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岩土研究院

地下室基础抗浮设计常见问题分析

398 2020-11-25 13:04:37

[摘要] 探讨建筑地下室的抗浮设计方法,并对大底盘多塔楼间纯地下室抗浮方案进行详细分析。建设项目的勘察、设计、施工与监理等主体单位在项目实施过程中应通过充分沟通协调,安全有效地完成地下室结构抗浮方案的实施。

[关键词] 抗浮方法;设计分析;协调

1   抗浮设计思路

建筑地下室在设计基准期内存在上浮问题时,应根据抗浮设防水位进行稳定性验算。抗浮稳定性与抗力相关,结构自重为有利荷载,活荷载则不考虑。《建筑地基基础设计规范》GB50007中第3.0.5条,抗浮稳定性验算时按照承载能力极限状态下作用的基本组合,分项系数均为1.0《建筑结构荷载规范》第3.2.4条中,对于抗浮验算的荷载分项系数应由设计者结合具体工程情况确定。基本组合设计表达式为YoSd<Rd,表示抗浮稳定性安全系数为1.0;对于采取不同的抗浮措施,参考基坑设计的稳定性验算公式Rk/SkK可由设计工程师根据具体的工程设计情况合理确定抗浮安全系数K。

当抗浮验算不满足要求时,需要采取不同的抗浮措施。实际工程中根据地质条件,并考虑技术经济性要求,可以采用增加自重,设置抗拔桩、抗浮锚杆、降低抗浮水头等措施。

2   确定抗浮设防水位

抗浮水位与气候条件、地下水类型以及补给排泄条件等相关,可根据勘察单位提供的抗浮水头进行确定。当勘察单位不能提供抗浮水头时,一般取不低于室外地坪以下500mm。当有渗流时,地下室水头和作用宜通过渗流计算进行分析评价。

勘察单位一般提供勘察期间的地下水位、历史最高水位、常水位以及年水位变幅参数。有资料认为地下室埋藏于不饱和隔水层中,可不考虑抗浮问题。当地下室外墙与基坑侧壁间未按规定采用不透水材料进行分层夯实回填,或由于勘察期间的钻孔未进行灌浆压密封闭,以及工程桩施工成孔形成的空隙成为渗透通道等原因,造成实际地下水头高于设计值而引起抗浮失效事故。

3   选择抗浮措施

从抗浮稳定性验算公式中可以得出有两种抗浮措施。一是“抗”的方法,通过增加上部结构自重、设置抗拔桩、抗浮锚杆达到抗浮目的;另外是“放”的方法,通过降低抗浮水位来释放水浮力。

3.1 增加上部结构自重

梁板式筏形基础可采用在基础底板上梁格内回填各种填料,填料可以为黏性土、素混凝土、钢渣等。对于单建式纯地下室采用自重抗浮的项目应尤其引起重视,主要是对结构自重较准确的输入,以免引起抗浮安全度不足。比如地下室顶板上的种植土容重与施工分层压实有关,施工完成后的容重可取低值15~16KN/M3。通常上部结构计算时考虑构件表面粉刷层重量,混凝土容重取值26~27KN/M3,软件程序中计算构件自重时并没有扣除梁板、梁柱重叠部分,因此整体分析计算中一般可不必取大值,按照25KN/M3取值即可。底板上找平层厚度一般100mm左右,按实际填料容重取值。上部结构填充墙应按照施工阶段不同工况计入自重荷载。

3.2 设置抗拔桩

抗拔桩可选用灌注桩、预制桩(实心方桩、空心方桩、管桩)。在适用的土层条件下,灌注桩可选用后注浆或扩底灌注桩,在造价增加很小的情况下可大幅提高抗拔承载力,性价比较高。《建筑桩基技术规范》JGJ94中对于群桩基础呈非整体破坏和呈整体破坏基桩的抗拔承载力按下列公式计算:

 非整体性破坏:Rta =Tuk/2+Gp,Tuk=∑λiqsikuili(1)

 整体性破坏:Rta=Tgk/2+Gp,Tgk=1/nul∑λiqsikli(2)

需要注意的是对于大直径灌注桩,计算单桩抗拔承载力时应计入基桩自重,位于地下水位以下取浮重度。对于自重不可忽略的大直径桩若漏算此项,造成抗拔承载力偏低而不经济。

3.3 设置抗浮锚杆

《建筑地基基础设计规范》GB50007第8.6节中对岩石锚杆基础的适用范围作出规定,适用于直接建在基岩上的柱基,以及承受拉力或水平力较大的的建筑物基础。锚杆基础应与基岩连成整体。

