某住宅項目地下車庫抗浮設計優化及思考

陳秋汝 李鵬飛 洪湖

1.綠地集團合肥美湖置業有限公司 安徽 合肥 230009

2.中建七局第二建筑有限公司 江蘇 昆山 215300

3.合肥市康健房地產開發有限公司 安徽 合肥 230009

1 項目概況

本案為合肥市某高端住宅項目。其中北側含二層地下車庫及3棟高層建筑。地庫部分兩層地下室局部為人防，層高均為3.6m，純地庫部分（不含主樓）地下二層面積為10675.5m2，見圖1地下二層平面布置圖。地下室頂板覆土厚度1.2m，室內外高差0.15m。地庫周邊土質情況依次為①層雜填土，②層黏土，③層黏土，詳見圖2工程斷面剖面圖。地庫采用天然地基，持力層為③層黏土層，未修正的地基承載力特征值fak=330kPa。根據地勘報告：本場地中基坑位于地下水水位以下，設計時應考慮其對結構的上浮作用。場地抗浮水位按設計地面標高下1.0m考慮。

圖1 地下二層平面布置圖

圖2 工程地質剖面圖

2 原設計情況

純地下車庫部分采用小柱網框架結構，標準段柱網為（4.8+4.8+4.8m）x8.0m。原設計主樓部分采用樁筏基礎，樁基采用PHC 500 AB 125-23高強預應力管樁，樁端持力層為④層強風化泥質砂巖，樁基承載力特征值2500kN。純地庫部分采用筏板+下柱墩的基礎形式，以③層黏土層為基礎持力層。筏板厚度為450mm，配筋為F14@170雙層雙向，局部加強配筋。

抗浮設計采用抗浮錨桿，錨桿直徑200mm，設計長度10m，錨桿承載力特征值150KN。為平衡沉降差異，地庫和主樓交界處設置沉降后澆帶。標準柱跨基礎設計詳見圖3標準跨基礎平面布置圖，下柱墩配筋詳圖見圖4。下柱墩除按表內配筋外，尚且采用局部加強的方式，增加局部鋼筋配置。

圖3 標準跨基礎平面布置圖

圖4 下柱墩配筋圖

3 優化思路

原設計地下車庫部分基礎考慮采用平筏板加下柱墩的形式，有以下幾點值得商榷：（1）③層黏土土質情況優良，承載力較高，采用滿堂筏板的形式不能最大利用土體承載力，由于合肥地區不考慮最低水位對基礎計算的有利作用，在計算上部恒活荷載作用下，地基反力由柱底傳遞的越遠，柱根部的彎矩就會越大，需要配置的計算鋼筋就會越多。而且由于按筏板考慮，柱底沖切區域的基礎反力較小，導致下柱墩需要的抗沖切高度需要加高，增加了混凝土用量。（2）本項目有二層地下室，上部結構荷載相對于土方開挖重量較小，基礎為補償性基礎，純地庫部分的沉降有限，甚至不沉降，而主樓為30層高層剪力墻住宅，為解決承載力及沉降要求雖采用樁基，但仍有不小的沉降量。純地庫部分采用抗沉降能力較好的筏板基礎，無疑對協調主樓和地庫部分的沉降差異不利。（3）原設計下柱墩和平筏板交界處采用45度放坡的形式會增加混凝土及構造鋼筋的用量。（4）抗浮錨桿在柱底區域以外幾乎滿堂布置，而抗浮錨桿對筏板抗浮配筋計算的有利作用未能充分考慮，導致筏板厚度較厚，配筋較大。

針對以上幾點，經研究后提出以下優化建議：（1）按“地盡其力，就近原則”充分利用地基承載力，調整地庫基礎形式，由筏板基礎，調整為獨基+防水板的基礎形式，以解決下柱墩高度和配筋較大問題，同時更好的協調主樓和地庫的沉降差；（2）防水板計算時，考慮抗浮錨桿的有利作用，全面優化防水板的厚度和配筋；（3）獨立基礎按抗沖切控制其高度，取消原下柱墩和筏板交界處的放坡設計，采用直壁方式，優化混凝土和鋼筋用量。

4 優化成果

本項目因決定采取優化措施時，已經臨近施工，且設計方案已經修改過3次，為保證項目進度，同時避免因頻繁修改導致設計單位的抗拒心理。本次優化在上述建議的基礎上，考慮設計周期短，修改內容少，優化進度快的方案，在筏板厚度優化上原建議由450mm優化至350mm，到考慮到調整為350mm以后，抗浮錨桿需要全部重新布置驗算，在有限的時間內，恐怕難以達到預計效果，在和設計及審圖充分溝通后，決定由450mm調整為400mm，因原設計抗浮錨桿承載力稍有余量，調整板厚后，抗浮錨桿基本無需重新設計。饒是如此，優化的結果依舊令人滿意。優化后防水板配筋為F12@180雙層雙向。圖5為優化后的獨立基礎詳圖。

圖5 獨立基礎配筋圖

優化后的混凝土節省用量為筏板改防水板部分：10675.5x0.05=533m3，下柱墩改獨基部分約917m3，詳見表1統計。總計約533+917=1450m3。

表1 下柱墩改獨基混凝土用量統計

優化后，鋼筋約節省150t左右，此外節省了土方開挖等相應的工程量，項目總結優化資金約計150萬元至200萬元人民幣，相對于1萬m3左右的地下車庫，結果令人滿意。

5 抗浮錨桿設計的相關思考

1）抗浮錨桿概念

抗浮錨桿是一種常見的建筑工程地下結構抗浮措施，又叫做抗浮樁。和一般的基礎樁相比較，抗浮錨桿有著比較特殊的工作性能：基礎樁通常為抗壓樁，荷載由樁體承受，并從樁頂向樁底傳遞，樁體的受力大小也隨著建筑荷載的變化而發生改變；而抗浮樁的特殊之處在于，由抗拔樁體承受拉力，普通抗浮樁也是從樁頂向樁底傳遞荷載，樁體的受力大小隨著地下水位的變化而發生改變，但二者的受力機制卻是恰恰相反的。

