地下室抗浮

2024-10-10

地下室抗浮（共7篇）

地下室抗浮篇1

由于城市土地资源的限制, 人们越来越多地索取上、下空间资源来用于城市的建设, 大量的地下车库、商场、防空地下室、地铁等地下结构应运而生。地下室的埋深较深、地下水位较浅时, 会产生地下室的抗浮设计问题。忽视地下室的抗浮设计将导致严重的工程事故[1], 如地下室的整体上浮导致结构梁、板、柱破坏、地下室底板由于水压导致板出现破坏性裂缝……因此, 地下室的抗浮设计在实际工程中不可忽视。本文概述了抗浮设计的依据、基本过程及方法, 希望对工程设计人员有所帮助。

1 抗浮设计依据

目前, 涉及抗浮计算的国家规范及标准有多部:

⑴《建筑结构荷载规范》 (GB50009-2012) 第3.2.4条第3款规定:对结构的倾覆、滑移或漂浮验算, 荷载的分项系数应满足有关的建筑结构设计规范的规定。同时, 结合第1、2款可以明确, 在其他结构设计规范没有明确规定时, 在抗浮计算中, 永久荷载的分项系数可取不大于1.0的值。

⑵《砌体结构设计规范》 (GB50003-2011) 第4.1.6条规定:当砌体结构作为一个刚体, 需验算整体稳定性。按照规范给出的公式, 分为按可变荷载起控制作用及永久荷载起控制作用进行验算, 起有利作用的永久荷载的分项系数均取0.8。

⑶《地铁设计规范》 (GB50157-2013) 第11.6.1条第6款规定:结构设计应按最不利情况进行抗浮稳定性验算。抗浮安全系数当不计地层侧摩阻力时不应小于1.05;当计及地层侧摩阻力时, 根据不同地区的地质和水文地质条件, 可采用1.10~1.15的抗浮安全系数。

⑷《地下工程防水技术规范》 (GB50108-2008) 第10.0.4条规定:明挖法地下工程的结构自重应大于净水压力造成的浮力, 在自重不足时应采取锚桩或其他抗浮措施。

⑸《建筑地基基础设计规范》 (GB50007-2011) 第3.0.5条第3款规定:计算基础抗浮时, 作用效应应按承载能力极限状态下作用的基本组合, 但分项系数取1.0。第5.4.3条规定:建筑物基础存在浮力作用时应进行抗浮稳定性验算, 抗浮稳定安全系数Kw一般情况下取1.05。

⑹《给水排水工程构筑物结构设计规范》 (GB50069-2002) 第5.2.3条规定:构筑物在基本组合作用下进行上浮验算的稳定性抗力系数不应小于1.05。验算时, 抵抗力只计入永久荷载, 不应计入可变作用和侧壁上的摩阻力;抵抗力采用标准值。

⑺《给水排水工程管道结构设计规范》 (GB50332-2002) 第4.2.10条规定:对埋在地表水或地下水下的管道, 应根据设计条件计算管道的抗浮稳定性。计算时各项作用均取标准值, 并应满足抗浮稳定性抗力系数不小于1.10。

上述规范中, 《建筑结构荷载规范》给出了永久荷载的分项系数的取值, 但水荷载的分项系数的取值并无具体的规定, 也没有提出具体的验算公式。《砌体结构设计规范》给出了具体的计算公式、分项系数取值, 比其他规范偏保守。《地铁设计规范》给出了安全系数的限值, 但没有明确具体的计算公式。《地下工程防水技术规范》规定要进行抗浮验算, 其他的相关内容均没有涉及。《建筑地基基础设计规范》明确了抗浮计算的荷载组合、荷载分项系数的取值, 并给出了验算公式。《给水排水工程构筑物结构设计规范》、《给水排水工程管道结构设计规范》适用于构筑物、管道, 具体的公式、分项系数取值、安全系数均有明确的规定。鉴于目前抗浮设计的规范较多, 并且内容不统一, 笔者认为地下室的抗浮设计可按照《建筑地基基础设计规范》 (GB50007-2011) 的规定进行。

2 抗浮设计过程

根据《建筑地基基础设计规范》 (GB50007-2011) 给出的公式, 工程设计人员普遍以抗浮安全系数来衡量结构是否满足抗浮要求。其计算公式为:

其中:

G———建筑物自重、地下室顶板覆土等永久荷载之和;

F———采取抗浮措施的抗浮力 (不采取抗浮措施时, F=0) ;

P———水浮力作用值;

KW———抗浮安全系数。

按照上述公式, 抗浮设计流程如下:

⑴根据建筑使用功能、地质勘察报告确定地下室埋深;

⑵确定结构的抗浮设防水位;

⑶计算地下室结构的水浮力P及结构自重G;

⑷当不采用抗浮措施时, 按公式1判断是否满足抗浮要求, 满足, 可进行施工图设计;不满足, 则需要进行抗浮设计;

⑸选取合适的抗浮措施后, 再按照公式1进行验算, 直至满足结构的抗浮验算, 再进行施工图设计。

3 水浮力计算

地下水对地下室的浮力可按阿基米德原理确定, 浮力等于地下室排开水的重量。实际工程中一般转换为单位面积的水浮力及抗浮力来计算, 则单位面积水浮力为:

其中:

p———单位面积水浮力;

γw———水的重度;

h———抗浮设防水位至地下室底板的高度。

从公式2可知, 抗浮设防水位的选取对水浮力计算有着直接的影响, 是进行抗浮设计过程中的决定性的参数。《高层建筑岩土工程勘察规程》 (JGJ72-2004) 第2.1.6条对抗浮设防水位作出了详细的解释, 即“地下室抗浮计算所需的、保证抗浮设防安全和经济合理的场地地下水水位”。可以理解为:按照抗浮设防水位进行抗浮设计的结构, 在建筑的使用期限[2]内, 不会由于地下水位的变化而导致地下室结构不能正常使用。因此, 设计人员应要求勘察报告单位提供抗浮设防水位进行抗浮设计, 不能盲目地选取工程所在位置地下水的常年最高水位, 更不能选取勘察期内的最高水位。笔者认为为保证结构正常使用, 可取场地的防洪水位作为抗浮设防水位。

4 抗浮设计

为防止地下室破坏, 当按公式1计算不满足抗浮要求时, 需进行抗浮设计。目前, 工程中普遍采用增加配重、设置抗拔锚杆、设置抗拔桩来满足结构的抗浮要求。

⑴增加配重法。增加结构的配重通常通过下面2种方法实现:一是在地下室底板上回填混凝土等容重较大的材料, 类似增加建筑装修厚度来加重。这种方法在保证地下室建筑高度的情况下, 结构层高需加大, 水浮力会随着增大, 抗浮效果不明显, 工程中极少采用。二是地下室底板外伸, 通过外伸底板上的覆土来满足抗浮要求。地下室底板外伸会对侧墙、底板的受力不利, 外伸宽度也有限制, 使用的局限性较大, 工程中较少采用。

⑵设置抗拔桩 (锚杆) 法。根据地质情况、工程周边情况及施工条件等限制, 抗拔桩类型可分为预制桩、钻孔灌注桩、沉管灌注桩等。抗拔桩 (锚杆) 根数n可按公式3计算:

其中:

n———抗拔桩根数;

R———单桩 (锚杆) 抗拔承载力特征值。

抗拔桩 (锚杆) 的布置形式主要分为2类:一是在地下室底板满堂布置, 其间距=底板面积/抗拔桩 (锚杆) 根数。二是在柱下、墙底的基础底设置抗拔桩。文献[3]通过对2种布桩 (锚杆) 形式的受力特征、传力途径等方面的分析, 得出了抗拔桩 (锚杆) 设置应分梁、墙、柱影响区格和纯底板区格两种区格进行的结论, 并给出了具体的计算方法。

5 结语

地下室的抗浮设计原理虽然简单, 却是结构设计的重要部分, 关乎结构的安全使用, 应予以重视。结构设计人员需充分理解规范, 合理选择抗浮设计中需要的设计参数, 并根据场地、水文、土层等情况选择合理、经济的抗浮措施。

参考文献

[1]王子安, 关群.某办公楼工程地下室上浮事故实例分析及处理[J].地基与基础, 2009, 23 (6) :848-850.

