高层建筑附建式地下室的抗浮设计浅析

文／程为、苏杭 长沙金科房地产开发有限公司 湖南长沙 410000

引言：

水浮力的产生遵循物理学中的阿基米德原理：浸入液体里面的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它排开的液体的重力，向上的水浮力F浮=ρ液gV排，V排=S＊h深。我们从浮力的计算公式可以看出，地下室埋藏越深所受到的浮力也就越大，当水浮力大于地下室自重（含压重）时，地下室就会被浮起来。按照地下室抗浮破坏的形式分为整体抗浮和局部抗浮，通常高层建筑的自重较大，自重会大于水浮力，一般不会出现整体抗浮不满足的情况，只需要加强地下室底板的刚度（板厚、配筋）满足局部抗浮即可。而纯地下室部分的自重相对较小，当地下室层数较多、埋藏较深时就容易出现整体抗浮不满足的情况，因此纯地下室不仅要验算整体抗浮稳定性还要计算局部抗浮。这里需要提到的是大底盘地下室结构，高层建筑相对于地下室的布置是不规则的，由于高层建筑的自重很大，而纯地下室自重相对较小，在水浮力的作用下高层建筑与纯地下室相关范围内的构件内力计算很复杂，建议是高层建筑主楼范围与纯地下室区域切分开单独进行抗浮验算。对于项目结构设计来说，做好地下室抗浮设计工作，保障地下室结构的安全是最基本的要求。论文将以长沙某项目为例，简单介绍地下室抗浮设计思路，希望能为高层建筑附建地下室的设计施工提供借鉴。

1.项目概况

项目总用地面积约10 万m2，总建筑面积约22.67万 m2，单层地下室面积约4.87 万m2，主要业态有高层住宅、商业、幼儿园等。项目场地位于长沙县，交通方便，地理位置优越，其原始地貌单元属于丘陵，整个场地西高东低，南高北低，最大高差约11m，总图的竖向设计思路是采用地下室分台来消化场地高差，地下室顶板覆土厚度约1.35 ～1.78m。

项目岩土工程详细勘察报告显示，场地内埋藏的地层主要由人工填土（Q4ml）、第四系冲洪积（Q4al+pl）粉质粘土、白垩纪（K）强风化泥质粉砂岩、白垩纪（K）中风化泥质粉砂岩组成，场地水对钢筋混凝土结构具有微腐蚀性，地基基础设计等级为乙级，建筑抗浮工程设计等级为乙级。勘察期间，测得上层滞水稳定埋深介于4.50m ～9.00m，相当于高程 58.15m ～60.83m，其水量极小，综合考虑场地周围道路标高58.11m ～69.50m，抗浮设计水位标高根据地下室分台标高做了精细化区分，其中，I 区抗浮水位标高57.6m（计算出抗浮水头约为4.2m）；II 区抗浮水位标高60.6m（抗浮水头约为4.5m）；III 区抗浮水位标高63.35m（抗浮水头约为5.6m）；IV区抗浮水位标高67.05m（抗浮水头约为5.6m）；V 区抗浮水位标高68.80m（抗浮水头约为4.7m）；VI 抗浮水位标高64.05m（抗浮水头约为5.6m），施工期与使用期的抗浮水位采取同样的值。

根据建筑地下室底板标高结合地质剖面图分析，地下室底板绝大部分处于强风化泥质粉砂岩中，考虑到建筑基础的经济性，高层建筑的基础形式采用筏板或独立基础，纯地下室基础形式为筏板（350mm）+下柱墩。同时考虑地下室的停车效率、经济性结合楼盘偏刚需的定位属性，地下室采用中柱网，顶板采用单向次梁方案，项目上部结构的嵌固端为基础顶，地下室顶板厚度最薄处设计为160mm。项目单层地下室，基坑平均深度约5m，基坑支护采用自然放坡+坡面挂网喷浆的形式。

2.抗浮稳定性验算

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）第5.4.3 条[1]规定建筑物基础存在浮力作用时应进行抗浮稳定性验算，基础稳定性验算公式为Gk/Nw,k≥kW，式中kW一般情况下可取1.05。当抗浮稳定性验算不满足设计要求时，可采用增加压重或者设置抗浮构件等措施抗浮，当整体稳定性满足而局部稳定性不满足时，也可以采用增加结构刚度的措施抗浮。

