地下结构抗浮力分析计算在具体工程中的应用

李红涛

【摘要】本文站在建筑使用过程中环境会改变的角度指出，很难得出精确、合理的抗浮设计水位是目前的抗浮设计不可靠的问题所在。在此基础上，结合具体的工程实例提出设防水位不坏以及极限水位不浮的抗浮设计理念，指出将地下室入口的地面标高当作极限的水位分析结构的极限，同时给出处理地下结构的抗浮问题的对策，最后对于岩石地基的抗浮设计给出相关建议。

【关键词】地下结构；抗浮设计；抗拔桩；岩石地基

0引言

由于城市化进程不断推进，建筑行业也随之发展，城市土地资源也越来越紧张，地下结构的抗浮问题越来越明显，地下建筑物上浮的问题经常出现。地下结构抗浮沉防水位的取值是不是科学、计算是不是正确关系到整个结构工程的安全，对于工程的造价与工期等部分有非常大的关系。尽管各种各样的标准均对抗浮设计有相关的规定，也有许多文献进行了分析，不过现阶段的抗浮设计思想还不是特别的完善，还没有形成系统的理论，标准中的相关规定也没有特别明确。本文结合具体的工程实例，对地下结构抗浮设计的鉴定进行了深入探讨。

1工程概况

本工程为嘉定某配套商品房单层地下机动车库，受到该地区普降暴雨影响，致使地下车库底板局部隆起，局部顶板面开裂、个别柱顶出现混凝土开裂剥落，后经紧急排水处理，隆起部分得以恢复。现为确定地下车库上浮引起的结构损伤状况，受委托对其进行结构安全检测鉴定，重点分析地下室结构隆起原因及结构受损现状。

结构安全等级为二级，建筑分类为丙类；设防烈度为7度；地震分组为第一组；基本地震加速度0.10g；建筑场地分类为IV类；场地特征周期为0.90s；结构抗震等级为三级；阻尼比为0.05；多遇地震水平地震影响系数为0.08；罕遇地震水平地震影响系数为0.45；地面粗糙度为B类；地下室防水等级为一级；混凝土环境类别为地下室围护墙为二b类，其他为二a类；地基基础设计等级为丙级；设计使用年限是50年。

2房屋相关情况及地质情况分析

2.1房屋相关情况

本地下机动车库共一层，层高4.6m。筏板厚度400mm，顶板厚度200mm，地下室外墙厚度350mm。覆土深度1.35m。地库大部分区域无上部结构，水浮力荷载起控制作用，需设置抗拔桩。

2.2地质情况

根据《该项目配套商品房项目岩土工程勘察报告》（工程编号：2012-5-01-03），判断该工程场地为不液化场地。地下水和地基土对混凝土结构有微腐蚀性，对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性。各土层物理参数见表1。

3抗浮设计

现阶段，诸如地铁、地下室、市政设施、下沉式广场和游泳池均存在抗浮的问题，所采取的手段主要有降水、配重以及锚固等。

配重抗浮指的是通过所有能够使用的以及能够增加的重量在楼面上面进行配重，有的是加重底板，有的是在底板上面设置等级低的混凝土挂重。自重、荷载和浮力相差不是特别大的时候通过配重抗浮会比较科学，在相差比较大的时候会让工程造价有所提高。

降水抗浮主要用在施工过程中或者水池等建筑物，不是很经常用在地下室等建筑物，通常采用降水井、盲沟排水以及观察井等手段。

锚固抗浮可以通过锚索、锚杆以及抗拔桩实现抗浮。锚杆通常是在基岩比较浅的时候使用，在地下水对于钢筋有一定的腐蚀性的时候，锚杆的耐久性问题不容易处理，在应用方面有一定的限制性。锚索通常使用预应力，抗浮性和耐久性比较好，不过造价比较高、工序相对比较多、防水处理不容易。通常在出现上浮的事故以后，没有办法增加充足的配重的时候，通过预应力锚索处理。抗拔桩具有抗浮与抗压两方面的作用，属于一种被普遍应用的抗浮手段。

4抗浮、抗压设计分析

4.1地库抗浮、抗压设计校核

4.1.1工况选取及荷载取值

本文主要通过以下三种工况进行分析。第一，正常使用过程中，地库的最不利受浮状态。该工况下，地下水位取地表以下0.5米，覆土厚度1.35m。取覆土重度18KN/m3。抗拔桩抗拔承载力取其特征值。该工况下各荷载取值：恒载（不含结构自重）：覆土荷载18x1.35=24.3KN/m2；活载：水浮力（6.65-0.8）x10=58.5KN/m2。第二，施工过程中，地库的最不利受浮状态。该工况下，地库结构初步完成，上部覆土未覆盖，地下水位已回升。地下水位取地表以下0.5米。无覆土。抗拔桩抗拔承载力取其极限值。该工况下各荷载取值：恒载（不含结构自重）：覆土荷载0KN/m2；活载：水浮力（6.65-1.65）x10=50KN/m2。第三，施工过程中，最不利受压状态。该工况下，地库结构已经完成，覆土已覆盖，而降水仍在进行，故不考虑水浮力。覆土厚度1.35m。因筏板底位于③1层淤泥质黏土层，根据建筑桩基规范5.2.5条，不考虑承台效应，故只考虑桩基承载力。抗压承载力取其极限值。该工况下各荷载取值：恒载（不含结构自重）：覆土荷载18x1.35=24.3KN/m2；活载：水浮力0KN/m2；均布活荷载5KN/m2；地库底板客车荷载。3.5KN/m2。

