浅析建筑物抗浮设计

张晓川

摘 要：一直以来，建筑物的抗浮设计都是工程设计人员的重要关注点，建筑物的地基基础抗浮设计是地基基础设计的重要内容之一。该文首先对地下水位的判断以及地下水浮力的计算进行了说明，对建筑物基础抗浮重要性及水位的判断进行探讨，在基础抗浮荷载及安全系数的计算基础上阐述了主要的抗浮方法及其适用性；其次，对抗水板的设计进行了细致探讨；最后，提出了增加抗浮锚杆的基础抗浮设计方法。

关键词：抗浮锚杆；抗浮设计水位；锚杆抗拔力设计值

中图分类号：TU241 文献标志码：A

随着城市现代化的高速发展，地下空间的利用也越来越被重视，在大城市中，两层地下室的高层建筑已非常常见，3～5层地下室的大型公共建筑也越来越多。地下水对建筑物的影响已不可忽视，在有些区域甚至起控制作用，在带裙楼高层建筑及大底盘高层建筑中表现得尤为突出。目前，由于抗浮问题考虑不充分而发生建筑损坏的例子已屡见不鲜。在结构基础设计时，设计人员应谨慎思考地下环境的每一处影响。

1 地下水的浮力与抗浮设计水位

1.1 判断地下水位

对于建筑物的抗浮设计来说，地下水位的判断非常关键，此工作通常由地勘单位来完成。由于地下水的不确定性及地质复杂性，需要勘察人员运用专业的技术并通过观察当地的地质条件，结合自身的经验得出。

首先，查明地下水类型、埋藏条件、补给及排泄条件及稳定水位；提供季节变化幅度和各主要地层的渗透系数。提供地下水水质简分析报告，判定水质和土是否对建筑材料具有腐蚀性。然后根据区域水文地质资料，判断场地潜水地下水位年变化幅度，枯水期时段范围及丰水期时段范围。最后结合历史记录得出抗浮设计水位。此抗浮设计水位可作为结构设计人员抗浮设计的依据。

1.2 计算地下水浮力

建筑物基底水浮力为：F（kN/m2）=H×rw

其中，H为地下水水头高度（抗浮设计水位高度减建筑物基底高度）， rw为水的重度。

在建筑整体抗浮计算时，此水浮力可直接使用。当进行地下室抗水板及锚杆配筋设计时还应乘以分项系数（通常为1.35）。

2 建筑物纯地下室的抗浮设计

在高层建筑中，主楼由于楼层较多通常可不考虑抗浮设计，而纯地下室则是抗浮设计的主要考虑对象。

2.1 整体抗浮荷载

基础抗浮荷载计算公式：Q=F-G

式中：F为水浮力标准值；G为结构自重及其他永久荷载标准值之和；整体抗浮计算时可不考虑分项系数。

G=各楼层结构自重（包括地下室底板）+各层建筑面层重量+地下室顶板覆土重

2.2 抗浮稳定验算安全系数K

K=G/F

式中：G为结构自重及其他永久荷载标准值之和；F为水浮力标准值。

根据我国现行规范规定，抗浮稳定验算一般采用单一安全系数，安全系数K≥1. 05。

当不满足时应采用抗浮措施保证建筑物的安全。

2.3 主要的抗浮方法及其适用性

抗浮方法各有不同，抗浮锚杆作为地下室抗浮设计的主流具有一定的优越性，下面着重讨论抗浮锚杆的设计方法。

Nak= （F-G）×b2

Nak为锚杆承受的拔力标准值；F为水浮力标准值；G为结构自重及其他永久荷载标准值之和；b为锚杆间距。

锚杆抗拔承载力计算：

根据《建筑边坡工程技术规范》GB 50330—2013

杆体截面：As≥KbNak/fy

As为锚杆钢筋面积；Kb为抗拉安全系数；fy为钢筋抗拉强度设计值。

锚杆长度按下列公式计算并取大值

La>KNak/πDfrbk

La>KNt/nπd fb

La>1.35Nak/ b2r

La为锚杆计算长度；frbk为岩土体与锚固体极限黏结强度标准值；D为锚杆直径；n为锚杆钢筋根数；fb为钢筋与锚固砂浆间的黏结强度设计值；d为锚杆钢筋直径；b为锚杆布置间距；r为土体容重（地下水位以下取浮重度）。

当进行地下室抗浮锚杆设计及施工时应注意以下要求：锚杆全面施工前应作基本试验以确定锚杆长度，试验最大加载量应满足规范要求（基本试验施工单位应根据承载力要求增大锚杆钢筋直径），且不得小于单根锚杆抗拔力设计值Nt的2倍。试验应根据不同的土层情况、锚杆长度及抗拔承载力特征值要求确定试验组数。每一种情况锚杆数不得少于3根；当试验完成后应形成试验报告以供设计人员确定本场地的锚杆长度。验收试验锚杆数量不得小于总锚杆数量的 5%，且不应小于 6根，试验最大加载量不应小于单根锚杆轴向拉力Nt的1.5倍。成孔应采用机械成孔，应根据土层条件采用泥浆护壁或钢套筒护壁等措施，以避免孔壁坍塌，锚杆的孔位和孔径误差应不大于20 mm，钻孔的轴线偏斜率不应大于杆体长度的2 %。

工程停止降水的时间应同时满足以下条件：

（a）完成地下室顶板及挡土墙周边地面回填，回填土容重16 kN/m2～18.0 kN/m2。

（b）塔楼结构施工完毕后。

（c）各楼层面层施工完毕后。

当在地下室布置抗浮锚杆时，应尽量均匀布置，抗水板及柱下基础均应布置。如果采用柱下基础不布置锚杆，集中布置在抗水板区域内，由于锚杆对土体的挤密效应，会造成抗水板下面的反力增加，柱下基础反力减小，反而使柱下基础抗冲切不安全。

3 抗水板所承受的水浮力设计值

q=1.35×F-Gq-（F-G）

式中：q为扣除抗水板自重及锚杆拉力后抗水板所承担的水浮力；F为水浮力標准值；Gq为抗水板自重；F-G锚杆承受的拉力标准值。

Mox =0.125qly（lx-2c/3）2

式中：Mox为抗水板所承受的最大弯矩；ly 、lx为抗水板2个方向的跨度；c为柱帽尺寸（柱截面宽度+2倍抗水板厚度）。

弯矩分配（查表计算）：

当采用近似计算时，抗水板钢筋计算值As=M/0.9fyho，式中ho为抗水板的厚度。

4 基础抗浮设计方法

在多层地下室结构中，由于水浮力过大，抗浮锚杆已不能满足需求，这时应采用抗拔桩，抗拔桩的设计原则详见地基与基础设计规范。

5 结语

确定地下水位依靠的是水位观测网，多年的观测数据也能提供很好的帮助，这一数据对工程造价的影响非常大，而且它具有很强的政策性，这一公共资源需要政府去主导并建立相关法规。

地下水荷载分项系数采用1.0比较合适。永久荷载分项系数一般来说都是0.9～1.0。抗浮稳定验算安全系数一般取1.05～1.1。

每一个抗浮方法都有独立的适用性，对应的就会有各种优缺点，在选择的时候，要根据地质条件、水浮力大小、后期运行条件等特点进行合理科学且经济的选择。

参考文献

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