某大型地下車庫抗浮設計及計算分析

文／鮑永健、賈大煥 中國核電工程有限公司鄭州分公司 河南鄭州 450000

引言：

伴隨城市現代化建設和汽車業的飛速發展，城市地下空間的開發利用日益受到政府及地產主的重視，地下室的層數和深度也日趨增長；對于地下工程，特別是在高水位地區，地下車庫的抗浮問題在結構設計中不可避免。地下工程的抗浮設計是否合理，直接關系到工程的安全可靠和工程造價，應引起設計人員的高度重視。本文著重對地下車庫抗浮設計中最為關鍵的基礎抗浮設計加以論述，并結合工程實踐，提出合適的抗浮設計方案，可為相關工程設計提供參考。

1.抗浮設計的原理

地下室底板、地下室外墻和地庫頂板形成一個密閉的空心整體，其所受的水浮力相當于其排開抗浮水位以下水的重量。抗浮設計首先必須保證地下結構整體不上浮，以免導致上部構件破壞；整體抗浮滿足后，還需保證底板、側墻等局部構件能承擔水浮力荷載而不破壞；因此，地下車庫的抗浮設計包含整體抗浮和局部抗浮兩部分。

1.1 抗浮水位的確定

地下工程的抗浮設計水位是水浮力計算的前提條件。依照現行國家規范[1]要求，工程需要時，巖土工程勘察報告需提供用于計算水浮力的設防水位。勘察資料未提供時，應取建筑物設計基準期內可能產生的最高水位。鑒于抗浮設防水位的重要性及復雜性，對情況特殊的重要工程，需論證使用期間水位變化，對抗浮設防水位提出應進行專門研究分析。

抗浮設防水位與地下車庫相對關系如下圖1圖2所示：

圖1 抗浮設防水位與地庫相對關系A

圖2 抗浮設防水位與地庫相對關系B

圖3 地庫剖面

水浮力作用值為：

1.2 整體抗浮

工程基礎抗浮穩定性驗算如下所示[1]：

1.3 局部抗浮

局部抗浮容易在工程中被忽視，主要針對抗水板的抗浮分析，以及特殊部位（基礎底板、車道、開洞區域等）局部自重小于水浮力，需對進行局部抗浮驗算和穩定設計。

2.抗浮措施及應用

當基礎抗浮驗算無法滿足上式（1.2.1）時，需采用必要的抗浮措施，保證基礎安全。應用于地下車庫的抗浮措施較多，有配重法、抗拔樁、抗浮錨桿、降排截水、摩擦抗浮等。當地下車庫水頭壓力不大，地庫本身覆土重、自重接近時優先采取配重法抗浮；地庫框柱軸力大且水頭壓力不大時，可采取抗拔樁；地庫水頭壓力大，框柱軸力及覆土自重一般時，抗浮錨桿更經濟適應。

2.1 配重法

配重法是最簡便、直接且通用的抗浮措施，不受地質條件、施工環境影響，施工簡單且造價低，常作為抗浮措施首選；通常在車庫頂板或底板增設覆土或回填層，利用回填物增加工程自重，或將地庫底板延伸，利用外伸部分的覆土增加配重。當地下車庫自身重度與浮力相差不多時，優先選用配重法；當地下車庫自身重度與浮力相差較大時，配重法會增加工程量提高土建造價，弊大于利。

2.2 抗拔樁

抗拔樁利用樁體自重和樁側摩阻力來提供抗拔力，樁型種類多：灌注樁、預應力管樁、人工挖孔樁等；抗拔樁不僅具有抗拔承載力，更具有較高的抗壓承載力；抗拔樁主要集中布置與墻、柱荷載下，同時作為抗壓樁，能夠同時解決上部結構抗壓承載力問題，但由于抗拔樁間距較大，需要較厚的底板來解決底板的抗浮問題，且抗拔樁受環境條件、施工影響較大，造價較高。

2.3 抗浮錨桿

抗浮錨桿利用錨桿與砂漿組成的錨固體與土層的結合力作為抗浮力，與抗拔樁的受力有相似之處，但有其自身特點。抗浮錨桿在抗浮實踐中又分為普通錨桿和高壓噴射擴大頭錨桿，其中高壓噴射擴大頭錨桿作為一種新型的錨固結構，相對于普通錨桿抗拔力大、位移小，其造價相對低廉、受力合理、施工方便，符合我國節能降耗的產業政策方向，近年來被廣泛推廣應用。

