高層建筑附建式地下室的抗浮設計淺析

文／程為、蘇杭 長沙金科房地產開發有限公司 湖南長沙 410000

引言：

水浮力的產生遵循物理學中的阿基米德原理：浸入液體里面的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于它排開的液體的重力，向上的水浮力F浮=ρ液gV排，V排=S＊h深。我們從浮力的計算公式可以看出，地下室埋藏越深所受到的浮力也就越大，當水浮力大于地下室自重（含壓重）時，地下室就會被浮起來。按照地下室抗浮破壞的形式分為整體抗浮和局部抗浮，通常高層建筑的自重較大，自重會大于水浮力，一般不會出現整體抗浮不滿足的情況，只需要加強地下室底板的剛度（板厚、配筋）滿足局部抗浮即可。而純地下室部分的自重相對較小，當地下室層數較多、埋藏較深時就容易出現整體抗浮不滿足的情況，因此純地下室不僅要驗算整體抗浮穩定性還要計算局部抗浮。這里需要提到的是大底盤地下室結構，高層建筑相對于地下室的布置是不規則的，由于高層建筑的自重很大，而純地下室自重相對較小，在水浮力的作用下高層建筑與純地下室相關范圍內的構件內力計算很復雜，建議是高層建筑主樓范圍與純地下室區域切分開單獨進行抗浮驗算。對于項目結構設計來說，做好地下室抗浮設計工作，保障地下室結構的安全是最基本的要求。論文將以長沙某項目為例，簡單介紹地下室抗浮設計思路，希望能為高層建筑附建地下室的設計施工提供借鑒。

1.項目概況

項目總用地面積約10 萬m2，總建筑面積約22.67萬 m2，單層地下室面積約4.87 萬m2，主要業態有高層住宅、商業、幼兒園等。項目場地位于長沙縣，交通方便，地理位置優越，其原始地貌單元屬于丘陵，整個場地西高東低，南高北低，最大高差約11m，總圖的豎向設計思路是采用地下室分臺來消化場地高差，地下室頂板覆土厚度約1.35 ～1.78m。

項目巖土工程詳細勘察報告顯示，場地內埋藏的地層主要由人工填土（Q4ml）、第四系沖洪積（Q4al+pl）粉質粘土、白堊紀（K）強風化泥質粉砂巖、白堊紀（K）中風化泥質粉砂巖組成，場地水對鋼筋混凝土結構具有微腐蝕性，地基基礎設計等級為乙級，建筑抗浮工程設計等級為乙級。勘察期間，測得上層滯水穩定埋深介于4.50m ～9.00m，相當于高程 58.15m ～60.83m，其水量極小，綜合考慮場地周圍道路標高58.11m ～69.50m，抗浮設計水位標高根據地下室分臺標高做了精細化區分，其中，I 區抗浮水位標高57.6m（計算出抗浮水頭約為4.2m）；II 區抗浮水位標高60.6m（抗浮水頭約為4.5m）；III 區抗浮水位標高63.35m（抗浮水頭約為5.6m）；IV區抗浮水位標高67.05m（抗浮水頭約為5.6m）；V 區抗浮水位標高68.80m（抗浮水頭約為4.7m）；VI 抗浮水位標高64.05m（抗浮水頭約為5.6m），施工期與使用期的抗浮水位采取同樣的值。

根據建筑地下室底板標高結合地質剖面圖分析，地下室底板絕大部分處于強風化泥質粉砂巖中，考慮到建筑基礎的經濟性，高層建筑的基礎形式采用筏板或獨立基礎，純地下室基礎形式為筏板（350mm）+下柱墩。同時考慮地下室的停車效率、經濟性結合樓盤偏剛需的定位屬性，地下室采用中柱網，頂板采用單向次梁方案，項目上部結構的嵌固端為基礎頂，地下室頂板厚度最薄處設計為160mm。項目單層地下室，基坑平均深度約5m，基坑支護采用自然放坡+坡面掛網噴漿的形式。

2.抗浮穩定性驗算

《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）第5.4.3 條[1]規定建筑物基礎存在浮力作用時應進行抗浮穩定性驗算，基礎穩定性驗算公式為Gk/Nw,k≥kW，式中kW一般情況下可取1.05。當抗浮穩定性驗算不滿足設計要求時，可采用增加壓重或者設置抗浮構件等措施抗浮，當整體穩定性滿足而局部穩定性不滿足時，也可以采用增加結構剛度的措施抗浮。