[2]GB50352-2005民用建筑设计通则[S].中国建筑工业出版社, 2005.

[3]刘东柏, 王璇.地下室抗浮设计中的几个问题讨论[J].中外建筑, 2010 (2) :42-44.

关于地下室抗浮锚杆的设计研究篇2

在城镇化建设进程中, 建筑的体量和规模越来越大, 地下室结构应用也越来越多, 由于地下水浮力作用造成地下室整体或局部的拱变形产生裂缝导致严重漏水。一般采取降低地下水位、增加结构自重和回填土的深度、增设抗浮桩 (锚杆) 等一种或几种的组合的方法。不同阶段的工程实践表明:合理采用抗浮锚杆来保证地下室的抗浮措施, 可以节约材料, 缩短施工工期, 有效控制工程造价, 具有明显的推广优越性。

2 抗浮锚杆的设计方法

2.1 常规设计法

常规锚杆设计方法是将地下水浮力作为可变荷载施加于地下室底板底面, 将地下室自重作为永久荷载, 于是抗浮锚杆所受荷载的设计值按最不利荷载的组合确定为:

则单根锚杆的轴向拉力设计值Nt为:

式中:qwk为水浮力标准值;Gk为结构及覆土自重标准值之和;γQ为可变荷载分项系数;γG为永久荷载分项系数;Sx、S分别为锚杆的纵向和横向间距;S为底板标准柱跨的面积。

常规设计方法的基本流程是将水浮力减去结构自重计算出单位面积上锚杆需承担的力, 在假设锚杆受力均匀且满足规范最小间距的前提下确定锚杆横向及纵向布置间距, 根据布置间距按式 (2) 计算出单根锚杆的轴向拉力, 最后根据《岩土锚杆 (索) 技术规程》 (CECS22∶2005) 验算抗浮锚杆杆体截面积和锚固段长度。该方法假定各锚杆受力均匀, 而在实际工程中底板变形往往较为复杂, 导致锚杆实际受力是不均匀的, 故常规设计方法可能造成结构和底板局部抗浮承载能力不足或锚杆布置浪费。

2.2 整体有限元计算法

整体有限元计算法首先通过理论和试验研究确定锚杆的线刚度和等效长度, 在有限元模型中将锚杆体设为拉压杆单元, 即两端点为铰接点的杆单元, 只承受轴向拉压作用。该单元上部与底板结构相连, 下部与地基相连。但是, 该方法需要建立结构的整体有限元计算模型, 且计算中模型收敛性较差, 设计过程复杂繁琐, 难以在工程中普遍推广。

该方法中锚杆线刚度由下式求得:

式中:li为锚杆存在轴力范围内第i层土的厚度;qi为单位长度内第i层土对锚杆的侧摩阻力;F0为锚杆顶端的轴拉力;n为锚杆存在轴力范围内土层数;E为锚杆杆体的弹性模量;A为锚杆横截面积。

2.3 底板变形修正法

有限元计算结果显示, 底板变形较大部位的锚杆所受拉力较大, 因而底板变形能在一定程度上表征锚杆拉力的大小, 故可采用该锚杆处底板变形和整体底板变形的平均值之比, 来修正锚杆的实际拉力。在实际工程中, 锚杆距离中心越远, 其所受的拉力越大, 这是因为远离柱墩处底板受上部荷载的影响较小, 而致水浮力作用下的底板向上变形大于柱墩附近底板, 从而使得该处锚杆的拉力较大。此外, 锚杆拉力还与锚杆锚固长度、岩土层基床系数以及锚固体本身的刚度有关, 所以可引入变形修正因子θ对式 (2) 中单根锚杆的轴向拉力设计值Nt进行修正, 即:

式中:si为第i根锚杆布置处底板在水浮力作用下的变形值, 且取底板向上变形为正, 可通过底板的挠度计算取得;α为第i根锚杆的作用影响面积;n为锚杆总数。

由公式 (4) 、 (5) 可知, 底板变形较大部位的锚杆受力较大, 这和工程实际结果相符, 由此布置锚杆可使得锚杆受力更为准确, 并可充分利用锚杆的抗拉强度。底板变形修正法在常规设计法的基础上考虑了底板变形对锚杆拉力的修正, 在保证锚杆受力准确的同时又较整体有限元计算法有更好的可操作性。

3 实例分析地下室抗浮锚杆设计

地下室抗浮验算:

本工程地下室为1层钢筋混凝土框架结构, 柱网尺寸主要为7m×8.4m, 柱截面尺寸为500mm×500mm。地下室顶板主梁截面400mm×1000mm, 次梁350mm×800mm;地下室基础梁截面尺寸为400mm×1400mm, 基础承台截面尺寸为2400mm×2400mm×600mm, 基础承台下设置4准150mm抗浮锚杆, 锚杆入岩深度约为6.0m, 单根锚杆的抗拔承载力设计值为350k N;地下室底板结构与承台间依靠1220柱钢筋连接。地下室底板及顶板结构平面图见图1。

3.1 水浮力计算

单柱受荷面积A=8.4×7.0=58.8m2;

水浮力总值F=f A=63×58.8=3704k N。

3.2 锚杆抗拔承载力复核

3.2.1 锚杆抗拔摩擦力特征值

根据地勘报告可知, 岩石抗拔系数λ=0.8, 岩石与锚固体的粘结强度特征值中风化粉砂岩frd=180k Pa, 锚杆有效长度为6.0m, 抗浮锚杆的抗拔承载力特征值根据《建筑地基基础设计规范》 (GB50007-2011) [1]8.6.3公式:Rt≤Σ0.8πd1×l×frd得单根锚杆抗拔摩擦力特征值为406k N, 则4根锚杆总抗拔摩擦力特征值为1624k N。

3.2.2 锚杆钢筋抗拉力设计值

锚杆采用钢筋的抗拉强度标准值为fyk=400MPa, 总截面积为1846mm2;锚杆的抗拉力标准值为738k N;根据《混凝土结构设计规范》 (GB50010-2010) [2]规范公式, 锚杆钢筋抗拉力特征值为332k N (按最大裂缝控制宽度0.2mm计算) ;每个承台设有4根锚杆, 其总抗拉力特征值为1328k N。

3.2.3 锚杆钢筋锚固长度

锚杆锚入承台混凝土的为28钢筋, 钢筋抗拉强度fy=360MPa, 承台混凝土强度设计等级为C35, 锚固长度需要630mm, 大于承台高度600mm, 考虑钢筋在承台顶部的机械弯折, 可满足锚固要求。

3.3 短柱抗拉承载力验算

3.3.1 柱钢筋抗拉特征值计算

短柱的截面尺寸为500mm×500mm, 配置1220钢筋, 钢筋抗拉强度标准值为fyk=400MPa, 总截面积为3768mm2;12根钢筋的抗拉力标准值为1507k N;根据《混凝土结构设计规范》 (GB50010-2010) , 柱12根钢筋抗拉力特征值为652k N (按最大裂缝控制宽度0.2mm计算) 。

3.3.2 柱钢筋锚固长度

柱钢筋锚入承台混凝土的为20钢筋, 钢筋抗拉强度fy=360MPa, 承台混凝土强度设计等级为C35, 锚固长度需要450mm小于承台高度600mm, 满足要求。

