岩溶强发育条件下抗浮设计与探究

王佳炜

(贵州省建筑设计研究院有限责任公司，贵州 贵阳 550081)

0 引言

抗浮设计是地下室设计的重要环节，在实际工程中解决抗浮的现行措施主要是“抗和放”两种思路，所谓“抗”有压重抗浮法、结构抗浮法、锚固抗浮法；“放”有排水限压法、泄水降压法、隔水控压法。不同的抗浮方法均有其优缺点和适用性，虽然《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)[1]、《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)[2]、《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS22：2005)[3]等规范对抗浮措施及设计有规定，众多文献也进行相关探索，但这些规范或规程未在统一框架内编制，实际工程运用中易令人混淆，对抗浮设计缺乏统一认识。2020年3月1日正式实施的《建筑工程抗浮技术标准》(JGJ 476—2019)[4]，有望一并解决上述问题。为此在本案例地下室抗浮设计中，结合具体情况寻求相应的设计思路，采用精度较高的有限元计算模型进行抗浮计算与分析。

1 工程概况

某工程位于贵州省贵阳市，融合妇幼保健院、医技共享中心、微创手术中心、医美中心为一体的医疗建筑群。建设用地面积约40000 m2，总建筑面积约110000 m2，地下面积约35000 m2。地下2层，地上有5栋建筑单体组成，最高的单体为11层，最低单体为5层，项目鸟瞰图如图1所示。本工程设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为6度(0.05 g)，设计地震分组为第一组，场地类别为II类，特征周期为0.35 g，抗震设防类别为重点设防。

根据地质勘察报告，本案例位于溶蚀残丘-洼地地貌区，原自然地面西高东低，场地位于坡度较缓的山脚处。场地土为稳定基岩，场地类别为Ⅱ类场地，建议以中风化灰岩为地基持力层，其地基承载力特征值为3500 kPa，侧阻力标准值800 kPa。根据场地抽水试验结果，场地稳定地下水位高于地下室底板5.8 m。勘察过程中共计钻勘645个地基柱位勘察钻孔，有147个钻孔遇溶洞，遇洞隙率22.7%。场地溶洞、裂隙比较普遍，岩面倾斜较大，且岩溶串珠发育较为明显，为典型的岩溶强发育地段。

本案例上部结构均为框架结构，结构形式比较常规，设计难点主要是在场地岩溶强发育且抗浮水位较高，上部荷载差别较大且地下室面积较大等诸多不利条件下考虑抗浮设计。

2 解决思路

抗浮设计的解决思路基本都是围绕整体抗浮和局部抗浮两个思路来开展工作，由于本项目上部结构荷载差异较大，只有场地北侧高层区域满足整体抗浮，其余区域均不满足《建筑工程抗浮技术标准》G/Nw，k≥Kw整体抗浮的要求，若不采取相应的措施抵抗浮力，则结构会丧失稳定，通俗的说是在水中“浮起来”。所以在不满足整体抗浮的区域，结合场地情况分别考虑了抗拔桩和抗浮锚杆。

解决整体抗浮后，可视结构内全体竖向构件均满足抗拔承载力，结构内每根柱子均可被相应从属面积内的重量“压得住”，或通过可靠的抗拔措施保证“拔不出”。那么结构底板可简化变形模式计算，结构内每根柱都可作为底板的一个支点，柱从属面积内的重量不足以把该柱“压得住”，于是该柱从属区域的底板会存在向上的变形，因此需要结合浮力的受荷面积，充分考虑底板的局部抗浮问题。为此可通过计算利用底板配筋和底板截面厚度来提供抗力。

3 本案例中抗浮设计若干要点

3.1 因地制宜在同一工程中采用不同的抗浮锚固结构

抗浮治理方案的选择及优化需要综合考虑工程特点、地质条件、场地条件和环境等因素，同时要满足被锚固体变形、安全可靠、经济合理的要求，以保证选择最优的抗浮方案。结合本项目场地内中风化灰岩持力层西浅东深，加之上部建筑高差较大，基底反力悬殊较大，以至于大部分区域不满足整体抗浮。因此结合场地持力层的深浅及是否满足整体抗浮等因素，因地制宜综合考量，地下室西侧采用防水板(板厚500 mm)+抗浮锚杆，地下室东侧采用防水板(板厚650 mm)+抗拔桩，同时结合整体抗浮的计算，在上部自重不能满足整体抗浮的区域采用抗拔桩或柱下独立基础+抗浮锚杆，具体抗浮布置详见图1。

图1 地下室底板抗浮布置情况Fig.1 Anti-floating layout of the basement floor

本案例的抗浮结构布置采用集中式布置和分布式布置两种，分布式布置即将抗浮锚杆均匀布置，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，达到整体抗浮稳定的要求，并使底板受力更小和更为均匀，变形及裂缝控制更为理想，底板厚度相对较小。集中式布置，主要来自抗浮桩的理念，即将抗浮桩集中布置在柱下，其优点是可利用柱下基础较高承载力进行荷载传递，基础锚固可靠，受力路径简单，不过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。本案例按上部结构-基础-地基-抗浮锚杆共同作用理念进行设计，因地制宜在同一工程中采用不同的抗浮锚固结构，考虑场地持力层深度、荷载平衡、刚度调平，做到抗浮设计最为经济和有效。

