某建筑地下结构抗浮设计分析

张杨芳

（北京维拓时代建筑设计股份有限公司太原分公司，山西太原 030000）

1 工程概况

某项目由41栋建筑组成，包括产业研发办公楼35栋，配套商业6栋。该项目总建筑面积1334825m2。该项目为地下三层，局部四层，地下四层为设备用房及车库，地下二、三层为设备房及地下车库，地下一层为商业且局部下沉广场。由于地下水位较高，设计时，无上部建筑部位采用抗浮锚杆。

2 地质情况

2.1 土层

第①素填土：层厚2.10～9.70m。

第②层细砂：层厚2.40～12.20m，层底标高2.73～11.27m。

第③层中砂：层厚2.60～6.90m，层底标高-3.17～3.51m。

第③1层粉质黏土：层厚1.50～5.50m，层底标高0.13～7.97m。

第④层粉质黏土：层厚3.30～8.50m，层底标高-8.67～-2.49m。

2.2 设防水位

稳定地下水位埋深为5.60～10.90m，高程13.44～14.21m，本场地近3～5年最高地下水位埋深2.0m左右，本工程抗浮设防水位绝对高程可按18.5m考虑。

3 抗浮设计

3.1 抗浮分析

3.1.1 基础形式及底标高

考虑到本工程水位高，地下室底标高为7.25m（局部4.05m）若采用独基+防水板，防水板只用来传递地下室地面荷载和平衡浮力，防水板厚度一般为250mm，且柱与防水板连接处容易漏水，致使柱脚破坏，若采用筏板+下柱墩，筏板基础无论在竖向向下、向上的荷载作用，均具有相互传递或转移的性能，与上部结构的协同作用对结构荷载较小区域的浮力有一定的分担作用，因此从经济性及施工过程中降水问题的实用性综合分析，基础形式采用筏板+下柱墩。

3.1.2 抗浮等级

根据《建筑工程抗浮设计技术标准》，多层地下室、埋深较大，抗浮等级为甲级。

3.1.3 抗浮采取方式

抗浮设防水位18.5m，正负零23.1m，16.55层高，覆土2.5m，筏板厚0.5m，基底标高3.55m，上部荷载（地库顶梁板+柱自重+基础自重+覆土）与水浮力比值小于1.05（施工期抗浮安全系数）。考虑到地基承载力满足要求，但抗浮不稳定，所以采用抗浮设计，针对实际情况，提出两种方案：①增加配重，若增加结构自重的方法（改变梁、板、柱的面积及厚度），会造成结构空间损失，若增加地下室底板配重会加深埋深，进一步涉及基坑开挖、边坡支护、施工降水问题，且增加水浮力抵消上部荷载起不到有效的抗浮目的，因此增加配重的方式不经济；②在筏板加下柱墩的基础下设置抗浮锚杆，筏板加下柱墩在一定程度上，不仅满足了防水板的要求、增加配重，还对锚杆的间距或长度有很大的改善。

3.2 抗浮锚杆设计

3.2.1 锚固体材料

水泥是决定抗浮构件防腐性能的最主要因素，应根据土、水对混凝土及钢筋的腐蚀性选用不同种类的水泥，可采用水泥浆、水泥砂浆和细石混凝土。水泥浆浆强度不宜低于30MPa，水泥强度较高时浆体干缩较大，对耐久性不利，故不宜太高。锚杆材料：采用HRB400级钢筋。

3.2.2 锚杆的布置、间距及锚杆拉力计算

抗浮锚杆的布置决定着地下结构底板的受力状态和抗浮作用的贡献。

根据底板的配筋合理情况布置锚杆→计算锚杆拉力设计值→确定锚杆直径、长度→计算锚杆配筋→复核锚杆长度→返回模型复核验算。

（1）集中布置，即抗浮桩集中布设在墙柱下及其周围，其优点是可利用柱下及墙下基础较高承载力传递荷载，基础锚固可靠，受力路径简单，在整体抗浮稳定性满足要求的情况下，可考虑抗压工况的承载力要求，在整体抗浮稳定性应满足要求；此时，基础底板柱间跨中区域浮力需靠结构底板传递，底板受力及局部弯曲较大，造成底板厚度加大，适合地下水浮力不大、抗浮桩数量少的情况，特别是有抗压要求的情况。对于抗浮锚杆而言，由于刚度小及单向受拉的特点，一般不宜采用这种布置模式。

