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李国胜 铜陵市建筑工程施工图设计文件审查有限公司 铜陵市建设工程质量监督监测有限公司 0 引言 对于地下室设计，水浮力是设计人员必须面对的问题。但到目前为止，国家规范没有统一规定抗浮水位的取值方法，只给出了取值原则，这给勘察和设计人员带来困扰。对于抗浮验算，不同规范有不同计算方法，但又没有一本规范完整地对抗浮设计进行规定，设计人员往往无所适从，导致设计要么偏于保守，要么不安全。笔者结合多年设计和图审经验，对地下室水浮力问题进行探讨。 1 抗浮水位的确定 随着城市建设的高速发展，高层建筑大量兴起，很多高层建筑的基础埋深超过 10m，甚至数十米，且高层建筑一般都附有纯地下室。因此，在抗浮设计、地下室外墙和防水板的内力计算配筋中，抗浮水位的确定成为一个涉及造价、施工难度和工期的十分重要的问题。但影响抗浮水位的因素众多，不仅与气候、水文地质等自然因素有关，有时还与地下水开采、上下游水量调配、跨流域调水和大量地下工程建设有关，准确确定施工和使用期间的抗浮水位非常困难，抗浮水位一般应根据长期水文观测资料确定。现将较权威资料确定抗浮水位的原则罗列如下: ( 1) 规范［1］第 3. 0. 4 条第 1 款第 6 项要求，岩土工程勘察报告应提供用于计算地下水浮力的抗浮水位。 ( 2) 规范［2］第 4. 1. 13 条规定: 详细勘察应论证地下水在施工期间对工程和环境的影响; 对情况复杂的重要工程，需论证使用期间水位变化，需提出抗浮水位时，应进行专门研究。 ( 3) 文献［3］第 7. 1. 4 条第 1 款对抗浮水位的选取规定如下: 抗浮水位应由勘察报告提供，抗浮水位参照如下情况综合考虑确定: 1) 设计基准期内抗浮水位应根据长期水文观测资料确定。2) 无长期水文观测资料时，可采用丰水期最高稳定水位( 不含上层滞水) ，或按勘察期间实测最高水位并结合地形地貌、地下水补给、排泄条件等因素综合确定。3) 场地有承压水且与潜水有水力联系时，应实测承压水位，并考虑其对抗浮水位的影响。4) 在填海造陆区，宜取海水最高潮水位。5) 当大面积填土面高于原有地面时，应按填土完成后的地下水位变化情况考虑。6) 对一、二级阶地，可按勘察期间实测平均水位增加 1 ～ 3m; 对台地，可按勘察期间实测平均水位增加 2 ～ 4m; 雨季勘察时取小值，旱季勘察时取大值。7) 施工期间的抗浮水位可按 1 ～ 2 个水文年度的最高水位确定。 ( 4) 我国长江以南，雨水丰富，地下水位高，特别是暴雨季节，雨水渗入地下来不及排走，或江、湖、河水上涨，可能出现较高的抗浮水位。有不少工程由于未考虑这一因素，抗浮水位取值太低，导致地下室防水板强度和抗浮不足，出现防水板开裂、地下室上浮和倾斜等现象。因此，抗浮水位取值应高些。 如: 1) 《合肥市地下建( 构) 筑物抗浮设防管理规定》( 合建〔2011〕18 号) 第六条规定，如无可靠的长期观测资料，合肥市抗浮水位建议取值如下: a) 当建设场地地势较低且较平坦时，可取室外设计地坪下0. 50m 作为抗浮水位; b) 当建设场地地势较高且较平坦时，可取室外设计地坪下 1. 00m 作为抗浮水位; c) 当建设场地地势显著高于周边，地表水、地下水径流条件较好时，可结合场地情况确定抗浮水位;d) 对于地质条件复杂的重要工程，应进行专项水文试验，并经专家论证。2) 上海地区要求基本同合肥 地区。3) 福建省防洪设计暂行规定要求，对重大工程按室外地面以上 0. 50m 高度确定地下室的抗浮水位。 ( 5) 我国北方广大缺水地区，地下水位较低，应根据水文地质情况及其地下水位的变化规律综合确定抗浮水位。如: 1) 《北京市建筑设计技术细则》( 结构专业) 第 3. 1. 8 条第 3、第 4 款规定: 地下室外墙、独立基础加防水板基础中的防水板等结构构件进行承载力计算时，抗浮水位取最近 3 ～ 5 水文年的最高水位( 水位高度不包括上层滞水) 。2) 考虑到南水北调工程，北方地区抗浮水位应适当提高。但也有观点认为，南水北调工程对抗浮水位的提高影响不大，如文献［4］第 361 页认为: 由于我国是缺水国家，考虑到经济因素，南水北调的目的仅仅是解决北方地区工业与生活用水，兼顾生态和农业用水，不可能用于地下水回灌，因此，不会引起北方地区地下水位的明显改变。 ( 6) 对重大工程或抗浮水位对结构投资影响较大的工程，可组织专家论证，采取切实可行措施，如设盲沟或明沟将地下水排走，降低抗浮水位。 2 地下室抗浮问题 2. 1 抗浮验算方法 ( 1) 文献［3］第 7. 1. 2 条第 2 款规定( 规范 ［1］第5. 4. 3 条第 1 款与之相同) ，按下列公式进行抗浮验算: G /S ≥ K ( 1) 式中: G 为结构自重及其上作用的永久荷载标准值的总和( 不包括活荷载) ，kN; S 为地下水对建筑物的浮托力( 浮力) 标准值，kN; K 为地下结构抗浮安全系数，一般取 1. 05。 ( 2) 文献［3］第 7. 1. 2 条第 3 款规定，在进行整体抗浮验算的同时，应对结构自重较小的区域进行局部验算，特别是上部结构缺层或大范围楼板缺失开洞部位。规范［1］第 5. 4. 3 条第 2 款规定，在整体满足抗浮稳定性要求而局部不满足时，也可采用增加结构刚度的措施。 2. 2 纯地下室抗浮验算 ( 1) 当抗浮水位低于地下室顶时 2. 4 关于抗拔桩和抗浮锚杆问题 2. 4. 1 抗拔桩和抗浮锚杆计算方法 当地下室抗浮不满足式( 1) 时，可设置抗拔桩或抗浮锚杆。按文献［3］第 7. 1. 5 条，采用抗拔桩或抗浮 锚 杆，应 满 足 下 式 要 求，K 按 文 献［3］第7. 1. 2 条第 2 款规定取值，即一般为 1. 05。 G /K + nＲ ≥ S ( 8) 式中: Ｒ 为单根桩或锚杆抗浮承载力特征值，取群桩( 群锚) 基础呈整体破坏或非整体破坏时基桩抗拔力较小值; n 为抗拔桩或抗浮锚杆的数量。 抗拔桩或抗浮锚杆的设计可分别按文献［3］第7. 2 节、7. 3 节方法进行。 群桩基础呈整体破坏时基桩抗拔力可按文献［3］第 7. 2. 2 条第 2 款计算，但文献［3］中没有给出群锚基础呈整体破坏时基桩抗拔力计算方法，此时基桩抗拔力可采用基础下锚杆范围内总的土体重量( 此时采用浮重度计算土体重量) 除以锚杆数量。基础下锚杆范围内总的土体重量为规程［5］第 4. 4. 9 2. 4. 2 抗拔桩和抗浮锚杆抗拔承载力确定 对于抗拔桩的承载力确定，不同规范要求稍有区别，设计可从严执行: 1) 规范［1］第 8. 5. 9 条规定，应通过单桩竖向抗拔载荷试验确定单桩竖向抗拔承载力特征值。2) 规范［6］第 5. 4. 6 条及条文说明规定，甲、乙级应通过单桩上拔静载荷试验确定单桩竖向抗拔承载力; 群桩基础和丙类桩基可按规范［6］第5. 4. 6 条第 2 款计算确定单桩竖向抗拔承载力，不试桩( 该条条文说明指出，事实上群桩抗拔难以通 过试验确定) ，但该条文说明要求丙类桩基应进行工程桩抗拔静载试验( 验收) 检测。3) 文献［3］未对试桩要求做具体规定，承载力估算可按文献［3］第7. 2. 2 条、7. 2. 