淺析建筑物抗浮設(shè)計(jì)

張曉川

摘 要：一直以來，建筑物的抗浮設(shè)計(jì)都是工程設(shè)計(jì)人員的重要關(guān)注點(diǎn)，建筑物的地基基礎(chǔ)抗浮設(shè)計(jì)是地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。該文首先對地下水位的判斷以及地下水浮力的計(jì)算進(jìn)行了說明，對建筑物基礎(chǔ)抗浮重要性及水位的判斷進(jìn)行探討，在基礎(chǔ)抗浮荷載及安全系數(shù)的計(jì)算基礎(chǔ)上闡述了主要的抗浮方法及其適用性；其次，對抗水板的設(shè)計(jì)進(jìn)行了細(xì)致探討；最后，提出了增加抗浮錨桿的基礎(chǔ)抗浮設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：抗浮錨桿；抗浮設(shè)計(jì)水位；錨桿抗拔力設(shè)計(jì)值

中圖分類號：TU241 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城市現(xiàn)代化的高速發(fā)展，地下空間的利用也越來越被重視，在大城市中，兩層地下室的高層建筑已非常常見，3～5層地下室的大型公共建筑也越來越多。地下水對建筑物的影響已不可忽視，在有些區(qū)域甚至起控制作用，在帶裙樓高層建筑及大底盤高層建筑中表現(xiàn)得尤為突出。目前，由于抗浮問題考慮不充分而發(fā)生建筑損壞的例子已屢見不鮮。在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)謹(jǐn)慎思考地下環(huán)境的每一處影響。

1 地下水的浮力與抗浮設(shè)計(jì)水位

1.1 判斷地下水位

對于建筑物的抗浮設(shè)計(jì)來說，地下水位的判斷非常關(guān)鍵，此工作通常由地勘單位來完成。由于地下水的不確定性及地質(zhì)復(fù)雜性，需要勘察人員運(yùn)用專業(yè)的技術(shù)并通過觀察當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)得出。

首先，查明地下水類型、埋藏條件、補(bǔ)給及排泄條件及穩(wěn)定水位；提供季節(jié)變化幅度和各主要地層的滲透系數(shù)。提供地下水水質(zhì)簡分析報(bào)告，判定水質(zhì)和土是否對建筑材料具有腐蝕性。然后根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，判斷場地潛水地下水位年變化幅度，枯水期時(shí)段范圍及豐水期時(shí)段范圍。最后結(jié)合歷史記錄得出抗浮設(shè)計(jì)水位。此抗浮設(shè)計(jì)水位可作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員抗浮設(shè)計(jì)的依據(jù)。

1.2 計(jì)算地下水浮力

建筑物基底水浮力為：F（kN/m2）=H×rw

其中，H為地下水水頭高度（抗浮設(shè)計(jì)水位高度減建筑物基底高度）， rw為水的重度。

在建筑整體抗浮計(jì)算時(shí)，此水浮力可直接使用。當(dāng)進(jìn)行地下室抗水板及錨桿配筋設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)乘以分項(xiàng)系數(shù)（通常為1.35）。

2 建筑物純地下室的抗浮設(shè)計(jì)

在高層建筑中，主樓由于樓層較多通常可不考慮抗浮設(shè)計(jì)，而純地下室則是抗浮設(shè)計(jì)的主要考慮對象。

2.1 整體抗浮荷載

基礎(chǔ)抗浮荷載計(jì)算公式：Q=F-G

式中：F為水浮力標(biāo)準(zhǔn)值；G為結(jié)構(gòu)自重及其他永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值之和；整體抗浮計(jì)算時(shí)可不考慮分項(xiàng)系數(shù)。

G=各樓層結(jié)構(gòu)自重（包括地下室底板）+各層建筑面層重量+地下室頂板覆土重

2.2 抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算安全系數(shù)K

K=G/F

式中：G為結(jié)構(gòu)自重及其他永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值之和；F為水浮力標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算一般采用單一安全系數(shù)，安全系數(shù)K≥1. 05。

當(dāng)不滿足時(shí)應(yīng)采用抗浮措施保證建筑物的安全。

2.3 主要的抗浮方法及其適用性

抗浮方法各有不同，抗浮錨桿作為地下室抗浮設(shè)計(jì)的主流具有一定的優(yōu)越性，下面著重討論抗浮錨桿的設(shè)計(jì)方法。

Nak= （F-G）×b2

Nak為錨桿承受的拔力標(biāo)準(zhǔn)值；F為水浮力標(biāo)準(zhǔn)值；G為結(jié)構(gòu)自重及其他永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值之和；b為錨桿間距。