3.4 基础承台承载力复核

承台的厚度按实测取590mm, 钢筋保护层厚度取130mm, 承台面钢筋取14@167 (922mm2/m) , 承台混凝土抗压强度采用C35;柱所受的拉力采用钢筋抗拉力标准值为1507k N, 柱边截面的弯矩为88k N·m。根据计算可知承台顶部钢筋需要面积为600mm2/m, 小于922mm2/m, 配筋满足要求。此时承台顶部的应力为0.6MPa, 小于C35混凝土的抗拉强度标准值ftk=2.20MPa;承台抗弯承载力满足《混凝土结构设计规范》 (GB50010-2010) 的要求。

3.5 地下室结构自重及抗浮计算

在施工工况下 (顶板无覆土) 结构自重G1=1447k N;在正常使用工况下结构自重G2=2903k N, 短柱抗拔承载力标准值小于锚杆抗拔力标准值, 起主控作用, 则G总=2903+1298=4201k N, G总/F=4201/3704=1.13>1.05, 故地下室抗浮设计满足要求。但在正常使用的工况下, 即地下室底板建筑做法及顶板覆土完成后, 当室外地下水位达到抗浮水位设计值时, 短柱受到拉力为3704-2903=801k N, 大于柱钢筋的抗拉承载力特征值652k N, 地下室短柱裂缝宽度将大于0.2mm, 混凝土耐久性将不能满足规范要求。

4 设计注意事项

由于锚杆刚度、基础底板刚度、上部柱传来的竖向集中力大小等因素将造成锚杆和基础底板受力结果与按静力平衡估算的受力结果有较大差异, 因此, 为了使设计安全合理, 本工程只去掉独立基础范围内的锚杆, 这样的做法使得锚杆的数量比集中布置方式增加了15.6m。但是底板配筋计算时:柱、锚杆模拟为支座, 按柱网2.0m×2.1m的无梁楼盖计算, 板厚300, 配筋均为构造配筋。因此, 虽然均匀布置于底板下的设计方式锚杆总数目大于集中布置于柱下的设计方式, 但是减少了底板厚度、配筋, 以及减少了土方的开挖外运, 综合计算, 工程总造价得到优化。

底板的变形是否小于锚杆的极限位移, 从而使得锚杆不会发生个别破坏进而引起全部破坏的情况。本工程岩石锚杆承载力特征值为180k N, 锚杆承载力极限值为360k N, 根据本工程岩石锚杆抗拉拔检测报告, 岩石锚杆在达到180k N抗拔承载力特征值时, 位移为2.2~3.5mm, 岩石锚杆在达到360k N抗拔承载力极限值时, 位移为3.3~4.7mm。运用MADIS/GEN软件对地下室底板进行有限元分析, 抗浮锚杆均布于地下室底板下的抗浮设计方案中地下室底板的最大计算变形量2.7mm均小于锚杆达到极限抗拔承载力时的上拔弹性位移量, 从而保证了锚杆在水浮力作用下不失效。

5 结束语

抗浮锚杆能够很好地抵抗浮力, 对控制结构整体或局部上浮、底板变形和开裂都有很好的效果。但是, 由于锚杆、基础与上部结构是相互作用的, 且结构的荷载和变形比较复杂, 对于带有大面积地下室或塔楼偏置的结构, 常用锚杆设计方法所基于的假定与实际情况有较大偏差, 不能反映结构的实际受力和变形情况。因此, 现有均匀布置抗浮锚杆的方式无法有效、经济地设置锚杆。

摘要：随着城镇化的进程, 城市建设用地趋于紧张化。随着地下空间的开发利用及地下水对建筑物的作用, 使得建筑物抗浮问题日益彰显, 尤其是在不同地质条件下的抗浮问题。本文结合实例分析由于地下水浮力作用造成地下室底板局部上浮起拱变形问题, 结合现行规范采用抗浮锚杆进行加固处理, 优化抗浮锚杆设计方案和措施。

关键词：地下室,抗浮锚杆,设计

参考文献

[1]魏坤, 戴西行, 杨勇.地下室抗浮锚杆布置方式设计探讨[J].山西建筑, 2011, 37 (8) :41~43.

[2]徐勇, 张金轮.地下室底板与抗浮锚杆共同作用的优化设计[J].工程与建设, 2015 (2) :245~247.

地下室抗浮篇3

随着城镇化快速发展,土地资源的缺乏,为了充分开发利用地下空间,地下工程得到迅速发展。不可避免的遇到了新的工程地质问题———地下水的作用,尤其是地下工程抗浮问题,从本世纪初才开始逐步得到重视。《岩土工程勘察规范》、《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ72-2004)(以下简称规程)已经对地下水的作用引起了足够的重视,但是仍属原则性规定,可操作性差,尚有许多有待完善之处。

由于城市的建设迅速,极大地改变了城市的水文地质条件,加之缺乏长期的地下水观测资料,要求勘察成果预测建筑物使用年限内可能的水位变化情况,这对勘察提出了很高的要求。另外目前地下水对基础的浮力计算普遍仍然采用最高水位下的静水压力方法,没有考虑地下水赋存状态与渗流特性、基础埋深与地下水层关系,导致与现场实测的孔隙水压力存在较大的出入,因此在理论方面还需进一步研究。

可喜的是有新的行业标准《建筑地下结构抗浮技术规范》近期已通过审查,为建筑地下结构抗浮设计、施工和检验提供依据,以期解决抗浮设防水位的合理性问题。

2抗浮设防水位的确定

2.1抗浮设防水位的定义。《规程》定义为:地下室抗浮评价计算所需的、保证抗浮设防安全和经济合理的场地地下水水位。

2.2地下室抗浮评价内容。根据《规程》,地下室抗浮评价应包括以下基本内容:(1)当地下水位高于地下室基础底板时,根据场地所在地貌单元、地层结构、地下水类型和地下水位变化情况,结合地下室埋深,上部荷载等情况,对地下室抗浮有关问题提出建议;(2)根据地下水类型、各层地下水水位及其变化幅度和地下水补给,排泄条件等因素,对抗浮设防水位进行评价;(3)对可能设置抗浮锚杆或抗浮桩的工程,提供相应的设计计算参数。

2.3抗浮设防水位的确定

2.3.1《规程》确定方法。一般情况下地下水抗浮设防水位的综合确定宜符合下列规定:(1)当有长期水位观测资料时,抗浮设防水位可根据该层地下水实测最高水位和建筑物运营期间地下水的变化来确定;无长期水位观测资料或资料缺乏时,按勘察期间实测最高稳定水位并结合场地地形地貌、地下水补给、排泄条件等因素综合确定;在滨海和滨江地区,抗浮设防水位应考虑洪水、潮汐及涌浪的影响,一般可取室外地坪标高;(2)场地有承压水且与潜水有水力联系时,应实测承压水水位并考虑其对抗浮设防水位的影响;(3)只考虑施工期间的抗浮设防时,抗浮设防水位可按一个水文年的最高水位确定。

