抗拔樁及防水板的設計研究

惠麗潔

（中國移動通信集團設計院有限公司山東分公司，濟南 250010）

1 引言

對于地下車庫的抗浮設計，當僅靠增加壓重不能滿足結構抗浮要求時，需設置抗浮錨桿或抗拔樁等。因抗浮錨桿相對經濟，且可使防水板所受浮力更均勻地傳給地基，因此，設計通常首選設置抗浮錨桿。而當水浮力較大或基礎的持力層較軟弱時，采用抗浮錨桿可能不是最經濟的方案，可通過設置工程樁兼抗拔樁來承受上部結構荷載和水浮力。

2 抗浮計算要點

2.1 抗浮設防水位

抗浮設防水位為結構設計使用年限內可能出現的最高水位，一般地勘報告會直接給出。對于情況復雜的重要工程，提出抗浮設防水位時應進行專門的研究[1]。

2.2 抗浮穩定性要求

基礎抗浮穩定性應符合下式要求[2]：

式中，G 為建筑結構自重、附加物自重抗浮結構及構件抗力設計值總和，kN；Nw,k為浮力設計值，kN；Kw為抗浮穩定安全系數。計算時需考慮JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技術標準》第6.3.7 條抗浮組合系數。

2.3 地下水壓力的荷載分項系數

根據《結構設計統一技術措施》，當進行結構承載力計算時，地下水壓力荷載分項系數：當地下水位變動幅度較大時，可按可變荷載取1.5，否則可按永久荷載取1.3。此外，地下水頭乘以荷載分項系數后不應超過地下室的埋深，若抗浮設防水位高于室外地坪，則不應超過抗浮設防水位[3]。

3 基礎計算

3.1 工程樁兼抗拔樁的計算

在低水組合下，上部結構傳來的荷載應由樁全部承擔，防水板僅承擔其自重及其上面荷載，并將荷載直接傳給地基。在高水組合下，防水板除承擔其自重及其上面荷載還承受水壓力，同時又將反力傳給樁承臺，通過樁的拔力抵抗水浮力。工程樁兼抗拔樁需同時滿足抗壓承載力及抗拔承載力的設計要求。

3.1.1 單樁豎向極限承載力特征值Ra計算

式中，Rsk為樁周極限承載力特征值；Rpk為樁端極限承載力特征值；u 為樁身周長；qsi為樁側第i 層土的側阻力特征值；qp為樁的端阻力特征值；li為樁周第i 層土的厚度；Ap為樁端橫截面面積；ψsi為大直徑灌注樁側阻力尺寸效應系數；ψp為大直徑灌注樁端阻力尺寸效應系數[4]。

3.1.2 樁身正截面受壓承載力N 計算

式中，ψc為基樁成樁工藝系數，對于水下灌注樁取0.7；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；Aps為樁身截面面積；fy′為縱向主筋抗壓強度設計值；A′s為縱向主筋截面面積。

3.1.3 單樁抗浮承載力特征值計算

式中，d 為樁身直徑；qsik為樁側第i 層土黏結強度標準值；λi為抗拔系數；l′i為第i 層土內樁長。

3.1.4 抗拔樁正截面受拉承載力N′計算

本文僅考慮非預應力樁：

式中，fy為鋼筋抗拉強度設計值；As為鋼筋截面面積。

3.1.5 抗拔樁裂縫驗算

式中，ωmax為按荷載效應標準組合計算的最大裂縫寬度；αcr為構件受力特征系數；φ 為裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數，當φ＜0.2 時，取φ=0.2；當φ＞1.0 時，取φ=1.0；σs為按荷載準永久組合計算的鋼筋混凝土構件縱向受拉普通鋼筋應力；cs為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區底邊的距離，mm，當cs＜20 時，取cs=20；當cs＞65 時，取cs=65；ρte為按有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率；deq為受拉區縱向鋼筋的等效直徑；Es為鋼筋彈性模量。

GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》（2015 年版）中關于裂縫的計算是針對構件正常使用狀態，對于抗拔樁只需正常使用極限狀態下的裂縫寬度滿足要求即可，即抗拔工程樁裂縫驗算可取單樁抗浮承載力特征值。而對于抗拔樁的試驗樁，是為了驗證地基土對樁的極限拔力，裂縫驗算應取單樁抗浮極限承載力標準值。