錨桿抗拔承載力計(jì)算：

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB 50330—2013

桿體截面：As≥KbNak/fy

As為錨桿鋼筋面積；Kb為抗拉安全系數(shù)；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

錨桿長度按下列公式計(jì)算并取大值

La>KNak/πDfrbk

La>KNt/nπd fb

La>1.35Nak/ b2r

La為錨桿計(jì)算長度；frbk為巖土體與錨固體極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；D為錨桿直徑；n為錨桿鋼筋根數(shù)；fb為鋼筋與錨固砂漿間的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；d為錨桿鋼筋直徑；b為錨桿布置間距；r為土體容重（地下水位以下取浮重度）。

當(dāng)進(jìn)行地下室抗浮錨桿設(shè)計(jì)及施工時(shí)應(yīng)注意以下要求：錨桿全面施工前應(yīng)作基本試驗(yàn)以確定錨桿長度，試驗(yàn)最大加載量應(yīng)滿足規(guī)范要求（基本試驗(yàn)施工單位應(yīng)根據(jù)承載力要求增大錨桿鋼筋直徑），且不得小于單根錨桿抗拔力設(shè)計(jì)值Nt的2倍。試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)不同的土層情況、錨桿長度及抗拔承載力特征值要求確定試驗(yàn)組數(shù)。每一種情況錨桿數(shù)不得少于3根；當(dāng)試驗(yàn)完成后應(yīng)形成試驗(yàn)報(bào)告以供設(shè)計(jì)人員確定本場地的錨桿長度。驗(yàn)收試驗(yàn)錨桿數(shù)量不得小于總錨桿數(shù)量的 5%，且不應(yīng)小于 6根，試驗(yàn)最大加載量不應(yīng)小于單根錨桿軸向拉力Nt的1.5倍。成孔應(yīng)采用機(jī)械成孔，應(yīng)根據(jù)土層條件采用泥漿護(hù)壁或鋼套筒護(hù)壁等措施，以避免孔壁坍塌，錨桿的孔位和孔徑誤差應(yīng)不大于20 mm，鉆孔的軸線偏斜率不應(yīng)大于桿體長度的2 %。

工程停止降水的時(shí)間應(yīng)同時(shí)滿足以下條件：

（a）完成地下室頂板及擋土墻周邊地面回填，回填土容重16 kN/m2～18.0 kN/m2。

（b）塔樓結(jié)構(gòu)施工完畢后。

（c）各樓層面層施工完畢后。

當(dāng)在地下室布置抗浮錨桿時(shí)，應(yīng)盡量均勻布置，抗水板及柱下基礎(chǔ)均應(yīng)布置。如果采用柱下基礎(chǔ)不布置錨桿，集中布置在抗水板區(qū)域內(nèi)，由于錨桿對土體的擠密效應(yīng)，會(huì)造成抗水板下面的反力增加，柱下基礎(chǔ)反力減小，反而使柱下基礎(chǔ)抗沖切不安全。

3 抗水板所承受的水浮力設(shè)計(jì)值

q=1.35×F-Gq-（F-G）

式中：q為扣除抗水板自重及錨桿拉力后抗水板所承擔(dān)的水浮力；F為水浮力標(biāo)準(zhǔn)值；Gq為抗水板自重；F-G錨桿承受的拉力標(biāo)準(zhǔn)值。

Mox =0.125qly（lx-2c/3）2

式中：Mox為抗水板所承受的最大彎矩；ly 、lx為抗水板2個(gè)方向的跨度；c為柱帽尺寸（柱截面寬度+2倍抗水板厚度）。

彎矩分配（查表計(jì)算）：

當(dāng)采用近似計(jì)算時(shí)，抗水板鋼筋計(jì)算值A(chǔ)s=M/0.9fyho，式中ho為抗水板的厚度。

4 基礎(chǔ)抗浮設(shè)計(jì)方法

在多層地下室結(jié)構(gòu)中，由于水浮力過大，抗浮錨桿已不能滿足需求，這時(shí)應(yīng)采用抗拔樁，抗拔樁的設(shè)計(jì)原則詳見地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范。

5 結(jié)語

確定地下水位依靠的是水位觀測網(wǎng)，多年的觀測數(shù)據(jù)也能提供很好的幫助，這一數(shù)據(jù)對工程造價(jià)的影響非常大，而且它具有很強(qiáng)的政策性，這一公共資源需要政府去主導(dǎo)并建立相關(guān)法規(guī)。

地下水荷載分項(xiàng)系數(shù)采用1.0比較合適。永久荷載分項(xiàng)系數(shù)一般來說都是0.9～1.0。抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算安全系數(shù)一般取1.05～1.1。

每一個(gè)抗浮方法都有獨(dú)立的適用性，對應(yīng)的就會(huì)有各種優(yōu)缺點(diǎn)，在選擇的時(shí)候，要根據(jù)地質(zhì)條件、水浮力大小、后期運(yùn)行條件等特點(diǎn)進(jìn)行合理科學(xué)且經(jīng)濟(jì)的選擇。

參考文獻(xiàn)

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