4.1.2桩承载力计算

由《该配套商品房项目岩土工程勘察报告》（工程编号2012-5-01-03），取计算点位C48、C49、C52、C52-1，得桩承载力如下表所示。

校核区域内的桩，取其抗拔承载力特征值为350KN，抗拔承载力极限值为700KN，抗压承载力特征值为660KN，抗压承载力极限值为1320KN。

4.1.3桩承载力校核

本节主要探讨了三种工况的用在桩承载力校核方面的导荷法与模型计算法。

工况一：导荷法：按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）5.4.3条，进行荷载导荷，可得各柱底反力。当柱下布置三桩时，其抗拔承载力特征值为350x3=1050KN。当柱下布置四桩时，其抗拔承载力特征值为350x4=1400KN。而导荷结果显示，三桩柱底反力基本小于-1050KN，四桩柱底反力基本小于-1400KN。即荷载效应小于桩承载力。模型计算法：通过PKPM-JCCAD软件计算，得相应的桩反力。桩反力基本小于桩抗拔承载力特征值。工况二：导荷法：按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）5.4.3条，进行荷载导荷，可得各柱底反力。当柱下布置三桩时，其抗拔承载力极限值为700x3=2100KN。当柱下布置四桩时，其抗拔承載力极限值为700x4=2800KN。而导荷结果显示，部分三桩柱底反力大于-2100KN，最大反力达到-2379KN。及荷载效应大于桩承载力。模型计算法：通过PKPM-JCCAD软件计算，得相应的桩反力。部分桩反力大于桩抗拔承载力极限值。工况三：导荷法：按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）3.0.5条，进行荷载导荷，可得各柱底反力。当柱下布置三桩时，其抗压承载力极限值为1320x3=3960KN。当柱下布置四桩时，其抗压承载力极限值为1320x4=5280KN。由导荷结果可知，各柱底反力均小于抗压承载力，故承载力满足要求。模型计算法：通过PKPM-JCCAD软件计算，得相应的桩反力。桩反力均小于桩抗压承载力极限值。

4.2界限水位计算

根据桩抗拔承载力，反算界限地下水位。当地下水位处于界限位置时，地库总抗浮力基本等于总浮力。计算界限水位时，不考虑上部覆土作用。经PKPM-JCCAD计算，得到界限水位标高为-3.000m。由计算结果可见，当地下水位为-3.000m时，地库总抗浮力大于地库总浮力，安全系数为1.1，大于1.05。桩反力除个别桩外，大部分均在-350KN以下，小于抗拔承载力特征值。

4.3底板沉降计算

地库结构在强降雨期间产生了上浮。现模拟当时情况，按工况二进行建模，计算此时的筏板沉降。可见强降雨时，筏板整体上浮，最大位移达到106mm，计算结果与现场检测结果基本一致。

4.4附加内力计算

不均匀沉降将导致结构产生附加内力。为评估附加内力对结构构件的影响，现对附加内力进行计算。运用YJKS1.5分析软件，将筏板竖向位移作为位移荷载，强制附加在结构模型中，从而计算结构因竖向不均匀位移而产生的内力。将计算所得附加内力中的较大值，予以标示。需要指出的是，该结果是基于以下假定计算所得：假定水浮力均匀作用于结构底面，结构各部分上浮速度均相同。而实际工况远比假定工况复杂，可能导致结构构件产生更大的相对位移，从而产生更大的附加内力。

4.5鉴定结论

在正常使用过程中，当地下水位较高时，桩抗拔承载力特征值大于水浮力的作用效应。在施工过程中，当主体结构已完成，而覆土仍未覆盖。若此时降水措施失效，地下水位升至较高水平，可能导致水浮力作用效应大于桩抗拔承载力极限值。在施工过程中，桩的抗压承载力满足要求。地库抗浮界限水位标高为-3.000m。在强降雨期间，筏板受水浮力作用而上浮，最大上浮位移达到106mm。

5岩石地基抗浮设计

工程项目中争论比较多的还有岩石地基方面的抗浮问题。大部分工程因为岩石上面的渣土不容易清理，所以直接导电层后根据独立的基础设计，这方面的抗浮问题还是存在。

地下室的水浮力等于岩层孔隙水的压强与水作用在底板上的面积的乘积。假如地下室底板和基岩的结合力比浮力大便能够符合抗浮的要求，因此岩石地基的重点便是让基岩和地板相结合。爆破以后的岩面会出现高低不平的现象，底板混凝土容易过厚导致龟裂以后渗水，因此需要尤其灌注渗水点的区域里面混凝土的密实，同时混凝土浇筑之前对渗水点的具体位置必须进行记录，方便只要查出渗水的时候有针对性的止渗。尝试现场试验以及抽检，对基岩与底板的结合力有一定的了解，这样便能够省去锚杆，同时也能够降低岩面石渣的清理力度。

6结语

抗浮设计要做到常年水位不裂、极限水位不浮以及设防水位不坏这三点。针对普通地市环境的地下室，将底边水达到地下室入口当作极限的水位，对结构进行极限分析能够可靠抗浮。勘察单位必须结合场地的周围环境、水文地址以及有没有洪水的可能、排水是不是顺畅等方面的因素全面明确极限水位。必须重视桩周土的特性、桩表面粗糙度、樁周土埋深以及桩端持力层对于桩侧阻力所带来的影响。抗拔桩应该使用有责咬合摩擦特性的桩型，注意持久性以及桩本身的裂缝控制。岩石地基抗浮的重点是基岩与底板的结合程度，重视渗水点范围混凝土的密实。

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