結合項目具體情況，高層住宅塔樓自重較大且剪力墻布置間距較密，抗浮穩定性滿足要求。純地下室部分取最不利區域進行初步估算，常用材料和構件的自重參照《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）附錄A取值[2]，頂板覆土自重1.35x18=24.3 KN/m2，頂、底板結構自重（含底板50mm 厚細石混凝土剛性面層）（0.16+0.35+0.05）x25=14 KN/m2，結構柱、梁自重折算（0.45x0.55x3.6+0.4x0.64x7.7+0.3x0.54x5.5+0.3 x0.54x7.7）x25/7.7/5.5=2.9 KN/m2，得出自重及壓重之和約為41.2 KN/m2。按照上文描述的抗浮水位標高計算出抗浮水頭，又根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）第5.4.3 條計算出抗浮穩定性系數Kw均小于1.05，得出結論為純地下室抗浮穩定性不滿足設計要求。

3.地下室抗浮設計措施

做好地下室抗浮設計工作，選對合適的抗浮設計方法是關鍵。常用的抗浮設計方法有自重平衡法、抗力平衡法、浮力消除法等，設計過程中可靈活采用一種或者多種結合使用。

自重平衡法是工程中常用的一種抗浮設計方法，它是通過結構自重和施加的壓重進行抗浮。首先，增加自重的方式比如增加地下室頂板或底板的厚度，這種方式有利有弊，需要根據樓板的板厚及配筋綜合確定。若樓板在現有板厚條件下本身就是構造配筋，那么增加板厚會同時增加混凝土和鋼筋的含量，經濟上不劃算。若樓板在現有板厚條件下是計算配筋而且配筋很大，那么采用增加板厚的方式可以減少配筋，是比較合適的。其次，增加壓重的方式比如增加頂板上的種植土厚度、增加底板剛性面層厚度和結構底板外挑等。增加種植土厚度有利于小區園林堆坡造型，增加底板建筑剛性面層厚度有利于在剛性層中設置排水溝，結構底板外挑部分以上的覆土能提供較大的壓重。自重平衡法計算簡單施工方便但也有它的局限性，當水浮力超過結構自重較多時，單獨采用自重平衡法不夠經濟，建議是在抗浮穩定性系數Kw相差不大的條件下使用或者結合抗力平衡法一起使用。

抗力平衡法是工程中常用的一種抗浮設計方法，它是通過抗浮樁、抗浮錨桿等抗浮構件進行抗浮。簡單說就是利用抗浮樁、抗浮錨桿這類構件給地下室提供一個向下的拉力，防止地下室被浮起來。抗浮樁的類型有現澆混凝土灌注樁、預制樁等，現澆混凝土灌注樁常采用樁端擴底或者后注漿方式提高抗拔力，預制樁常選用預應力混凝土方樁或管樁。在實際工程中，通常是根據場地的適合樁型進行選用的，而且利用工程抗壓樁兼做抗浮樁使用可以節約成本，工程抗壓樁兼做抗浮樁在設計時應按抗壓和抗浮兩種工況進行包絡設計。主樓與地下室之間為避免滲漏，通常不會設置結構縫脫開，基礎與主體結構連成一體，此時若主樓采用天然基礎時，為避免主樓與純地庫的沉降差過大，不建議純地下室直接采用抗浮樁抗浮。抗浮錨桿按照是否施加預應力分為預應力抗浮錨桿和非預應力抗浮錨桿，預應力抗浮錨桿的工藝流程是先成孔，然后放置錨桿桿體，再注漿施工錨桿漿體，等漿體達到設計要求的強度后再進行錨桿的張拉施加預應力，由于提前施加了預應力，故預應力抗浮錨桿對裂縫的控制效果好且抗拔承載力高，但是其施工工藝相對復雜一些，導致施工工期延長，造價也相對較高。非預應力抗浮錨桿的工藝流程是先成孔，然后放置鋼筋桿體，再進行注漿施工錨桿漿體，漿體達到設計強度后即錨桿施工完成，非預應力錨桿有施工簡單、技術成熟，造價低等優點，但由于其對裂縫控制效果不佳，使用時有一定的局限性。錨桿裂縫控制的要求《建筑工程抗浮技術標準》（JGJ 476—2019）第7.5.8 條有明確規定，抗浮設計等級為甲級的工程，按不出現裂縫進行設計，在荷載效應標準組合下錨固漿體中不應產生拉應力；抗浮設計等級為乙級的工程，按裂縫控制進行設計，在荷載效應標準組合下錨固漿體中拉應力不應大于錨固漿體軸心受拉強度；抗浮設計等級為丙級的工程，按允許出現裂縫進行設計，在荷載效應標準組合下錨固漿體中最大裂縫寬度應滿足裂縫寬度限值要求[3]。