锚杆一般分为土层锚杆与岩石锚杆,两者均可用于临时性的基坑支护以及永久性的边坡支护。用于建筑物基础抗拔,规范中只采用满足锚固可靠性与耐久性的岩石锚杆。若采用土层锚杆进行抗拔,需要提供可靠的试验数据和其它技术依据以及工程实践经验,需要进行专门研究并通过专家论证后方可使用。

3.4 降低地下水位

基底位于不透水层或者透水性很差的土层内,可在基底下方设置静水压力释放层,使基底下的压力水通过释放层中的透水系统(可由水平铺设的土工布过滤层、聚乙烯地下排水管网格组成)汇集到设置于基础中的集水井自动抽排,排到室外市政雨污水管井。基底设置水压监测系统,当水压达到预警值时自动启动排水。释放水浮力法应保证排水系统的稳定性,并结合运行成本综合考虑,确保安全可靠。

静水压力释放层平面布置图

4   大底盘多塔楼间纯地下室抗浮分析

4.1 工程概况

大底盘地下室上部多幢高层建筑塔楼,高层塔楼间为单层纯地下室。本工程塔楼一层楼面±0.000相当于黄海高程5.300m,塔楼一层楼面与地下室覆土面高差0.2m,地下室顶板面覆土厚度为1.0m。纯地下室层高3.4m,标准柱网纵向柱距为5.6m,横向柱距5.4m、6.3m、5.5m,尺寸见剖面图。地下室底板水泥砂浆建筑面层厚度为0.1m。设计基准期内地下室抗浮设计水位为黄海高程4.1m,常水位为黄海高程2.5m左右。地下室基础采用柱下独立桩基承台与防水板形式,承台之间不设基础梁,承台高度1.1m,防水板厚度为0.4m。工程地质情况与桩基相关数据从略,仅从抗浮设计思路上进行定性概念分析。

地下室剖面图

4.2 抗浮设计工况分析

按照地下室施工期间与正常使用阶段的不同抗浮设计水位,以及顶板覆土情况,计算单元选取地下室中间标准柱距进行结构抗力验算,并假定柱下独立桩基础为两桩梁式承台。

工况1:地下室施工期间已完成底板与侧墙,顶板尚未浇筑,地下水位按最不利高度达到侧墙高度黄海高程2.7m,水浮力为q1=(2.7-0.2)x10-0.4x25=15KN/M2,柱下上拔力为Fwk=(6.3+5.5)/2x5.6x15=496KN,则两桩梁式承台中单桩抗拔承载力特征值Rta需达到248KN以上。若施工期间遇到特大暴雨,水头高度超过侧墙高度时灌入地下室,增加荷载压重后地下室不会产生上浮。

工况2:地下室施工期间已完成顶板浇筑,顶板未覆土,底板面层未完成,地下水位按最高抗浮设计水位黄海高程4.1m计算,水浮力为q2=(4.1-0.2)x10-0.4x25-0.37x25=20KN/M2柱下上拔力为Fwk=(6.3+5.5)/2x5.6x20=661KN,则两桩梁式承台中单桩抗拔承载力特征值Rta需达到331KN以上。该工况相当于施工期间遇到特大暴雨,排水系统不能满足排水要求,水头高度达到地下室顶面高度且室外雨水不能灌入地下室内。

工况3:地下室施工期间已完成主体结构施工,顶板覆土完成,地下室底板面层已完成,地下水位按常水位黄海高程2.5m计算,水浮力为q2=(2.5-0.2)x10-0.4x25-0.37x25-1.0x15-0.1x20=-13.3KN/M2,柱下无上拔力,只承受竖向压力,则Nk=(6.3+5.5)/2x5.6x[(-13.3)+(-4.0)]=-472KN,两桩梁式承台中单桩竖向抗压承载力特征值Ra需达到286KN以上,仅需布置抗压桩即可满足要求。