7 条进行，但第 11. 3. 11 条规定，抗拔工程桩完成后应采用静载荷试验进行抗拔承载力检验。4) 规程［7］第 5. 2. 8 条规定，甲、乙级应通过单桩静载荷试验确定单桩竖向抗拔承载力，丙级可按规程［7］第 5. 2. 8 条第 2 款计算确定单桩竖向抗拔承载力。5) 规范 ［8］第 3. 3. 1 条规定，为设计提供依据的试验桩，应依据设计确定的基桩受力状态，采用相应的静载 试 验 方 法 确 定 单 桩 极 限 承 载 力。6) 规范［9］第 8. 6. 7 条规定，高层抗拔桩的抗拔承载力应通过现场抗拔静载荷试验确定，也可按规范［9］第8. 6. 8 ～ 8. 6. 10 条估算抗拔承载力，但第 8. 6. 8 ～8. 6. 10 条条文说明指出，正式施工前仍应进行抗拔静载荷试验验证。 对于抗浮锚杆的承载力确定，不同规范要求也有区别，设计也可从严执行: 1) 规范［1］未涉及抗浮锚杆，只涉及岩石锚杆。2) 文献［3］第 7. 3. 2 条第 1款规定，设计等级为甲级的建筑物，单根锚杆轴向抗拔承载力应通过现场试验确定; 对其他建筑物可按文献［3］第 7. 3. 2 条第 1 款进行单根锚杆轴向抗拔承载力估算，分别按文献［3］第 7. 3. 2 条第 2 款、第3 款进行锚杆杆体的横截面积及锚杆杆体与砂浆之间的锚固长度验算，同时，第 11. 3. 13 条规定，抗浮锚杆完成后应采用静载荷试验进行抗拔承载力检验。3) 对 于 高 压 喷 射 扩 大 头 锚 杆，按 规 程［5］第4. 6. 3 条规定，锚杆抗拔力应通过现场原位基本试验确定; 无试验资料时，可按该条计算，但实际施工时必须经过现场基本试验验证确定。4) 规范［9］第8. 6. 7 条规定，高层抗浮锚杆的抗拔承载力应通过现场抗拔静载荷试验确定，但初步设计估算时可按规范［9］第 8. 6. 11 条进行。5) 规范［10］第 11. 2. 2 条规定，锚杆 承 载 力 可 按 该 规 范 第 4. 6 节 计 算; 规范［10］第 12. 1. 6 条规定，永久性锚杆工程( 地下室抗浮锚杆属永久性锚杆) 应进行锚杆基本试验; 规范［10］第 12. 1. 14 条规定，塑性指数大于 17 的土层锚杆、强风化的泥岩或节理裂隙发育张开且充填有黏性土的岩层中的锚杆应进行蠕变试验。 抗拔桩还要进行桩身承载力与裂缝控制计算算，可按文献［3］第 7. 2. 3 条进行。 2. 4. 3 抗拔桩和抗浮锚杆验收检测 ( 1) 抗拔桩: 规范［1］第 10. 2. 17 条、规范［6］第9. 4. 6 条、规范［8］第 3. 3. 8 条规定，单桩竖向抗拔桩承载力验收检测应进行单桩抗拔静载试验。检测数量不应少于 3 根，且不应少于总桩数的 1% ; 当工程桩总数在 50 根以内时，不应少于 2 根。另外，抗拔桩还应进行桩身完整性检测。 ( 2) 抗浮锚杆: 文献［3］第 11. 3. 13 条、规程［5］第 5. 8. 2 条、规范［10］第 12. 1. 19 条规定，抗浮锚杆完成后应采用静载荷试验进行抗拔承载力检验。检测数量，文献［3］第 11. 3. 13 条规定，不应少于总数的 5% ，且不少于 6 根; 规程［5］第 5. 8. 2 条规定，不应 少 于 总 数 的 5% ，且 不 少 于 3 根; 规 范［10］第12. 1. 19 条规定，占锚杆总量 5% 且不少于 3 根的锚杆应进行多循环张拉验收试验，占锚杆总量 95% 的锚杆应进行单循环张拉验收试验。 2. 4. 