某大型地下车库抗浮设计及计算分析

文／鲍永健、贾大焕 中国核电工程有限公司郑州分公司 河南郑州 450000

引言：

伴随城市现代化建设和汽车业的飞速发展，城市地下空间的开发利用日益受到政府及地产主的重视，地下室的层数和深度也日趋增长；对于地下工程，特别是在高水位地区，地下车库的抗浮问题在结构设计中不可避免。地下工程的抗浮设计是否合理，直接关系到工程的安全可靠和工程造价，应引起设计人员的高度重视。本文着重对地下车库抗浮设计中最为关键的基础抗浮设计加以论述，并结合工程实践，提出合适的抗浮设计方案，可为相关工程设计提供参考。

1.抗浮设计的原理

地下室底板、地下室外墙和地库顶板形成一个密闭的空心整体，其所受的水浮力相当于其排开抗浮水位以下水的重量。抗浮设计首先必须保证地下结构整体不上浮，以免导致上部构件破坏；整体抗浮满足后，还需保证底板、侧墙等局部构件能承担水浮力荷载而不破坏；因此，地下车库的抗浮设计包含整体抗浮和局部抗浮两部分。

1.1 抗浮水位的确定

地下工程的抗浮设计水位是水浮力计算的前提条件。依照现行国家规范[1]要求，工程需要时，岩土工程勘察报告需提供用于计算水浮力的设防水位。勘察资料未提供时，应取建筑物设计基准期内可能产生的最高水位。鉴于抗浮设防水位的重要性及复杂性，对情况特殊的重要工程，需论证使用期间水位变化，对抗浮设防水位提出应进行专门研究分析。

抗浮设防水位与地下车库相对关系如下图1图2所示：

图1 抗浮设防水位与地库相对关系A

图2 抗浮设防水位与地库相对关系B

图3 地库剖面

水浮力作用值为：

1.2 整体抗浮

工程基础抗浮稳定性验算如下所示[1]：

1.3 局部抗浮

局部抗浮容易在工程中被忽视，主要针对抗水板的抗浮分析，以及特殊部位（基础底板、车道、开洞区域等）局部自重小于水浮力，需对进行局部抗浮验算和稳定设计。

2.抗浮措施及应用

当基础抗浮验算无法满足上式（1.2.1）时，需采用必要的抗浮措施，保证基础安全。应用于地下车库的抗浮措施较多，有配重法、抗拔桩、抗浮锚杆、降排截水、摩擦抗浮等。当地下车库水头压力不大，地库本身覆土重、自重接近时优先采取配重法抗浮；地库框柱轴力大且水头压力不大时，可采取抗拔桩；地库水头压力大，框柱轴力及覆土自重一般时，抗浮锚杆更经济适应。

2.1 配重法

配重法是最简便、直接且通用的抗浮措施，不受地质条件、施工环境影响，施工简单且造价低，常作为抗浮措施首选；通常在车库顶板或底板增设覆土或回填层，利用回填物增加工程自重，或将地库底板延伸，利用外伸部分的覆土增加配重。当地下车库自身重度与浮力相差不多时，优先选用配重法；当地下车库自身重度与浮力相差较大时，配重法会增加工程量提高土建造价，弊大于利。

2.2 抗拔桩

抗拔桩利用桩体自重和桩侧摩阻力来提供抗拔力，桩型种类多：灌注桩、预应力管桩、人工挖孔桩等；抗拔桩不仅具有抗拔承载力，更具有较高的抗压承载力；抗拔桩主要集中布置与墙、柱荷载下，同时作为抗压桩，能够同时解决上部结构抗压承载力问题，但由于抗拔桩间距较大，需要较厚的底板来解决底板的抗浮问题，且抗拔桩受环境条件、施工影响较大，造价较高。

2.3 抗浮锚杆

抗浮锚杆利用锚杆与砂浆组成的锚固体与土层的结合力作为抗浮力，与抗拔桩的受力有相似之处，但有其自身特点。抗浮锚杆在抗浮实践中又分为普通锚杆和高压喷射扩大头锚杆，其中高压喷射扩大头锚杆作为一种新型的锚固结构，相对于普通锚杆抗拔力大、位移小，其造价相对低廉、受力合理、施工方便，符合我国节能降耗的产业政策方向，近年来被广泛推广应用。