浮力消除法包括排水限壓、隔水控壓、泄水降壓等方式，通過設置排水溝、盲溝、濾水層、導水層、集水井等疏、排水措施，將地表水排走減少下滲或者地下水匯集后再通過相應設備將水抽排出去，減少或消除水浮力從而保障建筑物抗浮安全的目的。浮力消除法對場地水文地質有一定的要求，需要形成完善的疏水排水系統，施工和使用期間需要對地下水水位和水壓力進行監測，使用期間需要安排專人對設備和管道進行維護。浮力消除法對前期設計、施工和后期運營維護的要求都比較高，但浮力消除法利用得當能為工程項目節省大量的抗浮成本，故是否采用抗力消除法需要根據場地條件結合當地經驗綜合確定。

綜上所述，結合本項目的實際情況純地下室自重（含壓重）與水浮力差值較大，全部采用增加自重和壓重的方式進行抗浮不夠經濟，又地下水位較高建筑長期處于地下水位以下，考慮施工的難度及地方經驗、物業后期運營維護的難度和成本等原因未考慮浮力消除法，由于主樓和地下室均采用的是筏板或獨立基礎，根據地勘報告剖面圖，地下室底板標高絕大部分處于強風化泥質粉砂巖中，純地下室采用預制樁抗浮（長沙常用靜壓式或錘擊式高強預應力管樁）不適用于此地質條件，采用大直徑混凝土灌注樁兼做抗浮樁理論上可行，但主樓和地下室的不均勻沉降差容易造成地下室出現裂縫且混凝土灌注樁成本略高，故本項目綜合考慮采用自重平衡法結合預應力抗浮錨桿的方案。

4.抗浮錨桿的布置和計算

錨桿的平面布置可分為點狀布置、線狀布置和面狀布置，點狀布置一般是將錨桿布置在結構柱下，此種方式的優點是傳力直接，可以利用柱底軸力平衡掉一部分水浮力，同時地下室底板防水施工也比較方便，但由于錨桿集中布置不能給抗浮底板提供有力支撐，抗浮底板的板厚及配筋較大。線狀布置一般是將錨桿布置在基礎地梁下，此種方式有利于地下室底板防水施工，但由于錨桿布置在基礎地梁下同樣不能給抗浮底板提供有力支撐，抗浮底板的板厚及配筋較大。面狀布置一般是將錨桿均勻平鋪在抗浮底板下，這種方式對防水施工不友好，但能有效減小抗浮底板的配筋。本項目地下室錨桿的布置方式，根據地下室底板所受水浮力的大小做了區分，I 區～II 區錨桿按點狀布置在結構柱下，III 區～VI 區錨桿按面狀布置在筏板下。

抗浮錨桿承載力特征值的確定。抗浮樁或抗浮錨桿在大面積施工前需要進行試樁試驗，以此判斷實際施工的可行性，另外抗浮設計等級為甲級、水文地質條件比較復雜的乙級工程，應通過抗拔靜載荷試驗確定抗拔承載力特征值，試驗數量同一地層不少于3 根；其他情況可根據地質條件相近場地的試驗資料并結合地區經驗綜合分析確定抗拔承載力特征值。現選取本項目地下室V 區為例對錨桿的計算進行簡單闡述，地下室V 區結構底板面標高為64.49m，底板厚度350mm，抗浮水位標高68.8m，抗浮錨桿按底板均勻布置間距為2.25m，計算得出錨桿拉力值為193KN，單根錨桿抗拔承載力特征值按195KN取整。

抗浮錨桿的長度計算。設計采用抗浮錨桿錨固體直徑d=180mm，單根錨桿抗拔承載力特征值Nt=195kN，根據《建筑工程抗浮技術標準》（JGJ 476—2019）第7.5.4條，預應力錨桿進入強風化泥質粉砂巖的長度1a=K＊Nt/（0.8＊3.14＊d＊frbk）=2＊195000/(0.8＊3.14＊180＊0.15)=5750mm=5.75m，取整為6m。

抗浮錨桿筋體截面面積計算。錨桿筋體采用低松弛預應力1860 級鋼絞線，根據《建筑工程抗浮技術標準》（JG J 476—2019）第7.5.6 條，錨桿筋體截面面積As=Kt＊Nt/fy=2＊195000/1320=296mm2，根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）附錄A[4]，選用3Φ15.2。

地下室抗浮底板的計算。地下室底板的結構形式分為板式或梁板式，最近幾年常規地下室底板采用板式結構的較為多見，其中一部分原因是板式結構不用在地基上開挖梁槽施工更加方便。抗浮底板的計算要按照是否承擔上部結構荷載分開考慮，底板的厚度不小于350mm，當抗浮錨桿布置在底板上時，錨桿的抗力作為作用在底板上的荷載與底板承受的其他荷載組合進行沖切、抗剪和抗彎驗算。