3.某大型地下車庫抗浮錨桿設計實例

3.1 工程概況

某大型地下車庫位于開封市，與汴西湖相鄰；其地上4F 商業，地下2F 地下車庫，剖面如下圖16 所示；場地地下水屬第四系松散巖類孔隙潛水，地下水的補給主要為場區東側汴西湖湖水側滲、大氣降水及生活用水下滲，水位隨季節有一定波動，年變化幅度1.0m-3.0m。地勘報告提供抗浮設防水位絕對標高為74.29m（相對標高為-1.91m），基礎頂標高為-9.300，施工期間需持續降水。

3.2 整體抗浮驗算及抗浮措施

3.3 抗浮錨桿計算

本工程采用承壓型囊式擴體錨桿作為永久抗浮構件，有效長度為14.0m，其中普通錨固段長度8.0m(直徑180mm),擴大頭長度6.0m(直徑850mm);旋噴擴體錨固段置入第8 層粉砂層。依據規范[2]抗浮錨桿抗拔特征值計算如下：

依據公式計算，得：

同時對錨桿桿體強度進行驗算，采用1 根Φ36 的PSB1080 級精軋螺紋鋼能夠滿足材料強度要求。根據《囊式擴體抗浮錨桿檢測報告（基本試驗）》的結果，最終設計錨桿抗拔力特征值取580kN，工程錨桿抗拔力驗收值870kN（永久性錨桿≥1.5 倍特征值）。擴體抗浮錨桿剖面見圖4。

圖4 擴體抗浮錨桿剖面圖

3.4 錨桿的合理布置及基礎設計

相對于柱下集中布置灌注樁的抗浮方式，抗浮錨桿的布置更為靈活。在地下車庫范圍滿堂均勻布置錨桿為常見的布置方式，對于本工程，采用擴大頭錨桿，單根錨桿承載力較高，為高效利用抗浮錨桿的承載力，考慮柱、墻等豎向構件傳遞上部結構荷載到基礎底板，在其影響范圍內可抵消部分水浮力，因此該范圍可少布置或不布置錨桿；而在柱跨中間板塊區域，上部結構荷載影響較小，所受水浮力的合力最大，在此處宜進行集中布置，這樣的布置方式可充分發揮錨桿的作用，同時使得板塊中部區域更加安全可靠。

本工程基礎采用筏板下柱墩形式，上部結構荷載通過豎向構件傳遞給基礎，通過基礎自身剛度調節分配基底壓力，根據上部結構荷載影響區域內基底壓力的大小確定布置方式。具體錨桿布置原則為：恒載作用下，當上部結構荷載影響區域內的基底壓力大于水浮力時，該區域內可不布置錨桿，而僅在荷載影響區域外的純底板抵抗區域均勻布置；當上部結構荷載影響區域內的基底壓力小于水浮力時，影響區域內布置錨桿a，在純底板抵抗區域內布置錨桿b。

本工程地庫筏板厚度采用650mm，標準柱網8.4X 8.4m，筏板厚跨比小于1/6；恒載作用下，筏板基底壓力在柱下分布區域成島狀，純底板區域基底壓力較小。錨桿布置方式及錨桿拉力如圖5 所示，錨桿布置間距2.8mX2.8m，根據基底壓力情況布置錨桿，可見，合理布置錨桿時，既充分利用了建筑物自重抗浮，又保證了底板中部抗浮的安全性，錨桿拉力較為均勻。

圖5 筏板基礎下錨桿布置圖及錨桿拉力圖

合理布置抗浮錨桿時，筏板中部水浮力依靠錨桿解決，底板厚度滿足錨桿在筏板內的鎖定、底板錨固端抗沖切驗算情況下即可，不受水浮力控制，根據計算結果按0.15%配筋率即可滿足受力需求。

結語：

本文從抗浮設計理論著手，結合工程實例，得出以下結論：

（1）配重法是最簡便、直接且通用的抗浮措施，當地下車庫自身重度與浮力相差不多時，優先選用配重法。

（2）抗壓樁兼抗拔樁集中布置，受力概念明確；但地下室底板的厚度、配筋較大，底板局部抗浮未有效利用抗拔樁，經濟效益差。

（3）抗浮錨桿根據柱、墻、梁等荷載影響區域和純底板抵抗區域不同模式下，合理優化布置錨桿，既能充分利用建筑自重抗浮，又能解決底板局部抗浮的問題。