地下室抗浮设计探析

摘要：随着土地资源的日益减少，地下室的修建也十分普遍。而地下室抗浮设计则是一个普遍存在的技术问题，一旦设计不当将影响建筑的安全性。本文通过工程实例，介绍建筑地下室抗浮设计，并给出了设计方案及思路，可供地下室设计参考。

关键词：地下室；抗浮设计；抗浮验算；经济性分析

0 引言

随着城市建设用地相对紧张，建筑物朝着高、大、深、重的方向发展，为了满足需要，地下车库、地下室的开发和利用越来越多。地下室等地下建筑不得不面临的问题就是地下结构物的防水与抗浮问题，尤其是在我国沿海及长江中下游地区，地下水位普遍较高，由地下水浮力引起的地下室上浮、地下结构破坏等事故屡见不鲜。因此，地下室的抗浮是地下空间工程中一个不可忽视的重要课题。

1 工程概况

某工程地下室部分为2层，主要功能为地下车库和设备用房，地下室平面尺寸约为140m×89m，标准柱跨为7.8m×7.8m，建筑面积约18538m2。地下层1层高3.8m，地下层2层高3.7m。地下层1顶板的塔楼以外部分有厚约0.9m的覆土，基础形式为柱下独立基础加防水板。

2 场地工程地质及水文地质情况

2.1 工程地质条件

场地土层主要由第四系杂填土层、第四系全新统冲洪积层、白垩系上统灌口组泥岩组成，各地层的分布从上至下依次为人工填土、粉质黏土层、细砂、卵石（稍密卵石、中密卵石、密实卵石）泥岩（强风化泥岩、中等风化泥岩）。

2.2 水文地质条件

场地内地下水主要由以孔隙水形式赋存于人工填土中的上层滞水和以孔隙水形式赋存于砂卵石层中的潜水及赋存于泥岩中的基岩裂隙水组成，场地水文地质条件简单。

2.3 地下室抗浮评价

工程地下室埋深低于地下水位，设计时应进行地下室抗浮稳定验算，地质勘察报告建议地下水抗浮设防水位取494.50m（±0.00标高为498.70m），纯地下室如需采取抗浮措施，建议采用抗浮锚杆。同时应进行专项的岩土工程抗浮设计。

3 抗浮设计

3.1 抗浮验算

抗浮验算依据标准进行。基本设计资料如下：地下层1顶板板厚0.16m，梁柱折算成板厚约为0.11m；地下层2楼板板厚0.11m，梁柱折算成板厚约为0.08m；地下室底板板厚暂取0.35m；顶板覆土0.9m（由于覆土高度各处不一，抗浮设计时予以折减，按0.75m考虑）。算得W=33kN/m2

3.2 锚杆布置

结合结构整体和局部抗浮，锚杆布置方式主要有以下3种：

（1）方式一：集中点状布置（所有锚杆布置在柱下独立基础范围内），总承载力特征值为F=1100kN。假定柱下布置4根锚杆，则单根锚杆承载力特征值为Nak=1100/4=275kN。此布置方式优点是可以充分利用上部结构传来的竖向力平衡掉一部分水浮力，便于地下室底板下的外防水施工；缺点是所布置锚杆不能充分抵抗水浮力对底板产生的弯矩，地下室底板配筋较大。

（2）方式二：面状均匀布置（在地下室底板下均匀布置），所需单根承载力特征值为（锚杆间距2.6m）Nak=285kN。此布置方式优点是锚杆布置均匀，地下室底板配筋较小；缺点是不能充分利用上部结构传来的竖向力来平衡掉一部分水浮力，锚杆布置相对分散，不利于地下室底板下的外防水施工。

（3）方式三：签于以上两种方式均有各自的优缺点，如果有一种布置方式既能利用上部结构传来的竖向力，又能利用锚杆的布置减少防水底板的弯矩，即为一种较为经济合理的方式。可根据锚杆布置在跨中更能有效提供抵抗弯矩的原则，这种布置方式的优点在于锚杆和柱能共同抵抗浮力作用，在锚杆能保证稳定的情况下Nak≥275kN，即能满足抗浮要求。以柱为支座，以锚杆作为抵抗力的简化受力，在水浮力作用下基础底板会产生一个向上的变形，如果在锚杆布置处变形较大，则此抗浮锚杆失去作用，若变形很小，则能发挥抗浮作用，所以可根据锚杆处底板的变形来考察锚杆是否稳定。可以根据受力模型建立一个双向5跨连续的无梁楼盖，计算得此防水底板变形图，见图1。