5.預應力錨桿的施工工藝及檢測要求

預應力抗浮錨桿施工的大致流程為：鉆孔－清孔－錨桿鋼筋放置－注漿－張拉。抗浮錨桿常采用地質鉆孔機或專用錨桿機成孔，鉆孔宜采用干鉆成孔工藝，避免因采用水鉆而產生泥皮。鉆孔后采用高壓空氣清孔，將孔中的泥漿沖洗干凈，排出沉渣。緊接著注漿管與鋼筋綁扎在一起放入鉆孔，一次注漿管應能承受1MPa 的壓力，二次高壓注漿管應能承受1.2 倍最大注漿壓力。注漿材料采用普通硅酸鹽水泥，氯化物＜0.1%，水灰比0.45～0.50 的純水泥漿。注漿壓力0.5～0.8MPa，從孔底開始注至孔口反漿。二次注漿選用0.45～0.55 純水泥漿，在第一次注漿壓力形成的水泥結石體強度達到5.0MPa 后，用高壓注漿泵進行注漿，壓力2.5～4.5MPa。漿體混凝土強度等級達到設計強度后進行張拉，預應力錨桿的鎖定拉力值為1.2 倍錨桿拉力設計值。

錨桿質量檢測，抗浮錨桿驗收試驗的最大試驗荷載，取抗浮錨桿抗拔承載力特征值的1.5 倍。檢驗數量為錨桿總數的5%，且不少于5 根。

6.地下室抗浮新技術探討

本項目在設計過程中嘗試了一種預應力抗浮錨桿的新技術（典型剖面，詳見圖1），是對傳統后張法預應力抗浮錨桿的改進，其推廣名為全長壓力型后張預應力抗浮錨桿，其原理是通過增加一個預應力傳遞裝置能做到在地下室底板混凝土澆筑前，提前進行預應力筋張拉，張拉完成后將整個錨具一起澆筑在底板中，此技術解決了傳統預應力抗浮錨桿的一些痛點，比如，地下室底板上需要預留凹槽等待預應力筋張拉完成后才能封閉，預留的凹槽影響底板的完整性且新老混凝土交接處易形成滲漏的通道。其次，地下室底板施工完成后，才能進行預應力筋的張拉鎖定、封閉，增加了地下室的施工工期。底板施工完成后，錨桿進行預應力張拉和檢測時，一旦發現有不合格的錨桿，相對難以補救等等。

圖1 典型剖面

全長壓力型后張預應力抗浮錨桿的優勢是，第一錨具埋置在地下室底板內，底板可以一次性澆筑成型，不存在滲漏隱患，又由于錨具埋在底板內，故不需要額外的防腐蝕措施，錨具沒有突出底板不需要額外增加底板找平層的厚度。第二錨桿張拉期間可以同步進行底板鋼筋綁扎，兩道工序可穿插施工節約工期。第三預應力筋張拉和錨桿檢測的工序在底板澆筑前進行，如發現有不合格的錨桿，方便重新施工和補救等。以上是全長壓力型后張預應力抗浮錨桿的優勢，同時經過一段時間的市場調研也發現其存在一些不足，比如，此技術已被申請專利產品，埋置在底板中的應力傳遞裝置屬于此技術的核心構件，目前該構件的生產廠家很少，無法進行市場比價，有壟斷性質（一些公司有明文規定不能指定產品或使用壟斷產品），構件價格相對較高。另外由于該構件的生產廠家很少，廠家在業務較多的情況下，有可能出現產能不足、供貨不及時等問題。基于該技術的優劣勢，經過本項目的多方案經濟比選，建議是在水浮力較大的項目中考慮使用，并且在抗浮方案設計時盡可能提高單根預應力錨桿的抗拔承載力特征值，充分利用應力傳遞裝置的受壓極限，減少抗浮錨桿的數量，以此來減少應力傳遞裝置的使用量，達到降低施工難度節省錨桿成本的目的[5]。

結語：

綜上所述，高層建筑附建式地下室的抗浮設計首先應進行地下室的抗浮穩定性驗算，然后根據穩定性驗算結果針對性地采取抗浮措施。采用抗力平衡法時需要通過抗拔靜載荷試驗或當地經驗確定抗拔承載力特征值，按照規范要求計算出抗浮樁或抗浮錨桿的直徑和長度，通過受力分析及經濟性比選確定抗浮樁或錨桿的布置方式。另外還可通過使用新技術、新工藝等，降低施工難度，節省抗浮成本。總之，對于不同的施工項目應根據實際情況和項目特色對抗浮方案進行合理選取和優化利用，以提高建筑工程項目的綜合效益。