2.3.2公式法。目前常用的确定地下水最高水位的计算公式[1]为:地下水最高水位=勘察期间该层地下水最高水位+该层地下水在相当于勘察时期的年变幅+可能的意外补给造成的该层水位上升值。以上两种方法均要求:勘察期间要充分掌握拟建场地的水文地质条件,即场地地下水类型、各层地下水水位及其变化幅度等因素,并结合场地地形地貌、地下水补给、排泄条件、地下工程基础埋深等因素综合确定。按公式法,勘察期间地下水最高水位可以实测得到,地下水的年变幅(多年平均丰水期地下水水位减去枯水期地下水水位)也有据可查。最难确定的是可能的意外补给造成的地下水水位上涨值,在此进行详细分析。可能的意外地下水补给因素主要有:周边工程降(采)水、暴雨入渗、洪水等。第一种情况可通过资料搜集工作,收集相邻工程的已有成果,以及该地貌单元上类似的早期的勘察成果,根据当时的地下水水位情况来校正本场地的地下水水位。第二种情况可以通过近似计算[2],得出在暴雨极端天气下(不考虑机械排水),由于降雨沿地下室肥槽部位入渗引起地下水水位的上升数值Δh,形状规则的基坑计算方法见公式(1)、形状不规则的基坑计算方法见公式(2)。本方法也可用于深厚回填土、无良好含水层部位地下工程的抗浮水位估算。(图1)

式中:b为基坑上边线短边长(m);α为基坑上边线长宽比;c为地下室挡土墙距基坑边坡的平均距离(m);i为降雨强度(m/h);t为降雨持续时间(h);n为室外回填土的孔隙率;k为渗透系数(cm/s);S为基坑的有效面积(m)2;l为基坑上边线的周长;10%是考虑坑外汇水区域面积的影响,对基坑面积的增大系数。需要说明的是,当降雨强度小于土壤表面的入渗能力时,计算入渗速率取为降雨强度;当降雨强度大于土壤表面的入渗能力时,入渗的强度就等于土壤的入渗能力。根据降雨强度与土体渗透性的关系,决定计算入渗率的取值。当降雨强度i高于饱和渗透系数k时,计算入渗速率按k取值;否则按降雨强度取值。类似的计算方法可参考文献[3]。第三种情况,首先是要进行调查访问,了解拟建场地是否属于洪水淹没区,如果是淹没区,就按地下室出口处的标高作为抗浮设防水位。如果不是淹没区,则需要收集拟建场地附近河段的最高洪水位,以此水位来校正场地的最高水位;若无拟建场地附近河段的最高洪水位,则需收集洪水期最大流量,以及对应的最大流速,然后根据场地附近河段的河道地形图估算最高该河段的最高洪水位,对场地地下水水位进行校正。

2.3.3坡地抗浮设防水位。以上分析的为平坦场地、无良好排泄条件情况下的抗浮设防水位的估算,坡地大多有良好的排泄条件,地下水位常常是一条顺坡向下的连续曲线。根据文献[2]数值模拟极端天气下降雨入渗,得出:极端天气条件下,基坑下游水位超过基坑最低点后,基坑上游水位继续增长,上、下游最终水头差值较大,不能直接按取下游的室外地坪面来验算其极端条件下的抗浮承载力。基坑沿坡方向的水头值按照折线方程的计算结果分段取值是可行的。其简化公式见公式(3),具体推导过程详见文献[2]。(图2)

式中:hmax为最大水头,Hu,Hd分别为基坑上、下游回填土面的高度;L为基坑下游地下室外墙至上游基坑边的距离。

3浮力荷载计算

《建筑地下结构抗浮技术规范》(征求意见)(以下简称规范)中6.2浮力荷载计算,已详细叙述了如何进行地下水浮力计算,在此仅对浮力计算提出一些个人看法。

3.1《规范》表6.2.2不同土层基底浮力荷载标准值计算方法中所列计算公式,应该是在基坑肥槽按设计要求分层夯实回填密实的前提下,是在勘察期间钻孔均按规范要求进行封孔的前提下,否则需重新按最不利情况考虑地下水浮力影响。

3.2《岩土工程手册》94版中7.1.1节中:当建筑物位于粉土、砂土、碎石上和节理裂隙发育的岩石地基时,按设计水位100%计算浮托力;当建筑物位于节理裂隙不发育的岩石地基时,按设计水位50%计算浮托力;当建筑物位于粘性土地基时,其浮托力较难确切地确定,应结合地区的实际经验考虑。其中对于节理裂隙不发育的岩石地基的地下水浮力是否可以按50%计算?

而《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)中:对节理不发育的岩石和粘土且有地方经验或实测数据时,可根据经验确定。说明在对节理不发育的岩石地基进行浮力计算时,按50%折算时,需有充分依据可以证明岩石地基的完整性。

3.3实际工程中常常会遇到两层含水层间存在较厚的粘性土层,且所受的水力梯度有限,此时受起始水力梯度的影响,含水层水头影响范围受限。影响范围内存在正的孔隙水压力,其值可以通过越流渗流分析确定。影响范围以外粘性土体中结合水处于粘滞状态,土体也可能处于非饱和状态,此时孔隙水压力远小于理论静水压力甚至为负值,地下室可能不受浮力作用[4]。(图3)

张忠胤教授(1980)将厚层粘性土中初见水位以下至底部含水层以上定义为粘土层“含水带”,文献[4]其定义为“浮力作用深度”。由图3(a),上图中aa’面为钻孔刚好揭露的稳定初见水位面,该面即为“浮力作用深度”顶面,浮力作用深度可以根据经验公式求得(见公式4),具体推导过程详见[4]。上述情况为厚层粘土底部作用承压水的情形,同样当厚层粘土顶部作用潜水时仍有类似的规律出现,见图3(b)。

式中:R为浮力作用深度(m);H0为d点的压力水头高度(m);I0,为粘性土中结合水运移的起始水力梯度,无量纲,可根据出现初见水位的位置计算得出。

4常用抗浮措施的分析讨论

《规范》6.5节中对各类常见的抗浮措施的适用性做了详尽的说明,并规定地下结构抗浮宜根据工程实际情况和抗浮稳定状态选用减小浮力、抵抗浮力等工程技术措施,或采用多种措施联合的抗浮方案。根据《规范》相关内容及已有的工程经验,对常用抗浮措施提出一些个人看法。

4.1在地下水类型比较多,排泄不畅的情况下,抗浮方案宜采用多种措施联合方式。前述用公式法估算场地最高水位时,勘察期间可以确定的水位可采用被动抗浮方式,即锚固抗浮;对于不确定的可能的意外补给造成的地下水位上升所产生的浮力,可在地下室周边采用排水减压法消除。这样既满足了地下结构抗浮的要求,也避免了单一抗浮方式的缺陷,使抗浮设计更趋合理。

4.2在地下水类型较为单一情况下,当岩土层透水性差,地下水水量不大,且排泄条件良好时,可采用设置截排水沟、泄水沟、渗水井、排水盲沟等措施降低地下水;当岩土层透水性较好,则必须采用锚固抗浮方式。

4.3《规范》结构抗浮中有“利用周边护坡结构竖向抗力”的方法。比如地铁车站的围护结构(钻孔灌注桩或地下连续墙)一般是永久性支护,设计时常采用“抗浮梁压顶法”在车站顶板上方沿围护结构设置一圈压顶梁,使车站在受水浮力上浮时,压顶梁对车站顶产生向下压力,同时利用围护结构的自重及侧摩阻力共同达到抗浮目的[5]。

4.4回填土对抗浮设计的影响。地下室外周回填土的质量好,对加强上部结构的嵌固作用很有利;同时,回填土质量的好坏,对抗浮设计也是十分重要的。若回填土的渗透性小,且回填质量较高,那么雨水和施工用水就不易回灌到基坑底部,基坑内地下水位的变化幅度较小,这对抗浮设计是有利的。但目前的基坑肥槽回填分项工程的施工水平很难达到规范的要求,同时在部分地区,本着就地取材的原则,回填材料多采用非黏性土,导致雨水入渗地下水位短时间内增长较快,对抗浮设计不利。由于回填土质量的重要性,必须按设计要求进行回填,局部由于地下室外侧与护坡桩的距离小,夯实填土施工有困难,可采取浇灌低等级硅或者石粉渣掺水泥回填,以确保其质量[6]。