2）結構抗浮穩定安全系數

地下結構在水浮力作用下需要有足夠的安全度。對于抗浮驗算的相關規定，國內不同的規范稍有差別，關于抗浮穩定安全系數或水浮力荷載分項系數的規定目前尚未統一。根據規范規定，“結構抗浮穩定安全系數Kw，一般情況下可取1.05”[1]。該處的安全系數一般用在靠配重等方式解決抗浮問題，對于抗浮錨桿及抗拔樁，因為在承載力特征值計算時，已經考慮了2倍的安全儲備[2,3]，所以該系數可以不再重復考慮。鑒于設計人員，甚至計算軟件較少考慮該點，在設計管理中可以予以關注。

當采用抗浮錨桿時，可按下式確定抗浮錨桿的配置數量：

式中：Nw,k為水浮力作用標準值；Gk為結構自重及配重之和；R為單樁（錨桿）抗拔承載力特征值。

3）建筑結構抗浮錨桿適用的規范情況

針對建筑結構采用的抗浮錨桿，國家并無針對性的規范，《建筑地基基礎設計規范》有針對巖土錨桿設計的部分，但并不全面，而且適用范圍有限。《建筑邊坡工程技術規范》、《巖土錨桿（索）技術規程》雖有相關設計內容，但與建筑結構設計采用的分項系數，荷載叫法等不盡相同，如《地基基礎》中采用的“抗拔承載力特征值”，而在《邊坡規范》中叫做“錨桿軸向拉力標準值”。《邊坡規范》采用1.3倍標準值計算配筋，而在《地基基礎》表述中，若采用1.3倍標準值則不能滿足2倍的安全儲備。所以不加區分的直接套用將會造成一定的偏差或不經濟。

4）抗浮錨桿設計的相關建議

抗浮錨桿承載力是由巖土抗力（抗拔出）與構件材料強度（抗拉斷）兩個因素共同控制的。前者采用安全系數法確定抗拔承載力特征值，是抗拔構件入土長度的決定因素，通常安全系數不小于2.0。后者采用分項系數法確定抗拔承載力特征值，是抗拔構件所需鋼筋數量的決定因素。抗拔構件所需鋼筋數量需要滿足下式：

上式中：N代表抗拔構件的軸向拉力設計值；fy，代表普通鋼筋的抗拉強度設計值。

為了進行安全度比較，需要將式（2）換算成安全系數法的形式。荷載的綜合分項系數取1.35，則有N=1.35Nk，其中Nk為抗拔構件的軸向拉力標準值；按《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）[4]（熱軋鋼筋材料分項系數γs取1.1，預應力鋼絞線材料分項系數取1.2，故有fy=fyk/1.1，其中fyk，為普通鋼筋抗拉強度標準值，代入式（2）整理得：

從式（3）可見，抗浮錨桿材料強度的承載力安全系數范圍大約在1.4至1.5之間，與巖土的抗力安全系數2.0并不匹配，因此實際上安全度是由前者控制。由此也造成如下問題：（1）在事前開展的的抗拔承載力檢測，實際上是對巖土抗力控制的承載力進行檢測，為了滿足2.0的安全系數，就需要增加試驗構件的實際配筋量；（2）在事后抽檢，也就是施工完成后檢測工程樁（錨桿）時，由于受到材料強度的制約，工程樁（錨桿）只能拉到1.4—1.5倍特征值，無法驗證巖土抗力是否能夠達到安全系數2.0。

基于以上分析，現提出以下建議：將抗拔構件材料強度承載力安全系數提高到2.0，抗拔構件所需配筋量按下式確定：

這樣可以使抗浮錨桿的材料安全系數和巖土抗力的安全系數相匹配。

對于抗浮錨桿巖土抗力，鑒于規范多為估算值，且不同規范之間尚未統一，差異較大，建議采用施工前試驗確定承載能力，確保抗浮設計安全和經濟。

5）筏板或防水板厚度和抗浮錨桿的關系

抗浮錨桿的布置方式（常規有點狀集中布置，線狀集中不知，面狀均勻布置等方式），在很大程度上決定了筏板（防水板）的配筋計算，進而影響了筏板（防水板）的厚度設置，成為筏板（防水板）厚度選擇的一個因素。

抗浮錨桿影響筏板（防水板）厚度的另外一個因素就是抗浮錨桿的配筋設置，因為要考慮到抗浮鋼筋的直段錨固長度，所以抗浮錨桿鋼筋的直段錨固長度，決定了板厚的最低要求。由于抗浮錨桿的鋼筋直接影響抗浮錨桿的承載能力，所以，在抗浮設計時需要在經濟性上考量，以平衡板厚和抗浮錨桿單根承載力的關系。

6 結論

和主樓相連的純地下車庫，采用抗浮設計時，地質條件較好，若采用抗浮錨桿，宜采用獨立基礎+防水板的形式，一方面可以取得較好的經濟效果，另一方面對解決主樓和地庫部分的沉降差異效果顯著。注重概念設計和細節可以取得不錯的優化成效。