3.2 抗浮锚杆布置及锚固长度的考虑

在抗浮锚杆的布置方面，首先是结合场地中风化完整岩石的条件，在场地东侧完整岩石基本超过地下室底板，充分利用上部结构传递的竖向荷载抵消自平衡区域内的水浮力，再相对均匀布置锚杆。一方面可有效发挥锚杆的抗拔作用，另一方面可减小底板的计算跨度，由此底板承受的弯矩和剪力也随之大大减小。

在锚杆计算主要包括以下两个方面，一是锚杆与防水板之间共同受力的计算，二是锚杆自身锚杆承载力及锚固长度的计算。

(1)锚杆与防水板之间共同受力的计算

其计算思路主要包括两种：一种是倒楼盖计算模型，该计算模型主要将上部竖向构件框架柱为不动支座，其竖向位移为零，基础之间没有沉降差异，并将锚杆假定为弹簧支座；底板只承担自重、板顶荷载和水浮力，最后按双向板分析方法计算锚杆受力和底板配筋。另一种是有限元计算模型，该计算模型将上部结构刚度与荷载凝聚到与下部基础相连的节点上，将水浮力和锚杆分别模拟为外荷载和弹簧支座。最后通过底板与锚杆之间的刚度分配及有限元计算得出锚杆受力和底板配筋。本案例釆用有限元分析模型进行抗浮计算，能够综合考虑上部结构、底板和锚杆之间协同工作，并能够准确模拟水浮力和上部荷载的相互关系，支座关系也更加真实。同时分析模型中抗浮锚杆的布置，基本是在竖向荷载抵消自平衡区域外，按2 m×2 m的间距计算分析，其最终的结果可直接指导施工图的绘制。

(2)锚杆自身锚杆承载力及锚固长度的计算

从现场施工的可实施性及成孔的经济性，抗浮锚杆的直径取180 mm；为充分利用锚杆纵筋抗拉强度并依据保护层厚度要求，锚杆内置纵筋2C32(As=1607 mm)，底板厚度h0取500 mm，其混凝土强度等级为C35，抗浮水头WQ为5.8 m，由此进行锚杆各参数计算。

结合《建筑地基基础设计规范》[1]第8.6.3条，虽然Rt应通过现场试验确定，设计阶段先初步确定单根锚杆抗拔承载力特征值，由此可知：Rt≤0.8πd1lf=0.8*3.14*0.18*2*400=361 kN。同时根据《建筑结构荷载规范》[4]第3.2.4条要求，验算普通锚杆承载力特征值，由此可知：R=fyAs/l.35=360×1607/1.35=428 kN。取两式中较小值，最终单根锚杆抗拔承载力特征值为361 kN，均大于有限元模型中每一根锚杆的计算结果。

结合《建筑地基基础设计规范》第6.8.6条，由于岩石锚杆锚固段的抗拔承载力，应按照本规范附录M的试验方法经现场原位试验确定。设计阶段暂按永久性锚杆进行设计，待现场原位检测的结果明确后在再进行修正，由此hr=Rt/ξfur=361/0.8*400*3.14*0.18=2 m，最终本工程的抗浮锚杆节点大样如图2所示。

图2 抗浮锚杆节点大样Fig.2 Large sample of anti-floating bolt joint

3.3 受力岛集中现象

值得注意的是地下室底板按防水板考虑后，在水浮力的作用下类似一个“倒楼盖”的模型，与无梁楼板的受力模式比较相似，即板式楼盖的受力呈现岛状特性：内力向柱端集中，柱端负弯矩较大，且负弯矩不局限于柱间板带，呈丰满的环状分布，同时跨中正弯矩相对较小。无梁楼板在柱端刚度相对较大，使得岛状特性更加明显[6]。

本工程中有限元分析模型中，网格划分尺寸为500 mm，从分析结果可以明显看出，地下室底板在框架柱区域，板底负弯矩较大。从柱中心点的网格依次往外扩散到四周第三个网格节点的弯矩值，在数值的大小上基本是2倍、3倍、5倍的关系，分析结果详见图3。即便是柱下有桩基础，但桩基础的最大截面为2 m，基本只能涵盖到第二个网格节点。由于受力岛现象产生的弯矩，仍远远大于底板的双层双向配筋的承载力，为此本项目还在桩基础或平面相对较小的柱下独立基础的位置，在板底4 m×4 m的区域增设钢筋网片，通过这一系列的加强措施有效地解决局部区域受力岛的问题。

图3 底板受力分析结果Fig.3 Stress analysis results of the bottom plate

4 结语

(1)抗浮设计应因地制宜，结合场地持力层深度、抗浮设防水位、荷载平衡、刚度调平等因素综合考虑，在同一工程中采用不同的抗浮锚固结构，做到抗浮设计最为经济和有效。

(2)抗浮锚杆锚固段注浆体与地层(岩土体)间的极限粘结强度标准值，在无试验资料时，可参照《勘察报告》中提供的数据或建筑工程抗浮技术标准》的参考值。最终单根锚杆抗拔承载力的特征值，必须通过现场原位抗拔试验的结果进行复核和调整。

(3)充分认识防水板与框架柱“倒楼盖”的岛状受力特性，有针对性地在一些关键受力部位进行加强，有效减少混凝土用量、钢筋用量，能改善结构受力性能。

(4)抗浮工程设计和施工必须具有一定的前提支撑性依据，做到有的放矢。尤其是地下水浮力问题，影响因素众多、变化万千，因此必须在具备一定依据资料的基础上才能进行后续的设计和施工。