（2）分布式布置，即均匀布置抗浮锚杆，或布置在墙柱之间。其优点是可以根据地下结构底板上部荷载的不均匀分布与浮力的平衡关系，利用抗浮锚杆进行荷载合理平衡，达到整体抗浮稳定要求，并使底板受力更小和更为均匀，变形及裂缝控制更为理想。

（3）整体抗浮计算间距。

总的水浮力设计值－底板及上部结构自重标准值/单根锚杆设计值＝所需锚杆根数

抗拔锚杆布置示意图如图1所示。

图1 抗拔锚杆布置

本工程最终采用分布式布置，间距为2.8m。

（4）确定锚杆。

水浮力：（18.5-3.55）×10=149.5kN

结构自重组成如下：

地库顶梁板及柱自重：5.5×3+14=30.5kN/m2

基础自重：0.5×25=12.5kN/m2

覆土：2.5×16=40kN/m2，合计83。

单根锚杆承载力标准值：（149.5-83）×8.4×8.4/25=187.7kN，取210kN。

此处盈建科软件读取锚杆最大拉力标准值为241kN，取250计算。

3.2.3 锚杆长度计算

锚杆钢筋的截面面积：Kt=K=2，fy=435

As≥Kt×Nt/fy=2Nt/fy=2×250/435=1150mm2，取3根25，实配1476mm2

锚杆锚固长度计算：D=200mm

La≥K×Nt/3.14D×qsia=2Nt/fy=2×250/3.14×200×65=12.3m，取13m。

3.3 特殊部位抗浮处理（坡道、下沉广场）

局部抗浮不足的部位只能利用软件分块计算、独立考虑，接近于手算校核，但是不能考虑周围结构对抗浮的有利作用。

抗浮设防水位18.5m，正负零23.2，5.4+3.7+3.7+3.7=16.5层高，覆土1.0m，筏板厚0.5m，基底标高3.8m。

水浮力：（18.5-3.6）×10=149kN

结构自重组成如下：

地库顶梁板及柱自重：5.5+5.5+16=27kN/m2

基础自重：0.5×25=12.5kN/m2

覆土：1.0m×16=16kN/m2，合计55.5

单根锚杆承载力标准值：（149-58.5）×8.4×8.4/25=255kN，取310kN。

此处盈建科软件读取锚杆最大拉力标准值为330kN，取330计算。

锚杆钢筋的截面面积：Kt=K=2，fy=435

As≥Kt×Nt/fy=2Nt/fy=2×330/435=1517mm2

取4根22，实配1521mm2。

锚杆锚固长度计算：D=250mm

La≥K×Nt/3.14D×qsia=2Nt/fy=2×330/3.14×250×65=13m，取13.5m。

4 抗浮设计对基础配筋的影响

水浮力较大时，设置抗浮锚杆，为有效的抗浮措施，同时，均匀布置锚杆，有效地减小筏板基础底部弯矩和配筋，且底板受力均匀，弯矩及配筋较小。

5 抗浮设计注意的事项

（1）抗浮设计时不仅要关注结构的整体抗浮稳定验算，对于局部埋深较深的部位，以及结构自重较小的部位，尤其是上部结构楼层缺层或者大范围楼板开洞部位，更要仔细核算局部抗浮是否满足，避免局部抗浮不足问题的出现。

（2）在地下水作用下，基础底板构件应具有足够的强度和刚度，并应进行浮力作用下的抗弯抗剪抗冲切承载力验算。

（3）施工过程中需要采取临时降低地下水位措施时，设计说明中应明确说明施工过程中停止降水的时间要求，以免停止降水后水位过早上升，发生问题。

（4）沉降后浇带一般会在停止降水以后封闭，因此底板及墙体的沉降后浇带做法中应给出后浇带加强层做法，以抵抗水压力。

（5）当主楼与地下结构或者裙房之间未设置结构缝时，若地下结构或者裙房由于抗浮不足需要设置抗拔桩，抗拔桩的支承作用会限制地下结构或者裙房的沉降，从而加大主楼与地下结构及裙房间的沉降差，因此沉降后浇带的封闭时间应该严格要求。

6 结语

工程设计中，抗浮锚杆有其自身的独特性，除了能平衡地下水浮力作用外，还可起到加固地基的作用，从而减小地基变形及不均匀沉降。抗浮锚杆作为小型的受拉构件，在许多抵抗水浮力的方法中，其拥有工艺简单、施工方便、抗拔承载力较高等众多优点，希望建筑行业广泛应用。