4.5抗浮锚杆设计需注意的几个问题。首先是抗浮锚杆存在的一些问题:独立地下结构、局部抗浮不稳定区域宜选用抗浮锚杆方案,不适宜于地下水水位变化较大的场地,因锚杆在反复拉压状态下的工作性能有待进一步的实验研究,普通锚杆受拉后杆体周围的灌浆体开裂,使钢筋或钢绞线极易受到地下水的侵蚀,锚杆截面小,易受腐蚀;抗浮锚杆与底板的结点是防水的薄弱环节。目前对于永久构件抗拔锚杆的抗腐蚀问题一直不能得到很好的解决,长期存在耐久性降低问题不易解决,这将在一定程度上限制其适用性。其次是对抗浮锚杆的设计还有待于优化。在目前的地下室采用锚杆抗浮设计中,有下列2种混乱的方法[7]:a.上部建筑结构荷重不满足整体抗浮要求,采用锚杆抗浮。其计算方法为:总的水浮力设计值/单根锚杆设计值=所需锚杆根数。具体做法:底板下(连柱底或砼墙下)满铺锚杆,水浮力全部由锚杆承担,既不考虑上部建筑自重,也不考虑地下室底板自重可抵抗水浮力的作用,保守且不合理。b.利用上部结构自重和锚杆共同抗浮,其计算方法为:(总的水浮力设计值-底板及上部结构自重设计值)/单根锚杆设计值=所需锚杆根数。具体做法:将锚杆均匀分布在底板下(包括柱底或砼墙下),锚杆间距用底部面积除所需锚杆根数确定。本方法减去上部建筑自重后的水浮力由锚杆平均承担,存在安全隐患。文献[7]认为合理做法是:抗浮力与水浮力平衡计算可分成两种区域:柱、墙、梁影响区域和纯底板抵抗区域。纯底板抵抗区域的计算方法应是抗浮锚杆设计承载力除以每m2水浮力(减去每m2底板自重),得到抗浮锚杆的受力面积;而柱、墙、梁影响区域应充分利用上部建筑自重进行抗浮,验算传递的上部建筑自重是否能平衡该区域的水浮力,此外,还应验算在水浮力作用下梁强度和裂缝满足要求。

5结论

5.1结合已有的研究成果,总结了抗浮设防水位确定的方法,着重分析了不可预料情况对地下水水位的影响,并分别给出了估算的方法。

5.2通过对《规范》学习,提出了基坑肥槽回填与钻孔封孔质量对浮力荷载计算模型的影响,并建议计算浮力荷载时考虑浮力作用深度。

5.3抗浮措施应根据工程实际情况选用,地下水类型多、排水不畅时宜采用多种措施联合的抗浮方案。

5.4应重视基坑肥槽回填质量,抗浮锚杆应用越来越多,但不能忽视所存在问题,在设计时应考虑其适用性及认真分析其传力途径。

参考文献

[1]王建英,佘广洪,程学军.建筑物抗浮设计中几个问题的分析[J].建筑技术,2005,36(7):544-545.

[2]余良刚.岩体基坑地下室抗浮设计水头合理取值研究[J].2013:19-30.

[3]张同波,王胜.岩体基坑地下室抗浮问题的分析[A].第十七届华东六省一市建筑施工技术交流会论文集[C],2008.

[4]周鹏飞.城市复杂环境下地下水浮力作用机理试验研究[J].2013,86-97.

[5]张景花.地铁车站的抗浮设计[J].山西建筑,2010,36(8):122-123.

[6]吴时适.回填土质量对高层建筑嵌固作用和地下室抗浮设计的重要性[A].第二十一界高层建筑结构学术会议论文[C],2010.

地下空间抗浮设计篇4

1 存在的问题

地下建筑的层数一般不高, 但是建筑面积非常大, 导致地下室处在地下水的浮力作用下, 不能用自身重量来平衡这种浮力, 导致地下建筑的顶板受到巨大力的作用, 对于层数在3层以下或底板埋深>7m的地下室来说, 永久抗浮安全度往往不够, 导致地下室整体或局部上浮的工程事故时有发生, 给国家和人民带来了极大的损失, 随着地下空间的逐步利用, 人们总结了出现这种问题的原因:

1) 没有考虑到地下水浮力的作用或没有对水浮力作用机理有足够的认识, 导致在建设地下工程时没有做抗浮验算;

2) 没有做好施工现场的地下水勘察工作, 导致抗浮设计中地下水水位的取值不当, 没有考虑到极端天气下出现的最高水位;

3) 设计人员忽视了抗浮计算中的一些因素, 导致抗浮措施不当;

4) 施工单位在地下工程建设过程中对于抗浮措施没有引起足够的重视。

2 地下工程抗浮措施的选择

下水浮力的作用机理, 可以采取配重法来平衡水浮力, 这种方法简单有效, 主要可以通过增加自身的重量来抵御水的浮力;工程上也采用设置抗浮桩的方法解决抗浮问题, 其原理和配重法一样, 只不过设置抗浮桩是利用桩侧面和土体的阻力来平衡浮力的。

对于配重法, 适用范围广, 可以将增加的重量设置在底板上, 通过抗浮计算得到需要配置的重量, 然后再底板上设置回填层, 用土、砂、石等密度大的材料进行回填, 利用回填物的重量来增加地下工程的总体重量, 达到抗浮的目的。有时可以利用底板外挑部分回填一部分配重, 达到增加自身重量的目的;对于底板为板柱或梁板结构, 可以利用底板柱帽或梁至地坪之间的空间设置回填土, 这种方法可以解决地下工程抗浮问题, 还可以作为底板的防水处理。综上, 配重法作为一种简单可行的方法, 不受地理条件、施工环境的影响, 不但可以降低造价, 还可以解决抗浮问题, 常常作为基本方法予以采用。

采用抗浮桩进行抗浮设计, 主要是利用抗浮桩侧面与土体的摩擦来抵消地下水浮力的, 抗浮桩的效果与桩长、桩径、桩型以及周围的地质条件都有很大的关系, 因为制造抗浮桩的造价高, 所以一般使用在柱、墙下等抗浮面积较大、受环境条件、施工条件影响大的地方。

抗浮锚杆是利用锚杆与砂浆组成一个锚固体, 保证锚固体和岩土层的结合力, 可以提高地下建筑的抗浮能力。抗浮锚杆具有造价低、施工方便、受力合理等优点, 广泛的用于地下空间抗浮施工。在实际施工中, 施工人员要根据地下工程的结构形式、地质条件、浮力大小、施工条件和工期要求等因素确定采用何种抗浮措施。

3 地下工程的抗浮设计

3.1 设计流程

对于地下工程抗浮设计总原则, 应该满足下式要求:

式中:W为地下建筑自重及其上作用的永久荷载标准值的总和;

F为地下水浮力。

当地下建筑自重及地面上作用永久荷载标准值的总和不满足 (1) 式要求时, 应进行地下建筑抗浮设计。

在具体设计时当建筑物的地面上结构外边线与地下建筑外边线基本重叠时, 地下建筑的抗浮设计按以下原则进行:

1) 当结构重量大于地下水的浮力且满足 (1) 式时, 不必考虑地下水对地下建筑整体浮力作用, 但应在设计中提出施工中必须采取隔水或降水措施降低地下水位;

2) 当结构重量小于地下水浮力时, 地下建筑肯定要设置永久性抗浮构件或采取其他有效措施以平衡地下水对整体结构的浮力;

3) 上述两种情况还必须考虑地下水浮力对地下建筑底板的反向作用, 保证地下建筑底板构件在地下水反向作用下应具有足够的强度和刚度, 并满足构件的上拱抗裂要求。

3.2 水浮力计算

一般情况下, 水浮力可以由岩土工程勘察报告提供的用于计算地下水浮力的设计水位, 根据阿基米德定律依照公式:

其中, V0为水浮力;F3为地下建筑重力;F4为覆土重力;A为承重地下水浮力作用的竖向受力单元的地下室柱网面积;F1为桩柱重力;F2为承台重力;F5为±0.000以上主体垂直荷载。

若计算结果v>0, 则应采取抗浮措施。在浮力计算过程中要注意:当地下建筑面积与上部主体结构面积相同时, 可简单比较地下建筑水浮力与建筑总荷载的关系, 来判断是否可能发生上浮;当地下建筑面积大于上不主体建筑±0.000层面积时, 或按裙房楼层比较浮力与建筑总荷载, 浮力大于建筑总荷载时, 应以竖向受力构件为单元分析浮力的平衡状态。

3.3 抗浮设计

当计算所得的浮力V>0时, 应采取抗浮措施, 在选择抗浮措施时, 要做到经济合理, 首先要分析工程地质和水文地质条件, 并分别区别施工阶段和竣工后使用阶段的不同情况。

1) 施工阶段的抗浮措施。地下建筑物若处于透水系数比较大的粉质粘土、粉土、砂土中, 由于正值施工期间, 地下建筑的顶板和覆土尚未完成, 此时底板和外墙已施工完成。在地下水的作用下, 形成了水浮力, 当浮力不大时, 可以利用排水明沟、集水井进行排水, 以减少水浮力;当土质的渗透系数大, 应在地下建筑底板中设置后浇带, 利用板下的垫石作为倒滤层, 排除水后, 直到地下建筑底板的水排干净后, 浇筑后浇带的混凝土;

2) 永久性抗浮措施。在上面提到利用配重法、抗浮桩法、抗浮锚杆等来平衡地下水浮力, 工程中常用的永久性抗浮措施:抗浮锚杆, 由于粘质粉土、硬塑状粘土或风化基岩适宜钻孔注浆, 若地下建筑底板下是这些土层, 可以利用注浆锚杆法。抗浮锚杆具有良好的底层适应性, 易于施工, 锚杆布置非常灵活, 锚固效率高。由于其单向受力特点, 抗拔力及预应力易于控制, 有利于建筑构件的应力与变形协调, 降低结构造价, 在许多条件下, 优于配重法和抗浮桩法。

4 地下建筑上浮后处理措施

当发生地下建筑上浮后, 应尽快采取措施增加配重和降低地下水水位, 以减小水浮力, 再检查地下建筑上浮是否造成建筑结构的破坏, 破坏过程是否可以修复。常用的几种地下建筑上浮处理方法:1) 加载。设法迅速增加地下建筑的重量, 以克服水浮力及地下建筑侧墙与土体之间的摩擦力, 使卡在土层中的地下建筑沉回原位;2) 抽水。可以在现场重新启动原有的抽水井或另行打设抽水井以降低水压;3) 解压。在地下室底板上钻孔, 以宣泄地下水, 此外如果地下建筑外侧有足够的场地, 可以考虑将周边塌方部分挖除, 可以使地下建筑较易于下沉。

5 结论

地下室的抗浮设计是结构设计中的一个重要组成部分。设计人员应根据地下工程具体情况进行认真分析, 正确计算水浮力与抗浮力, 处理好工程整体抗浮与局部抗浮的关系, 选择合理的抗浮措施, 既保证地下工程的安全, 又节省投资。

摘要：近年来, 随着城市建设的高速发展, 地下空间的开发利用成为发展的必然趋势, 地下建筑物越来越多, 其抗浮问题也日益突出。本文讨论了水浮力以及工程抗浮力的计算问题, 分析了地下空间的抗浮设计要点。

关键词：地下空间,抗浮设计,水浮力,抗浮锚杆

参考文献

[1]裴豪杰.地下结构的抗浮设计探讨, 2004.

[2]刘开发.地下结构抗浮设计讨论, 2010.

地下室抗浮篇5

随着城市建设的高速发展、人民生活质量的提高,住宅小区都设置地下车库以解决停车问题。无论是单地下车库还是附建地下车库,抗浮设计是地下室设计的一个重要部分,抗浮设计所对应的经济成本付出,在地下室的总投资中占很大的比例。

“抗浮水位”的确定是地下车库抗浮设计的先端。设计人员一般都是从地勘部门提供的岩土工程勘察报告中,取用抗浮设防水位的数值进行抗浮设计。其实,不同的工程单体就其座落环境、建筑体量、地基土层的分布情况等各类因素的差异而言,抗浮设计水位是不同的,抗浮设计水位是一个综合因素的判断分析结果,应该经过慎密分析,正确判别,合理取用。

1 抗浮设防水位确定的基本内容

(1)抗浮评定内容应以地貌单元、地层结构、地下水类型、地下水位变化情况为前提。

(2)抗浮设防水位根据地下水类型、各土层地下水位情况变化幅度及地下水补给、排泄条件等因素综合评价。

(3)抗浮设防水位以长期水文资料为分析参考,结合实测结果同时考虑承压水影响因素,应结合地形地貌、地下水补给、排泄条件等因素综合确定。

(4)当地下水赋存条件复杂、变化幅度较大、区域性补给和排泄条件有较大改变时,应予论证。

以上是《规程》中的内容,清楚地表达了“抗浮水位”是受场地、环境条件、地下水排泄及补给等多种因素影响的动态参数,而不是简单的“读取”,应是一个读取———分析———判别———选用较为复杂的过程。

2 使用岩土工程地质勘察报告

岩土工程地质勘察报告对地下室设防水位的提供、场平标高紧紧联系在一起。常常看到这样的文字“室外场平标高下0.5 m,室外整平标高下0.8m”等。试想,当工程单体的平面尺寸大到几十米甚至几百米的时候,这样的“场平”指的是什么?当住宅小区的地下室外场平标高沿南北向或沿东西向有几米甚至更多的高差时,地下水是否会往低处流?高侧部分的地下室有没有抗浮问题?诸如此类的问题纠结,促使设计人员必须理性地分析“场平”,推敲抗浮设计水位到底应如何取用。

3 抗浮水位的判定分析方法实例

3.1 南京城东某小区有多栋高层建筑,占地范围内满铺地下机动车库,地形较为狭长,南北向总长约240 m,场地高差近3.7 m,地勘资料提供的抗浮设防水位评定是“场平标高下0.5 m”,出现了最高处基础底板接近于较低部分的顶板标高情况(图1)。而场地土层强度较好,完全可以采用天然地基,只是单体间地下车库抗浮不满足要求。

通过仔细研究地勘报告土层排水情况,加之对周边已建小区道路标高及市政排水系统进行认真调研,充分考虑到该区域的历史水文资料数据。设计者大胆地将该地库的“抗浮水位”分区设置。建筑、给排水专业配合场地进行排水沟位置设计,调整顶板覆土厚度,成功地采用了天然地基的方案,不设置抗拔桩。

3.2 苏北某经济适用房小区以小高层住宅为主,单体之间共设置了九个单建机动车库,小区内部的交通标高及坡度要求控制了机动车库顶部覆土较薄。由于岩土工程地勘报告中提及的抗浮水位较低,采用覆土加建筑自重进行抗浮设计,刚刚满足要求。但是,在地勘报告图审时,图审专家的意见是:“抗浮水位过低,应明确为场地标高下具体数值”,依据图审意见,若简单地调高抗浮设防水位,必然有大量的抗浮设计投入。

通过对地下水类型、地下水补给及排泄条件的科学判别,对所在场地地形地貌进行了认真分析,对周边已建成的密集小区排水系统及使用状态深入调查,同时邀请当地设计专家反复论证,经多次与图审专家探讨交流,终于对抗浮水位进行了合理修正。目前使用情况良好。