4 高层和裙房相连且均采用天然地基基础时，裙房抗浮不能采用抗拔桩 当高层采用天然地基基础且高层与裙房间未设缝时，由于高层沉降较大，为减小沉降差，使裙房沉降量不至过小，裙房应该优先采用独立基础或条基( 如有防水板，防水板下应设褥垫) ，不宜采用满堂筏基。如裙房抗浮不满足，不能设置抗拔桩抗浮，因为抗拔桩的支承作用将导致裙房的沉降受到限制，从而加大了高层与裙房的沉降差。规范［9］第 8. 6. 6条也指出，高层建筑附属裙房宜推荐使用抗浮锚杆。 2. 4. 5 抗拔桩和锚杆平面布置应注意的问题 抗拔桩和锚杆宜布置在独立基础或条基下，板厚较小的筏板的柱和墙下，不宜布置在防水板( 刚度较小) 或厚度较小的筏板下( 对于板厚较大的筏板，可在板下布置) 。对于防水板及板厚较小的筏板，如果将抗拔桩和锚杆均匀布置在板下，则由于防水板及板厚较小的筏板，不足以调整桩顶作用力的均匀分布，底板受到水的浮力作用而上拱，使得靠近柱的基桩分担的水浮力较小，远离柱的基桩分担的水浮力较大。如果按照所有桩均匀分担水浮力设计，则由于远离柱的基桩实际分担的水浮力比计算分担的水浮力大而率先破坏，然后其余桩各个被破坏，从而导致整个结构抗浮失效。 3 防水板下褥垫设置问题 文献［3］第 5. 2. 3 条第 1 款指出，防水板下设易压缩材料褥垫，如聚苯板时，防水板设计配筋应按两种情况包络设计: 第一种情况为水浮力( 向上) 减去板自重( 板上有找平层或回填土及面层时也应扣除) 产生的作用; 第二种情况为板自重( 板上有找平层或回填土及面层时也应计入) 与板上恒、活载( 向下) 产生的作用。笔者认为: 当水浮力较大时，防水板配筋实际上是由第一种情况控制。 若防水板下不铺设易压缩材料褥垫，应考虑地基反力对防水板的影响。此时实际是变刚度筏基，须用有限元法分析防水板和基础承担的地基反力，对基础和防水板进行配筋。 前已述及，当高层采用天然地基基础且高层与裙房间未设缝时，由于高层沉降较大，为减小沉降差，使裙房沉降量不至过小，裙房应优先采用独立基础或条基，如有防水板，防水板下必须设褥垫。除此之外，防水板下是否必须设褥垫呢? 文献［3］第5. 2. 3 条认为，防水板下宜铺设有一定厚度的压缩材料( 如聚苯板) ，若防水板下不铺设易压缩材料褥垫，应考虑地基反力对防水板的影响。笔者认为，是否设褥垫应经经济分析比较后确定，当层数较多，即竖向荷载较大，而水浮力较小时，防水板下设褥垫，按有水浮力参与计算的配筋，比不设褥垫按变刚度筏基采用筏板有限元法计算的配筋小，此时应设褥垫，使防水板仅承担水浮力，不承担地基反力，从而节约造价; 反之，当层数较少，特别是纯地下室，水浮力较大时，情况正好相反，此时设褥垫已无意义，可不设褥垫。下面给出 2 个算例加以说明。 例 3: 某地下室为独立基础加防水板，地下室结构自重标准值换算成混凝土板厚计算，混凝土板厚为 0. 8m，地下室顶板覆土厚度为 0. 9m，地下室高度为 3. 2m，抗浮水位在地面以下 0. 5m，地面及地下室底板( 防水板) 活荷载均为 5. 0kN /m2。查表 1 可知，允许的地下室高度为 3. 05m( 也可按式( 3) 求得) ，稍小于 3. 2m，抗浮不满足，采用抗拔桩或抗浮锚杆解决。如底板已进入较好持力层且不设褥垫的话，底板地基反力设计值为永久荷载控制的组合，按规范［11］第 3. 2. 3 条第 2 款，平均地基反力设计值为1. 35 × ( 0. 8 × 25 + 0. 9 × 18) + 1. 4 × 0. 7 × 2 × 5. 0 =58. 67kPa; 地下室底板水浮力标准值为 10 × ( 3. 2 +0. 9 － 0. 5) = 36kN /m2 ，水浮力设计值为 1. 