结合项目具体情况，高层住宅塔楼自重较大且剪力墙布置间距较密，抗浮稳定性满足要求。纯地下室部分取最不利区域进行初步估算，常用材料和构件的自重参照《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）附录A取值[2]，顶板覆土自重1.35x18=24.3 KN/m2，顶、底板结构自重（含底板50mm 厚细石混凝土刚性面层）（0.16+0.35+0.05）x25=14 KN/m2，结构柱、梁自重折算（0.45x0.55x3.6+0.4x0.64x7.7+0.3x0.54x5.5+0.3 x0.54x7.7）x25/7.7/5.5=2.9 KN/m2，得出自重及压重之和约为41.2 KN/m2。按照上文描述的抗浮水位标高计算出抗浮水头，又根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）第5.4.3 条计算出抗浮稳定性系数Kw均小于1.05，得出结论为纯地下室抗浮稳定性不满足设计要求。

3.地下室抗浮设计措施

做好地下室抗浮设计工作，选对合适的抗浮设计方法是关键。常用的抗浮设计方法有自重平衡法、抗力平衡法、浮力消除法等，设计过程中可灵活采用一种或者多种结合使用。

自重平衡法是工程中常用的一种抗浮设计方法，它是通过结构自重和施加的压重进行抗浮。首先，增加自重的方式比如增加地下室顶板或底板的厚度，这种方式有利有弊，需要根据楼板的板厚及配筋综合确定。若楼板在现有板厚条件下本身就是构造配筋，那么增加板厚会同时增加混凝土和钢筋的含量，经济上不划算。若楼板在现有板厚条件下是计算配筋而且配筋很大，那么采用增加板厚的方式可以减少配筋，是比较合适的。其次，增加压重的方式比如增加顶板上的种植土厚度、增加底板刚性面层厚度和结构底板外挑等。增加种植土厚度有利于小区园林堆坡造型，增加底板建筑刚性面层厚度有利于在刚性层中设置排水沟，结构底板外挑部分以上的覆土能提供较大的压重。自重平衡法计算简单施工方便但也有它的局限性，当水浮力超过结构自重较多时，单独采用自重平衡法不够经济，建议是在抗浮稳定性系数Kw相差不大的条件下使用或者结合抗力平衡法一起使用。

抗力平衡法是工程中常用的一种抗浮设计方法，它是通过抗浮桩、抗浮锚杆等抗浮构件进行抗浮。简单说就是利用抗浮桩、抗浮锚杆这类构件给地下室提供一个向下的拉力，防止地下室被浮起来。抗浮桩的类型有现浇混凝土灌注桩、预制桩等，现浇混凝土灌注桩常采用桩端扩底或者后注浆方式提高抗拔力，预制桩常选用预应力混凝土方桩或管桩。在实际工程中，通常是根据场地的适合桩型进行选用的，而且利用工程抗压桩兼做抗浮桩使用可以节约成本，工程抗压桩兼做抗浮桩在设计时应按抗压和抗浮两种工况进行包络设计。主楼与地下室之间为避免渗漏，通常不会设置结构缝脱开，基础与主体结构连成一体，此时若主楼采用天然基础时，为避免主楼与纯地库的沉降差过大，不建议纯地下室直接采用抗浮桩抗浮。抗浮锚杆按照是否施加预应力分为预应力抗浮锚杆和非预应力抗浮锚杆，预应力抗浮锚杆的工艺流程是先成孔，然后放置锚杆杆体，再注浆施工锚杆浆体，等浆体达到设计要求的强度后再进行锚杆的张拉施加预应力，由于提前施加了预应力，故预应力抗浮锚杆对裂缝的控制效果好且抗拔承载力高，但是其施工工艺相对复杂一些，导致施工工期延长，造价也相对较高。非预应力抗浮锚杆的工艺流程是先成孔，然后放置钢筋杆体，再进行注浆施工锚杆浆体，浆体达到设计强度后即锚杆施工完成，非预应力锚杆有施工简单、技术成熟，造价低等优点，但由于其对裂缝控制效果不佳，使用时有一定的局限性。锚杆裂缝控制的要求《建筑工程抗浮技术标准》（JGJ 476—2019）第7.5.8 条有明确规定，抗浮设计等级为甲级的工程，按不出现裂缝进行设计，在荷载效应标准组合下锚固浆体中不应产生拉应力；抗浮设计等级为乙级的工程，按裂缝控制进行设计，在荷载效应标准组合下锚固浆体中拉应力不应大于锚固浆体轴心受拉强度；抗浮设计等级为丙级的工程，按允许出现裂缝进行设计，在荷载效应标准组合下锚固浆体中最大裂缝宽度应满足裂缝宽度限值要求[3]。