3.某大型地下车库抗浮锚杆设计实例

3.1 工程概况

某大型地下车库位于开封市，与汴西湖相邻；其地上4F 商业，地下2F 地下车库，剖面如下图16 所示；场地地下水属第四系松散岩类孔隙潜水，地下水的补给主要为场区东侧汴西湖湖水侧渗、大气降水及生活用水下渗，水位随季节有一定波动，年变化幅度1.0m-3.0m。地勘报告提供抗浮设防水位绝对标高为74.29m（相对标高为-1.91m），基础顶标高为-9.300，施工期间需持续降水。

3.2 整体抗浮验算及抗浮措施

3.3 抗浮锚杆计算

本工程采用承压型囊式扩体锚杆作为永久抗浮构件，有效长度为14.0m，其中普通锚固段长度8.0m(直径180mm),扩大头长度6.0m(直径850mm);旋喷扩体锚固段置入第8 层粉砂层。依据规范[2]抗浮锚杆抗拔特征值计算如下：

依据公式计算，得：

同时对锚杆杆体强度进行验算，采用1 根Φ36 的PSB1080 级精轧螺纹钢能够满足材料强度要求。根据《囊式扩体抗浮锚杆检测报告（基本试验）》的结果，最终设计锚杆抗拔力特征值取580kN，工程锚杆抗拔力验收值870kN（永久性锚杆≥1.5 倍特征值）。扩体抗浮锚杆剖面见图4。

图4 扩体抗浮锚杆剖面图

3.4 锚杆的合理布置及基础设计

相对于柱下集中布置灌注桩的抗浮方式，抗浮锚杆的布置更为灵活。在地下车库范围满堂均匀布置锚杆为常见的布置方式，对于本工程，采用扩大头锚杆，单根锚杆承载力较高，为高效利用抗浮锚杆的承载力，考虑柱、墙等竖向构件传递上部结构荷载到基础底板，在其影响范围内可抵消部分水浮力，因此该范围可少布置或不布置锚杆；而在柱跨中间板块区域，上部结构荷载影响较小，所受水浮力的合力最大，在此处宜进行集中布置，这样的布置方式可充分发挥锚杆的作用，同时使得板块中部区域更加安全可靠。

本工程基础采用筏板下柱墩形式，上部结构荷载通过竖向构件传递给基础，通过基础自身刚度调节分配基底压力，根据上部结构荷载影响区域内基底压力的大小确定布置方式。具体锚杆布置原则为：恒载作用下，当上部结构荷载影响区域内的基底压力大于水浮力时，该区域内可不布置锚杆，而仅在荷载影响区域外的纯底板抵抗区域均匀布置；当上部结构荷载影响区域内的基底压力小于水浮力时，影响区域内布置锚杆a，在纯底板抵抗区域内布置锚杆b。

本工程地库筏板厚度采用650mm，标准柱网8.4X 8.4m，筏板厚跨比小于1/6；恒载作用下，筏板基底压力在柱下分布区域成岛状，纯底板区域基底压力较小。锚杆布置方式及锚杆拉力如图5 所示，锚杆布置间距2.8mX2.8m，根据基底压力情况布置锚杆，可见，合理布置锚杆时，既充分利用了建筑物自重抗浮，又保证了底板中部抗浮的安全性，锚杆拉力较为均匀。

图5 筏板基础下锚杆布置图及锚杆拉力图

合理布置抗浮锚杆时，筏板中部水浮力依靠锚杆解决，底板厚度满足锚杆在筏板内的锁定、底板锚固端抗冲切验算情况下即可，不受水浮力控制，根据计算结果按0.15%配筋率即可满足受力需求。

结语：

本文从抗浮设计理论着手，结合工程实例，得出以下结论：

（1）配重法是最简便、直接且通用的抗浮措施，当地下车库自身重度与浮力相差不多时，优先选用配重法。

（2）抗压桩兼抗拔桩集中布置，受力概念明确；但地下室底板的厚度、配筋较大，底板局部抗浮未有效利用抗拔桩，经济效益差。

（3）抗浮锚杆根据柱、墙、梁等荷载影响区域和纯底板抵抗区域不同模式下，合理优化布置锚杆，既能充分利用建筑自重抗浮，又能解决底板局部抗浮的问题。