35 × 36 =48. 60kPa。地基反力设计值 58. 67kPa 大于水浮力设计值 48. 60kPa 较多，因此，按变刚度筏基计算的配筋可能大于按水浮力计算的配筋，此时应设褥垫，使防水板不承担地基反力，仅承担水浮力，按水浮力计算配筋，从而节约造价。 例 4: 将例 3 中地下室高度改为 4. 0m，其余参数不变。经计算允许的地下室高度为 3. 05m，比地下室高度 4. 0m 小得较多，抗浮不满足，采用抗拔桩或抗浮锚杆解决。如底板已进入较好持力层且不设褥垫的话，地下室底板平均地基反力设计值与例 3相同，为 1. 35 × ( 0. 8 × 25 + 0. 9 × 18) + 1. 4 × 0. 7 ×2 × 5. 0 = 58. 67kPa; 地下室底板水浮力标准值为10 × ( 4. 0 + 0. 9 － 0. 5) = 44kN /m2 ，水浮力设计值为1. 35 × 44 = 59. 40kPa。 可 见，水 浮 力 设 计 值59. 40kPa 大于平均地基反力设计值 58. 67kPa。无水浮力时，基础和底板按变刚度筏基，采用筏板有限元法求得的基础下和基础附近的底板下地基反力设计值将大于平均地基反力设计值 58. 67kPa，其他部位的地基反力设计值将小于平均地基反力设计值58. 67kPa。这种情况下计算的配筋将小于基础和底板下地基反力设计值均为 58. 67kPa 时计算的配筋，更小于水浮力设计值为 59. 40kPa 时计算的配筋。 也就是说，此时按水浮力计算的底板配筋，大于不设褥垫且无水浮力时上部荷载作用下底板按变刚度筏基采用筏板有限元法计算的配筋。因此，此种情况下设褥垫已无意义，可不设褥垫，从而节约造价。 从例 3、例 4 可知，不能认为抗浮不满足时就可不设褥垫( 如例 3) ，必须在抗浮相差较多，且超过一定数值后才可不设褥垫( 如例 4) ，是否设置褥垫应通过计算确定。原因是，抗浮计算时水浮力乘以1. 05 的安全系数，也就是将水浮力放大了 1. 05 倍;而抵抗水浮力的 G 值又不计入活荷载，因而双重加大了水浮力与计入活荷载的地基反力之间的差值。 4 其他有关注意事项 ( 1) 建筑物在施工阶段也应符合抗浮稳定性要求。 ( 2) 在独立基础或条形基础加防水板基础中，当水浮力大于防水板自重及其上建筑做法( 如覆土、面层等) 重量之和时，应考虑防水板承担的水浮力对独立基础或条形基础弯矩的增大作用。具体计算方法可参见文献［4］第 7. 4. 3 条。 ( 3) 对于筏形基础、箱形基础，地基承载力验算不需考虑水浮力的影响，基础底板配筋计算一般情况下也不需考虑水浮力的影响。因为水浮力和地基反力之和与上部荷载平衡，当水浮力增大时，地基反力就减小，当水浮力减小时，地基反力就增大，当无水浮力时，就完全由地基反力平衡上部荷载。但对于抗浮不足而设抗拔桩或抗浮锚杆的筏基地下室的底板配筋，除按上部荷载作用下的基底地基反力设计值计算外，还应按水浮力设计值复核，因为后者配筋结果可能大于前者配筋结果( 参见例 4) 。并且应注意，采用水浮力计算底板配筋时，位于同一标高的水浮力相等，当上部结构布置及荷载分布较均匀时，可采用倒楼盖法计算; 而采用上部荷载作用下的地基反力计算底板配筋时，应采用筏板有限元法求得基底反力，基底反力是不均匀的。 ( 4) 地下室侧板计算时，应考虑地下水侧向静水压力，且应乘以 1. 35 的荷载分项系数。 5 结论及建议 ( 1) 应根据当地的实际情况确定抗浮水位。 ( 2) 虽然抗浮水位在地下室顶板和地面之间时的抗浮验算公式与抗浮水位低于地下室顶板时的抗浮验算公式不同，但其计算结果与抗浮水位低于地下室顶板时的抗浮验算公式计算结果的误差不大，且偏保守，保守幅度在 5% 以内，绝大多数情况下保守幅度约为 2% 。 ( 3) 不同规范对抗拔桩和抗浮锚杆的承载力确定及试桩、检测方法稍有不同，宜从严把握。 ( 4) 当主、裙楼基础连成一体时，若主楼采用天然基础，裙楼不能采用抗拔桩，应采用抗浮锚杆或压重抗浮，否则会加大主、裙楼的沉降差。 ( 5) 抗拔桩或抗浮锚杆不宜布置在防水板或板厚较小的筏板下，防水板宜布置在独立基础或条基下，板厚较小的筏板宜布置在墙、柱下。 ( 6) 对于纯地下室或层数较少的地下室，当地下水浮力比上部荷载大得较多，设抗拔桩或抗浮锚杆，以至于按水浮力计算的底板配筋不小于不设褥垫且无水浮力时上部荷载作用下底板按变刚度筏基，采用有限元法计算 的 配 筋 时，可 不 设 褥垫，以节约造价。当纯地下室与设桩基础的主楼地下室相连时，若纯地下室部分的水浮力比上部荷载大得较多，也可不设褥垫。但纯地下室或层数较少的地下室与天然地基基础的主楼地下室相连时，由于主楼沉降较大，为减小主、裙楼沉降差，必须在纯地下室或层数较少的地下室的防水板下设褥垫，加大其沉降。 ( 7) 水浮力较大时，水浮力对带防水板的独立基础和条形基础有不利影响( 弯矩增大) ，应予以考虑。 ( 8) 水浮力与防水板、地下室侧壁配筋计算有关，但与筏基和箱形基础的地基承载力验算无关; 一般情况下与筏形基础、箱形基础底板配筋计算也无关，但水浮力比上部荷载大得较多时，水浮力与底板配筋计算有关。 参 考 文 献 ［1］ 建筑地基基础设计规范: GB 50007—2011［S］． 北京:中国建筑工业出版社，2012． ［2］ 岩土工程勘察规范: GB 50021—2001 ［S］． 2009 年版．北京: 中国建筑工业出版社，2009． ［3］ 住房和城乡建设部工程质量安全监管司，中国建筑标准设计 研 究 院． 全 国 民 用 建 筑 工 程 设 计 技 术 措 施( 2009) 结构( 地基与基础) ［M］． 北京: 中国计划出版社，2010． ［4］ 朱炳寅． 建筑结构设计问答及分析［M］． 2 版． 北京: 中国建筑工业出版社，2013． ［5］ 高压喷射扩大头锚杆技术规程: JGJ/T 282—2012［S］．北京: 中国建筑工业出版社，2012． ［6］ 建筑桩基技术规范: JGJ 94—2008［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2012． ［7］ 先张 法 预 应 力 混 凝 土 管 桩 基 础 技 术 规 程: DB 34 /5005—2014［S］． 合肥: 安徽省工程建设标准设计办公室，2014． ［8］ 建筑基桩检测技术规范: JGJ 106—2014［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2014． ［9］ 高层建筑岩土工程勘察规范: JGJ 6—2011［S］． 北京:中国建筑工业出版社，2011． ［10］ 岩 土 锚 杆 与 喷 射 混 凝 土 支 护 工 程 技 术 规 范: GB50086—2015［S］． 北京: 中国计划出版社，2016． ［11］ 建筑结构荷载规范: GB 50009—2012［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2012． 勘察设计大师、规范主编 权威解答您的疑惑 |
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