时，需进行抗浮设计。《建筑地基基础设计规范》[1]第3.0.2条规定“当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算”。在民用建筑工程地下室的抗浮验算中，国家规范和各地方规范提出了不同的要求，主要有以下三种：
1） 《建筑结构荷载规范》[2]第3.2.5条第3款规定：对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，荷载的分项系数应按有关的结构设计规范的规定采用。但现行国家主要结构设计规范并没有明确的规定。
2） 《广东省标准建筑地基基础设计规范》[3]第5.2.1条规定，地下室抗浮稳定性验算应满足下式的要求：W/F≥1.05
式中 W为地下室自重及其上作用的永久荷载标准值的总和（注：标准值的意义在于荷载的分项系数为1.0）；F为地下水浮力（注：此处F应为地下水浮力的标准值，不需要考虑水浮力作用的荷载分项系数）。
3） 《北京市建筑设计技术细则（结构专业）》[4]第3.1.8条第5款规定：在验算建筑物之抗浮能力时，应不考虑活载，抗浮安全系数取1.0。即满足下式要求：
建筑物重量（不包括活载）/水浮力≥1.0
建筑物重量及水浮力的分项系数取1.0。
以上三种要求中，“广东标准”和“北京细则”总体表达上应是一致的，只不过广东省规定的安全系数稍高。当需进行抗浮设计时，常用的措施为加大结构尺寸或压重、采用抗浮锚杆或抗浮桩。应注意的是，无论采取何种措施都应考虑地下水浮力对地下室底板的作用，保证地下室底板构件在地下水作用下具有足够的强度和刚度，并满足构件的抗裂或裂缝宽度的控制要求。以下结合成都某地下室详细介绍其抗浮和锚杆的设计。
1 工程概况
某工程地下室部分为二层，主要功能为地下车库和设备用房，地下室平面尺寸为约140×89m，标准柱跨为7.8×7.8m，建筑面积约18538平方米。地下一层层高3.8米，地下二层层高为3.7米，如图1所示。首层顶板的塔楼以外部分有约0.9米厚的覆上，基础形式为柱下独立基础加防水板。
2 场地工程地质及水文地质情况
2.1 工程地质条件

场地土层主要由要由第四系杂填土层、第四系全新统冲洪积层、白垩系上统灌口组泥岩组成，各地层的分布从上至下依次为人工填土、粉质粘土层、细砂、卵石（稍密卵石、中密卵石、密实卵石）、泥岩（强风化泥岩、中等风化泥岩）
2.2 水文地质条件
场地内地下水主要由以孔隙水形式赋存于人工填土中的上层滞水、以孔隙水形式赋存于砂卵石层中的潜水及赋存于泥岩中的基岩裂隙水组成，场地水文地质条件简单。
2.3 地下室抗浮评价
本工程设2层地下室，地下室埋深低于地下水位，设计时应进行地下室的抗浮稳定验算，地质勘察报告给出地下水抗浮设防水位建议取494.50m（±0.00标高为498.70m）,纯地下室如需采取抗浮措施，建议采用抗浮锚杆。同时应进行专项的岩土工程抗浮设计。地勘单位提供如下参数详表1。


3抗浮设计
3.1 抗浮验算
抗浮验算依据《广东省标准建筑地基基础设计规范》第5.2.1条规定进行。基本设计资料如下：


由此本地下室需进行抗浮设计，本工程根据地勘建议和造价综合评估，采用抗浮锚杆。
3.2 锚杆布置
结合结构整体和局部抗浮，锚杆布置方式主要有以下三种：
布置方式一：集中点状布置（所有锚杆布置于柱下独立基础范围内，详见下图2），所需数量和单根承载力特征值分别为：

假定柱下布置四根锚杆，则单根锚杆承载力特征值为Nak=1100/4=275KN。
此布置方式优点是可以充分利用上部结构传来的竖向力平衡掉一部分水浮力，便于地下室底板下的外防水施工；缺点是所布置锚杆不能充分抵抗水浮力对底板产生的弯矩，地下室底板板配筋较大。



布置方式二：面状均匀布置（在地下室底板下均匀布置，详见下图3），所需数量和单根承载力特征值分别为(锚杆间距2.6米):
Nak=(1.05x48.5-25x0.35)x2.6x2.6=285KN。
此布置方式优点是锚杆布置均匀，地下室底板板配
筋较小。缺点：不能充分利用上部结构传来的竖向力来平衡掉一部分水浮力，锚杆布置相对分散，不利于地下室底板下的外防水施工。



布置方式三：签于以上两种方式均有互相对立的优缺点，如果有一种布置方式既能利用上部结构传来的竖向力，又能利用锚杆的布置减少防水底板的弯矩，那应该是一种最经济合理的方式。根据锚杆布置在跨中更能有效提供抵抗弯矩原则，假设布置如下图4所示：


这种布置方式的优点在于锚杆和柱能共同抵抗浮力作用，在锚杆能保证稳定的情况下Nak≥275KN，即能满足抗浮要求。以柱为支座我们可以按上图所示的受力模型建立一个双向5跨连续的无梁楼盖，计算出此防水底板变形图如下图6：

图 6 防水底板变形图

图 7 锚杆验收试验 Q-S 曲线

根据以上底板变形图6并结合锚杆验收试验Q-S曲线看以看出：
中间跨锚杆处最大变形为2mm，锚杆实际受力为268KN， 略小于所输入荷载275KN，说明锚杆能保整稳定。端跨锚杆处变形为3.529mm时，锚杆实际受力为376KN，稍大于锚杆承载力设计值1.3Nak=357.5KN。此时，如果我们以锚杆实际所受376KN作为设计值得出锚杆承载力特征值376/1.3=289KN，依此值进行设计应该是安全的，因为我们计算底板变形时所输入荷载是锚杆承载力特征值275KN，如果输入荷载为376KN，则此处变形肯定小于3.529mm。通过以上分析，按照布置方式三设计是安全的 。
4 经济分析
表 2 三种布置方式的经济指标比较