3.2 防水板計算

防水板作為一種特殊的板，受力復雜，一般采用倒樓蓋法計算其配筋。需注意基礎對防水板的沖切作用，當地下水頭較高、防水板較薄且承臺尺寸較小時，極易造成防水板受沖切承載力不滿足。結構設計軟件只有采用筏板計算時，可計算防水板的受沖切承載力，采用防水板計算時不能計算，需根據規范手算復核。防水板受沖切示意圖如圖1 所示。

圖1 防水板受沖切示意圖

4 工程實例

以某地下車庫設計為例，地下車庫僅地下2 層，采用框架結構，基礎布置如圖2 所示。車庫基礎采用樁承臺+防水板，主樓和地下車庫相鄰一跨的跨度為8.1 m，通過計算相鄰部分主樓樁基礎最大沉降為12.2 mm，車庫樁基礎最大沉降為12.33 mm，滿足主樓與相鄰的裙房柱的差異沉降不大于裙房邊跨（與主樓相鄰）跨度的0.1%。

圖2 地下車庫基礎結構平面圖

場地抗浮設防水位為-3.540 m（相對標高），地下車庫防水板頂標高-10.750 m，板厚600 mm，地下車庫頂板回填土厚1.55 m。根據地勘報告，樁基設計參數如表1 所示。抗拔樁采用泥漿護壁鉆（沖）孔灌注樁，直徑800 mm，采用C35 混凝土，樁長15 m，樁端入第5 層全風化云母片巖不少于2 m，場地水具有弱腐蝕性，樁保護層厚度為70 mm，樁身裂縫控制等級為三級。

表1 土層主要物理力學指標

4.1 單樁豎向極限承載力特征值（僅考慮樁的側阻力）

單樁豎向極限承載力特征值Ra=u∑ψsiqsili=1 663 kN；

樁身正截面受壓承載力Nu=ψcfcAps=5 872 kN＞1.35 Ra；

單樁豎向極限承載力特征值取為1 450 kN，可滿足計算要求。

4.2 抗浮承載力特征值計算

單樁抗浮承載力特征值為Quk/2=πd×∑λiqsikli/2=1 020 kN；

單樁抗浮承載力特征值取為800 kN，可滿足計算要求。

4.3 抗拔樁正截面受拉承載力計算

4.4 抗拔樁裂縫驗算

Nk=800 kN 時，

ωmax=αcrφσ（s1.9cs+0.08deq/ρte）/Es=0.09 mm＜0.2 mm。

4.5 地下車庫抗浮驗算

回填土的重度不小于16 kN/m3，混凝土重度不小于22 kN/m3。計算時，結構內部填充墻、回填材料重量、地下室頂板及側壁回填混凝土和土的抗浮力組合系數取0.9。

1）地下車庫整體抗浮計算：上部傳來恒載（軟件計算結果）=89 759 kN；防水板及其上恒載（防水板自重＋墊層自重+防水板挑板覆土重量）=34 133 kN；圍區水浮力Nw,k=139 524 kN。

地下車庫區域共布設99 根抗拔樁：Kw=G/Nw,k=(上部結構傳來恒載+防水板及其上恒載+抗拔樁可抵抗的水浮力)Nw,k=1.45≥1.1。

所以，地下車庫整體抗浮同時滿足施工期間和使用期間穩定性要求。

2）地下車庫局部抗浮計算：取最不利處，地下車庫無地上結構處（取E 軸上8.4 m×7.95 m 的計算單元）計算。

計算單元內的建筑物自重及壓重G=（地下室頂板覆土重G1+地下一層頂板梁及板自重G2+地下二層頂板梁板自重G3+柱自重G4+防水板自重及其上墊層重G5）=3 357 kN；

圍區水浮力=5 282 kN，柱下需布設4 根抗拔樁，故：

Kw=G/Nw,k=（計算單元內的建筑物自重及壓重G+計算單元內抗拔樁可抵抗的水浮力）/Nw,k=1.24＞1.1。

所以，地下車庫局部抗浮穩定性滿足施工及使用期間抗浮穩定性要求。

4.6 防水板計算

本工程防水板600 mm 厚，采用筏板計算。該地下車庫為人防地下室，防水板配筋取平時設計和人防設計的包絡值。經復核計算，防水板在承臺附近受沖切承載力滿足設計要求。

5 結語

樁承臺+防水板作為一種重要的抗浮措施，在工程中具有較廣泛的應用。本文以某地下車庫的抗浮設計為例，詳細討論了抗拔樁及防水板的計算及設計要點，為后續工程設計提供一些借鑒。抗浮設計是結構設計的重要一環，關乎結構的安全使用，結構工程師需給予充分的重視并采取安全、合理、經濟的抗浮措施。