浮力消除法包括排水限压、隔水控压、泄水降压等方式，通过设置排水沟、盲沟、滤水层、导水层、集水井等疏、排水措施，将地表水排走减少下渗或者地下水汇集后再通过相应设备将水抽排出去，减少或消除水浮力从而保障建筑物抗浮安全的目的。浮力消除法对场地水文地质有一定的要求，需要形成完善的疏水排水系统，施工和使用期间需要对地下水水位和水压力进行监测，使用期间需要安排专人对设备和管道进行维护。浮力消除法对前期设计、施工和后期运营维护的要求都比较高，但浮力消除法利用得当能为工程项目节省大量的抗浮成本，故是否采用抗力消除法需要根据场地条件结合当地经验综合确定。

综上所述，结合本项目的实际情况纯地下室自重（含压重）与水浮力差值较大，全部采用增加自重和压重的方式进行抗浮不够经济，又地下水位较高建筑长期处于地下水位以下，考虑施工的难度及地方经验、物业后期运营维护的难度和成本等原因未考虑浮力消除法，由于主楼和地下室均采用的是筏板或独立基础，根据地勘报告剖面图，地下室底板标高绝大部分处于强风化泥质粉砂岩中，纯地下室采用预制桩抗浮（长沙常用静压式或锤击式高强预应力管桩）不适用于此地质条件，采用大直径混凝土灌注桩兼做抗浮桩理论上可行，但主楼和地下室的不均匀沉降差容易造成地下室出现裂缝且混凝土灌注桩成本略高，故本项目综合考虑采用自重平衡法结合预应力抗浮锚杆的方案。

4.抗浮锚杆的布置和计算

锚杆的平面布置可分为点状布置、线状布置和面状布置，点状布置一般是将锚杆布置在结构柱下，此种方式的优点是传力直接，可以利用柱底轴力平衡掉一部分水浮力，同时地下室底板防水施工也比较方便，但由于锚杆集中布置不能给抗浮底板提供有力支撑，抗浮底板的板厚及配筋较大。线状布置一般是将锚杆布置在基础地梁下，此种方式有利于地下室底板防水施工，但由于锚杆布置在基础地梁下同样不能给抗浮底板提供有力支撑，抗浮底板的板厚及配筋较大。面状布置一般是将锚杆均匀平铺在抗浮底板下，这种方式对防水施工不友好，但能有效减小抗浮底板的配筋。本项目地下室锚杆的布置方式，根据地下室底板所受水浮力的大小做了区分，I 区～II 区锚杆按点状布置在结构柱下，III 区～VI 区锚杆按面状布置在筏板下。

抗浮锚杆承载力特征值的确定。抗浮桩或抗浮锚杆在大面积施工前需要进行试桩试验，以此判断实际施工的可行性，另外抗浮设计等级为甲级、水文地质条件比较复杂的乙级工程，应通过抗拔静载荷试验确定抗拔承载力特征值，试验数量同一地层不少于3 根；其他情况可根据地质条件相近场地的试验资料并结合地区经验综合分析确定抗拔承载力特征值。现选取本项目地下室V 区为例对锚杆的计算进行简单阐述，地下室V 区结构底板面标高为64.49m，底板厚度350mm，抗浮水位标高68.8m，抗浮锚杆按底板均匀布置间距为2.25m，计算得出锚杆拉力值为193KN，单根锚杆抗拔承载力特征值按195KN取整。

抗浮锚杆的长度计算。设计采用抗浮锚杆锚固体直径d=180mm，单根锚杆抗拔承载力特征值Nt=195kN，根据《建筑工程抗浮技术标准》（JGJ 476—2019）第7.5.4条，预应力锚杆进入强风化泥质粉砂岩的长度1a=K＊Nt/（0.8＊3.14＊d＊frbk）=2＊195000/(0.8＊3.14＊180＊0.15)=5750mm=5.75m，取整为6m。

抗浮锚杆筋体截面面积计算。锚杆筋体采用低松弛预应力1860 级钢绞线，根据《建筑工程抗浮技术标准》（JG J 476—2019）第7.5.6 条，锚杆筋体截面面积As=Kt＊Nt/fy=2＊195000/1320=296mm2，根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）附录A[4]，选用3Φ15.2。

地下室抗浮底板的计算。地下室底板的结构形式分为板式或梁板式，最近几年常规地下室底板采用板式结构的较为多见，其中一部分原因是板式结构不用在地基上开挖梁槽施工更加方便。抗浮底板的计算要按照是否承担上部结构荷载分开考虑，底板的厚度不小于350mm，当抗浮锚杆布置在底板上时，锚杆的抗力作为作用在底板上的荷载与底板承受的其他荷载组合进行冲切、抗剪和抗弯验算。