3.3 南京某小区社区中心,主体五层框架结构,突出主体外轮廓部分有一个较大面积的下沉式广场(图2)。按照常规的方法进行地下室抗浮设计,抗浮可满足要求,不做处理。

设计分析:此工程的抗浮满足要求,是以下沉式广场中设置较多数量的积水坑为前提条件的,相当于将下沉式广场作为较大的排水场地,矛盾的是建筑功能要求此下沉式广场是作为农贸市场的主要出入口,应满足干燥环境要求。综合考虑积水坑将长期处于工作状态,还将带来建筑全周期范围内的附加经济投入。经过多轮分析比较,抗浮设计选用了打抗拔桩的设计方案。

3.4 苏南地区的某别墅群,座落于山区坡地,各独立别墅阵列布置,由一个连续几跨机动车库连接成一个体量较大的地下室。但各户设计有下沉式的院落,并配设直排水通道,地下机动车库有抗浮设计要求。

设计考虑:下沉式院落可以认为是个较大的地下水排泄通道,抗浮水位可以大胆地取用院落地面数值,解决抗浮问题的关健点是怎样使机动车库下部的地下水顺畅地排泄至下沉式庭院的积水坑内。通过土层的排泄能力分析,在机动车库的下部设计了疏水层,确保有抗浮要求的机动车库下部的地下水通过疏水层排至下沉式庭院的积水坑内,不再做任何的抗浮设计处理。

3.5 南京某一大型居住区,组团占地面积较大,各建筑单体之间均设置机动车库,由于上部覆土较为深厚,抗浮设计可以满足。

设计针对此小区占地面积大、部分地库距市政道路距离较远的特点加以分析:除了地下水以外,大部分的表层水渗水后,易形成“窝水”现象,这部分“窝水”的排泄不畅,实际上是提高了理论上的抗浮水位,这是本工程抗浮设计一个不可忽略的因素。因此采取分块设计方法,对于离市政道路较近的单体不采取抗浮措施,仅靠覆土自重来满足抗浮要求;而那些距离市政道路较远的单体,则采取抗拔锚杆等抗浮措施分别对待。

4 结语

地下室抗浮水位既取决于工程项目拟建场地的水文条件,又受制于不同项目的具体功能要求,多种因素并存。相同的个案工程,场地条件不同,相同的场地条件,个案工程建筑功能要求不同,抗浮设计结构方案不尽一致,以致对工程造价及施工工期产生至关重要的影响。设计人员应在调查研究、具体分析的前提下,借鉴以往的工程经验,正确判别和选取与所设计工程相对应的“抗浮水位”,真正做到地下室设计的安全可靠与经济合理。

摘要：“抗浮设计”是地下室设计的一个重要部分,“抗浮水位”受多种因素的制约。通过工程设计实例,介绍了地下室设计过程中的“抗浮水位”分析及取用过程,为正确判别和选取合理的“抗浮水位”提供借鉴,达到地下室设计安全可靠、经济合理的预期目标。

关键词：抗浮设计,抗浮水位,地下水排泄条件,抗拔桩,疏水层

参考文献

[1]JGJ72-2004,高层建筑岩土工程勘察规程[S].

[2]GB50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].

地下室抗浮篇6

目前在抗浮设计中常用的方法有自重抗浮、压重抗浮、基底配重抗浮、打抗拔桩抗浮或打锚杆抗浮等多种, 降低地下水位法由于其特殊的降水措施近年来得到越来越多的应用。这些方法各有特点, 针对不同的建设场地和不同结构体型的地下室选用不同的抗浮措施, 会对结构受力和工程造价产生较大的影响。

1 降低地下水位法

水池的抗浮计算公式为:G/F≥1.05

式中, G为地下室自重等永久作用荷载;F为地下水浮力;N1为池底抗浮桩或锚杆的抗拔力。见图1。

降低地下水位法是通过在地下室四周排水沟和地下室外墙打泄水孔, 让地下水有组织的进入室内排水系统降低水浮力F来达到抗浮的目的。该方法安全、经济, 施工较为方便。此方法最早是当地下室由于水浮力产生破坏时采取的补救措施, 在抗浮补救中有着非常好的效果, 后来也逐渐用于抗浮设计。由于该方法具有一定的局限性, 其运用并不是很普及也没有相应的规范。

降低地下水位法对地下室土体的要求比较高, 适用于地表渗水, 不适应于承压水和淤泥质土。该方法较之于相比较配重法和抗拔桩与抗拔锚杆有明显的优势, 其施工方便, 价格便宜。所以该方法用于抗浮补救或在适宜的地质条件下进行抗浮设计有着非常好的运用前景。

2 工程设计实例

该处以“某地地下室抗浮工程”为例, 对降低地下水位法在具体工程实例中的运用进行分析。

工程概况:该工程地下室为地下一层, 面积约25 000m2, 主要作为地下车库使用。地下室 (地下车库区域) 为框架结构, 采用柱下独基, 底板建筑标高-5.700m, 结构标高-5.750m, 建筑±0.000标高为高程31.40m。目前该地下室未建设, 场地地下水为赋存于第 (1) 层杂填土中的上层滞水和基岩中的裂隙水。上层滞水水位为地表下1.0~2.2m。

处理方法:第一种是压重法, 可通过在地下室压重或增加地下室底板来增加原结构的重量或覆土重量以此来提高G达到抗浮的目的, 该方法对原设计地下室截面配筋率相对较大的地下室最为适用, 由于该工程抗浮水位高 (该工程抗浮设计水位为±0.000标高高程31.40m) , 此方法实施难度大;第二种是抗浮桩 (抗浮锚杆) 加固法, 通过桩或锚杆的抗拔力N1来抗浮, 该方法对大体积地下室的抗浮相当有效, 不仅能满足地下室的整体抗浮, 还能通过合理布桩或锚杆来解决局部抗浮问题, 但此方法成本高, 施工周期长;根据该工程的实际情况主要考虑上层滞水, 故采用降低地下水位法。处理方法如下:

1) 基坑周边土回填前, 保持周边降水工作, 以免造成地下室的上浮;

2) 利用建筑要求设置的排水沟和在靠近外墙内侧设置的排水沟, 形成排水系统。在排水沟和外墙上布置泄水孔, 并在孔内安装滤水装置, 使进入基底的地表水经过泄水孔后通过排水系统抽排出去, 避免在基底形成水浮力。排水系统和泄水孔布置见图2, 泄水孔设置见图3。

3) 为避免上层滞水大量渗至地下室底板底, 导致在使用中经常性排水, 地下室周边杂填土应挖除, 重新回填粘性土, 并分层夯实。处理方法见图4。

排水系统的施工工艺:预留泄水孔→洛阳铲掏土→滤水网制作→填充滤水材料→填塞钢丝球或尼龙丝→排水沟设置。

4) 滤水网筒制作完毕后, 往网筒内灌入砂石并捣实, 密封网筒两端, 网筒装入滤水孔前, 在网筒安装完毕后, 在滤水孔端、泄水孔内填塞钢丝球或尼龙球。

5) 新设排水沟范围详见施工图, 浇筑混凝土时预留沟槽即可。

6) 工程造价对比

/元

通过对比可知, 在可以运用降低地下水位法的条件下其成本约为打锚杆桩法的1/4、配重法的1/3, 该方法可大量降低工程造价。

3 结语

比较详细的介绍了降低地下水位法应用原理以及适用范围和主要特点, 通过具体的实例比较详细的介绍了降低地下水位法在实际工程中的施工工艺和注意事项, 以及另外两种常用抗浮方法的主要特点。通过工程造价对比可以看出降低地下水位法相比其它两种常用方法节约成本的优势非常明显, 并且降低地下水位法施工简便易行, 可以为其它类似工程提供参考。

参考文献

[1]袁正如.地下工程的抗浮设计[J].地下空间, 2004 (1) :41-43.