工况4:地下室施工期间已完成主体结构施工,顶板覆土完成,地下室底板面层已完成,地下水位按最高抗浮设计水位黄海高程4.1m计算,水浮力为q2=(4.1-0.2)x10-0.4x25-0.37x25-1.0x15-0.1x20=3KN/M2,标准柱距条件下柱下上拔力为Fwk=(6.3+5.5)/2x5.6x3=99KN,则两桩梁式承台所需的单桩抗拔力较小,一般通过抗压桩兼作抗桩拔即可满足要求。

通过上面四种工况分析,地下室抗浮最不利情况为工况2,本地区抗浮设计中一般采用抗拔桩来解决。工况2为地下室主体结构完成但顶板未覆土,要求施工单位在完成顶板覆土前这段时期内必须对基坑进行持续的降水。对于大底盘全地下室建筑面积较大,施工期间顶板常用作材料场地、行车路线,以及地下室顶板沉降后浇带需在主体施工完成后方可浇筑等原因导致不能及时进行顶板覆土,按照设计单位要求基坑停止施工降水时应满足抗浮的要求。在侧墙四周回填而顶板未按要求覆载前,施工单位应采取切实有效措施,确保施工期间的抗浮。降水对周边环境会造成不利影响,以及运行周期较长,需要建设项目各主体单位相互配合协调,对施工期间各种工况均应有相应的应急预案。最终需要综合考虑各种工况设计、施工方案成本,选择安全合理造价节约的抗浮方案。

4.3 抗拔桩选型

根据工程地质情况、抗拔力数值、周边环境等因素综合考虑,选择安全经济的桩型。灌注桩与预制实心方桩的连接构造简单可靠,选用预应力管桩(空心方桩)抗拔则需要考虑的因素较多。影响预应力管桩的抗拔承载力因素主要有土层条件、桩身抗裂、抗拔连接构造三个方面。

(1)对于甲级、乙级建筑桩基,应通过现场单桩抗拔静载荷试验来确定基桩的抗拔极限承载力。通过静载试验,可以检验预制桩的接头可靠性,以及土层条件是否满足抗拔要求。

(2)《建筑桩基技术规范》JGJ94中第3.5.3条对于预应力混凝土桩应根据环境类别和水、土腐蚀性确定裂缝控制等级。第5.8.8条对于抗拔桩的裂缝控制计算应符合下列要求:

一级裂缝控制等级: σckpc≤0        (3)

            二级裂缝控制等级: σckpc≤ftk       (4)

                               σcqpc≤0       (5)

对于桐乡市本地区地下水对钢筋混凝土结构一般具有微腐蚀性,按环境类别二a类确定裂缝控制等级为二级,则σck≤σpc +ftk,计算桩身结构抗拔承载力设计值按N≤(σpc +ft)A0,其中A0=A+[(Es/Ec)-1]Ap

(3)抗拔桩连接构造包括桩与承台、桩与桩之间的连接构造。

抗拔桩顶部是承受轴力最大部位,桩顶与承台连接方式应确保安全可靠。桩顶连接方式主要分为四种:

一是采用桩顶填芯内插钢筋笼锚入承台,填芯前应将内壁浮浆清理干净,涂刷水泥净浆或混凝土界面剂并采用微膨胀混凝土,提高灌芯混凝土与桩身结合的整体性。二是在桩顶端板上焊接钢板,其上再焊接锚固钢筋。构造重点应对钢筋镦头的抗拉强度,以及端板孔口抗剪强度进行验算。端板处钢筋镦头抗拉强度不足时,应补充增加锚固筋。端板孔口抗剪强度不足时,应加厚端板;三是凿除桩顶混凝土露出预应力钢棒直接锚入承台;四是通过桩顶部预留的锚固螺母进行机械连接。

以上四种连接方式均应通过计算确定连接钢筋的截面面积,并满足相应的构造措施。对于桩顶标高的不同情况,如不截桩、截桩、接桩时可以同时采用以上几种连接方式的组合。

    桩与桩之间的连接宜采用机械连接,在质量确有保证的前提下可以选择焊接。对于管桩抗拔,宜选用单节桩。

4.4 抗拔桩连接构造设计

建设部工程质量安全监管司发布的建质技函[2012]62号文件明确指出:“工程建设标准设计是关于工程建设构配件与制品、建筑物、构筑物、工程设施和装置等的通用设计文件,依据有关法律法规、工程建设标准进行编制。”工程技术人员在选用标准图集时,应根据设计条件选择应用,作为设计文件的组成部分。对于标准图集中没有达到设计要求的内容,应另行专门设计。选用预应力管桩、空心方桩、竹节桩的抗拔连接构造原理如下:

(1)国标图集《预应力混凝土管桩》(10G409)中对于抗拔桩的构造明确应根据具体要求设置桩端锚固筋并加强端板连接,并增大端板的焊接坡口尺寸。抗拔力较小时可采用锚固钢筋与钢板焊接连接,其它情况宜采用桩顶填芯区插筋与承台连接方式。填芯高度H按计算确定,即H≥Qct/(Umxfn),且高度不小于3m。式中Qct表示单桩抗拔力设计值,fn表示填芯混凝土与管桩内壁的粘结强度设计值,宜通过现场试验确定。

浙江省标图集《先张法预应力混凝土管桩》(2010浙G22)中对于抗拔桩的构造明确说明应根据具体要求另行设计,图集中只给出了抗压桩桩顶连接构造详图。省标《先张法预应力混凝土管桩基础技术规程》(DB33/1016-2004)第5.3节中对抗拔桩要求填芯灌注深度大于3.0m,并掺入微膨胀剂;连接主筋通过计算确定,锚入承台内长度不小于40倍钢筋直径。因此若选用省标管桩图集,需要设计人员对图集中的桩顶连接构造作出变更方可满足抗浮要求,而不能直接套用图集中的抗压连接构造详图。

(2)浙江省标图集《预应力离心混凝土空心方桩》(2013浙G35)中对于抗拔桩可经计算分析后选用或另行设计。抗拔桩选用原则中应根据设计要求,除设置端部锚固筋外,同时要求选用加厚端板,并增大端板的焊接坡口尺寸。对于多于一个接头的预制桩连接,抗拔力较大,接桩处焊接连接质量与施工管理水平密切相关,缺少实际工程验证时应慎用。如若采用,应组织专家论证,论证通过方可使用。

采用桩顶填芯区插筋与承台连接。填芯高度Lh按计算确定,即Lh≥Qt/(Upnxfn),且高度不小于10B及4.5m的大值。式中Qt表示单桩抗拔力极限标准值,fn表示填芯混凝土与桩内壁的极限粘结强度标准值,建议值为300~400KPa。图集中还给出了端部锚固筋的选用,以及接桩连接详图。尤其是前者,给出端部锚固筋方便了设计选用以及空心方桩生产厂家的制作。

(3)浙江省标图集《机械连接先张法预应力混凝土竹节桩》(2016浙G32)中对于抗拔桩可经计算分析后选用或另行设计。对于单根桩长度多于两节时,抗拔承载力计算宜按上部两节计算,否则应进行技术论证。

抗拔连接时,对于不截桩桩顶采用锚固钢筋通过螺母与预应力钢棒机械连接,同时桩顶填芯区插筋与承台连接。填芯高度H不小于4Dw和3.0m的较大值。对于截桩桩顶建议采用同预应力空心方桩的计算方法。桩与桩之间接桩采用机械连接。

(注明:竹节桩桩顶连接详图由朱晓斌工程师提供)

对于预应力管桩、空心方桩的抗拔连接构造,影响抗拔承载力的主要因素是桩顶填芯区的质量,应保证填芯区混凝土与桩内壁的粘结强度。地下室抗拔桩桩顶标高低于自然地面,通过送桩器静压至设计标高。施工过程中浅部土层泥浆进入管桩空腔内,基坑开挖后应将管桩内壁浮浆清理干净,必须加强该道工序的质量管理,保证抗拔桩承载能力。

5   结语

对于建筑地下室抗浮问题,应结合工程的具体条件,选择合适的抗浮措施,多方面考虑确定合理的抗浮安全度。大底盘多塔楼间纯地下室抗浮设计应根据施工与使用期间的不同工况分别验算,采取不同的抗浮措施需要建设项目各主体单位间相互配合协调,确定合适的施工方案。工程技术人员在选用标准图集时,对于图集中没有达到设计要求的内容,应进行专门设计或对标准图集进行变更。


参 考 文 献

[1]GB50007-2011建筑地基基础设计规范.北京:中国建筑工业出版社,2011

[2]JGJ 94-2008建筑桩基技术规范.北京:中国建筑工业出版社,2008

[3 ]全国民用建筑工程设计技术措施(2009年版) 结构(地基与基础). 2009