5.预应力锚杆的施工工艺及检测要求

预应力抗浮锚杆施工的大致流程为：钻孔－清孔－锚杆钢筋放置－注浆－张拉。抗浮锚杆常采用地质钻孔机或专用锚杆机成孔，钻孔宜采用干钻成孔工艺，避免因采用水钻而产生泥皮。钻孔后采用高压空气清孔，将孔中的泥浆冲洗干净，排出沉渣。紧接着注浆管与钢筋绑扎在一起放入钻孔，一次注浆管应能承受1MPa 的压力，二次高压注浆管应能承受1.2 倍最大注浆压力。注浆材料采用普通硅酸盐水泥，氯化物＜0.1%，水灰比0.45～0.50 的纯水泥浆。注浆压力0.5～0.8MPa，从孔底开始注至孔口反浆。二次注浆选用0.45～0.55 纯水泥浆，在第一次注浆压力形成的水泥结石体强度达到5.0MPa 后，用高压注浆泵进行注浆，压力2.5～4.5MPa。浆体混凝土强度等级达到设计强度后进行张拉，预应力锚杆的锁定拉力值为1.2 倍锚杆拉力设计值。

锚杆质量检测，抗浮锚杆验收试验的最大试验荷载，取抗浮锚杆抗拔承载力特征值的1.5 倍。检验数量为锚杆总数的5%，且不少于5 根。

6.地下室抗浮新技术探讨

本项目在设计过程中尝试了一种预应力抗浮锚杆的新技术（典型剖面，详见图1），是对传统后张法预应力抗浮锚杆的改进，其推广名为全长压力型后张预应力抗浮锚杆，其原理是通过增加一个预应力传递装置能做到在地下室底板混凝土浇筑前，提前进行预应力筋张拉，张拉完成后将整个锚具一起浇筑在底板中，此技术解决了传统预应力抗浮锚杆的一些痛点，比如，地下室底板上需要预留凹槽等待预应力筋张拉完成后才能封闭，预留的凹槽影响底板的完整性且新老混凝土交接处易形成渗漏的通道。其次，地下室底板施工完成后，才能进行预应力筋的张拉锁定、封闭，增加了地下室的施工工期。底板施工完成后，锚杆进行预应力张拉和检测时，一旦发现有不合格的锚杆，相对难以补救等等。

图1 典型剖面

全长压力型后张预应力抗浮锚杆的优势是，第一锚具埋置在地下室底板内，底板可以一次性浇筑成型，不存在渗漏隐患，又由于锚具埋在底板内，故不需要额外的防腐蚀措施，锚具没有突出底板不需要额外增加底板找平层的厚度。第二锚杆张拉期间可以同步进行底板钢筋绑扎，两道工序可穿插施工节约工期。第三预应力筋张拉和锚杆检测的工序在底板浇筑前进行，如发现有不合格的锚杆，方便重新施工和补救等。以上是全长压力型后张预应力抗浮锚杆的优势，同时经过一段时间的市场调研也发现其存在一些不足，比如，此技术已被申请专利产品，埋置在底板中的应力传递装置属于此技术的核心构件，目前该构件的生产厂家很少，无法进行市场比价，有垄断性质（一些公司有明文规定不能指定产品或使用垄断产品），构件价格相对较高。另外由于该构件的生产厂家很少，厂家在业务较多的情况下，有可能出现产能不足、供货不及时等问题。基于该技术的优劣势，经过本项目的多方案经济比选，建议是在水浮力较大的项目中考虑使用，并且在抗浮方案设计时尽可能提高单根预应力锚杆的抗拔承载力特征值，充分利用应力传递装置的受压极限，减少抗浮锚杆的数量，以此来减少应力传递装置的使用量，达到降低施工难度节省锚杆成本的目的[5]。

结语：

综上所述，高层建筑附建式地下室的抗浮设计首先应进行地下室的抗浮稳定性验算，然后根据稳定性验算结果针对性地采取抗浮措施。采用抗力平衡法时需要通过抗拔静载荷试验或当地经验确定抗拔承载力特征值，按照规范要求计算出抗浮桩或抗浮锚杆的直径和长度，通过受力分析及经济性比选确定抗浮桩或锚杆的布置方式。另外还可通过使用新技术、新工艺等，降低施工难度，节省抗浮成本。总之，对于不同的施工项目应根据实际情况和项目特色对抗浮方案进行合理选取和优化利用，以提高建筑工程项目的综合效益。