[2]柳建国, 刘波.建筑物的抗浮设计与工程技术[J].工业建筑, 2007, 37 (4) .

[3]裴豪杰.地下结构的抗浮设计探讨[J].福建建筑, 2004 (1) :59-60.

[4]贾金青.软岩地区抗浮锚杆的实验与施工[J].施工技术, 2003 (1) :40-41.

[5]JGJ 79—91.建筑地基处理技术规范[S].

地下室抗浮篇7

在地下室抗浮设计中, 当自重无法平衡水浮力时, 往往需要布置抗浮锚杆。通常的计算方法为 (总水浮力-底板及上部结构自重) /单根锚杆拉力设计值=锚杆数量。然后将抗浮锚杆均匀布置在底板下, 锚杆的间距按底板面积除以锚杆根数确定。锚杆产生抗浮力的前提是锚杆产生变形, 而上述方法并未考虑锚杆的变形, 计算出的锚杆的抗浮力并不准确, 因此必须考虑锚杆和与其相连处底板的协调变形, 以此计算抗浮锚杆的抗浮力。

如上所述地下室底板布置抗浮锚杆目前的计算方法仍存在着受力不清晰, 没有明确的计算公式等缺陷。本文提出地下室底板锚杆的抗浮力计算公式。结合工程实例在四边简支板的条件下对按锚杆与底板协调变形方法和不考虑锚杆变形时承受其底板受力面积的方法进行比较和探讨。

2 底板与抗浮锚杆的协调变形分析及方法

2.1 一般情况下的公式推导

考虑底板与抗浮锚杆的变形协调, 取地下室底板柱网a×a的板格。四周按布置边梁考虑, 考虑锚杆沿底板均匀布置 (见图1) , 锚杆作为集中力作用在底板板格的对应点上, 要确定在水浮力作用下锚杆所受的拉力。将锚杆看作一个刚度为K1的弹簧。根据变形协调, 锚杆伸长量等于在水浮力作用下底板锚杆位置上的变形减去底板在锚杆作用下底板锚杆位置上的变形。力法方程组如下。

其中, a为板格宽度;h为板厚;n为锚杆数量;fiw为板格在单位均布荷载下第i根锚杆位置上的变形;fmij为板格在第j根锚杆作用单位集中荷载下第i根锚杆位置上的变形;Fw为底板单位面积水浮力;Fim为第i根锚杆抗浮力;K1为锚杆钢筋抗拉刚度;As为锚杆钢筋面积;Es为钢筋弹性模量;l为锚杆自由段长度;Ec为混凝土弹性模量。

2.2 典型情况下的公式推导

地下室典型柱网尺寸一般为7 m~9 m, 抗浮锚杆布置间距一般在2 m~3 m之间。在典型柱网下锚杆在底板板格内4个点均匀布置见图1。各点锚杆受力一致。

由式 (1) 可写成:

其中:

其中, Δi为在水浮力作用下底板在第i根锚杆处的位移;为底板在第i根锚杆处产生单位位移时锚杆所受的水浮力。其等效于刚度为的弹簧放置在底板下, 为锚杆的等效弹簧刚度。

因此对于以上所述的布置抗浮锚杆的地下室底板计算模型相当于在底板下的锚杆位置设弹性支座的平板。在对地下室底板进行精确的受力分析时, 可以根据抗浮锚杆具体位置按式 (4) 分别计算各锚杆的等效弹簧刚度Ki, 然后在底板锚杆位置设置弹簧刚度为Ki的弹性支座, 在正确定义平板四周的支承条件后对底板进行计算分析, 本文仅通过手算结合工程实例进行验证分析。

3 工程实例验算和比较

1) 工程概况及抗浮锚杆承载力。某高层的1层纯地下室柱网7.2 m×7.2 m, 水头高度4.4 m。扣除上部自重作用在底板上的净水浮力38 k N/m2。底板混凝土强度等级为C30。板厚350 mm。根据地质报告场地土层自上而下为: (1) 杂填土厚3 m。 (2) 凝灰熔岩残积粘性土厚6 m。 (3) 碎裂状强风化凝灰熔岩厚度3 m。 (4) 中风化凝灰熔岩, 厚度大于10 m。

底板满布抗浮锚杆, 采用岩石锚杆, 单根锚杆为3级钢325, 锚杆直径200 mm, 以中微风化凝灰熔岩为锚杆锚固端, 锚入长度ld=3 m。锚杆自由段长度为l=9 m。不考虑土层对锚杆的作用。锚杆在板格中四点均匀布置, 锚杆间距a/3=2.4 m (见图2) , 图2阴影部分为锚杆在不考虑变形时在底板承受的受力面积。

设板格四周为简支, 板格平面尺寸a×a, 求抗浮锚杆的抗浮力。

锚杆钢筋的抗拉承载力R1:

锚杆与水泥粘结抗拉承载力R2:

钢筋与锚固砂浆的粘结强度fd=2.1 MPa。

锚杆与土层粘结承载力R3:

锚杆体与岩石层的摩阻力值frd=250 k Pa。

综合以上所述, 锚杆抗拉承载力R=237 k N。

2) 考虑底板与抗浮锚杆的变形协调锚杆抗浮力。

在单位均布荷载作用下四边简支的矩形板各点的位移为:

其中, E为底板弹性模量;μ为混凝土泊松比, 取0.2。

由式 (7) 在单位均布荷载作用下板格内锚杆处四点的位移可简化为:

在单位集中荷载作用下板格各点的位移为:

其中, (ξ, η) 为集中力作用点的坐标。

由式 (11) 作用在锚杆处的单位集中荷载产生的板格内锚杆处四点的位移可简化为:

现要求得抗浮锚杆的抗浮力Fim。

已知, Fw=38 k N/m2。As=1 470 mm2。

依式 (10) 得:

依式 (12) 得:

将上述数据代入式 (3) , 得到锚杆的抗浮力Fim:

3) 抗浮锚杆的变形协调法与锚杆不考虑变形按承受的受力面积方法计算结果比较。下面运用两种方法计算矩形板板中心点的跨中弯矩M0, 第一种用叠加法叠加水浮力和以上用变形协调求得的锚杆拉力分别作用的两种工况求板中心点的弯矩M0, 第二种方法是锚杆不考虑变形按承受的受力面积计算锚杆的抗浮力求得的板中心点的弯矩M0。将两种情况进行比较如下。

a.按变形协调法计算跨中弯矩。

在均布荷载作用下四边简支的矩形板跨中弯矩为:

其中, q为作用在板上的均布荷载。

在集中荷载作用下四边简支的矩形板的跨中弯矩为:

其中, P为作用在板上坐标为 (ξ, η) 的对称的集中荷载。则作用在底板板格上的单位面积水浮力:

根据变形协调法, 前面计算的单根锚杆拉力为:

分别代入式 (13) , 式 (14) , 计算叠加后底板板格的跨中弯矩如下:

得M0=89 k N·m/m。

b.按锚杆不考虑变形时承受的受力面积方法计算跨中弯矩。

由图2可知单根锚杆的受力面积为a2/9。

为简化计算, 本文仅对四边简支的矩形板受力进行分析, 从以上结果看出锚杆不看成是不动支座时, 其承受的抗浮力远远小于按锚杆不考虑变形时图2锚杆受力面积计算的抗浮力, 其计算的底板弯矩远远大于按锚杆不考虑变形时计算的底板弯矩。

故按抗浮锚杆不考虑变形进行地下室底板设计并不安全, 必须考虑锚杆与底板的变形协调。