图1 防水底板变形图/mm

根据图1并结合锚杆验收试验中可以看出：中间跨锚杆处最大变形为2mm，锚杆实际受力为268kN，略小于所输入荷载275kN，说明锚杆能保证稳定。端跨锚杆处变形为3.529mm时，锚杆实际受力为376kN，稍大于锚杆承载力设计值1.3Nak=357.5kN。此时，如果以锚杆实际受力376kN作为设计值，得出锚杆承载力特征值376/1.3=289kN。依此值进行设计应该是安全的。通过以上分析可知，按照布置方式三设计是安全的。

4 经济性分析

采用SAFE8.0.1软件根据受力模型进行计算。

4.1 按照锚杆布置方式一计算

根据图2，取防水板厚450mm，独立基础厚950mm，配筋可取14@150双层双向，不足的地方采用附加配筋。

图2 方式一板带弯矩图（标准值）/kN・m

4.2 按照锚杆布置方式二计算

由以上分析可知板内力很小，为方便锚杆锚固，可取防水板厚400mm，独立基础厚由柱底内力计算取为700mm，弯矩见图3。

图3 方式二板带弯矩图（标准值）/kN・m

4.3 按照锚杆布置方式三计算

取防水板厚400mm，独立基础厚950mm，弯矩如图4所示，配筋可取14@150双层双向，不足的地方采用附加配筋。

图4 方式三板带弯矩图（标准值）/kN・m

由以上结果并结合混凝土、钢筋、锚杆的造价可得3种布置方式的经济指标比较。可得出，布置方式三综合造价最低，采用此布置方式最经济。

5 锚杆设计

5.1 锚杆锚固体与地层锚固长度计算根据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330―2002）（简称边坡规范）第7.2.3条：

式中：Nak为锚杆承载力特征值；ζ1为锚固体与地层粘结工作条件系数，永久锚杆取1.0；D为锚固体直径；frb为地层与锚固体粘结强度特征值，根据地勘报告确定（地勘报告结果：稍密卵石取60～80，中密卵石取80～100，密实卵石取110～130）；Lai为各土层锚固段长度。计算中得出锚固体与地层总锚固段长度La=7.2m，满足Nak=290kN要求。

5.2 锚杆钢筋截面面积计算根据边坡规范第7.2.2条：

式中：AS为锚杆钢筋截面面积；γ0为工程重要性系数，取1.0；ζ2为锚筋抗拉工作条件系数，永久性锚杆取0.69；Na为锚杆轴向拉力设计值，Na=γQNak，γQ=1.30；fy为锚筋抗拉强度设计值。需特别注意《混凝土结构设计规范》（GB50010―2010）规定：在钢筋混凝土结构中，轴心受拉和小偏心受拉构件的钢筋抗拉强度设计值大于300N/mm2时，仍应按300N/mm2取用。

5.3 锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度计算根据边坡规范第7.2.4条：

式中：la为锚杆钢筋与砂浆间的锚固长度；ξ3为钢筋与砂浆粘结强度工作系数，本工程为永久性锚杆取0.60；n，d分别为钢筋根数和钢筋直径；fb为钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值，本工程采用M30纯水泥浆。

5.4 节点详图

抗浮锚杆做法如图5所示，为防止锚头锈蚀，在抗浮锚杆与底板交接处涂环氧树脂，来保证抗浮锚杆的耐久性。

图5 节点详图

6 结语

总而言之，地下室的抗浮是地下室工程设计过程非常重要的一部分，设计人员应针对工程的实际情况，全面思考、精心设计，以确保地下室工程的结构安全。本文详细地介绍了地下室通过布置锚杆来抗浮的设计方法，通过比较不同锚杆布置方式的综合造价，提出一种较为合理、经济的布置方式，并充分论述了其可行性，对今后地下室抗浮设计提供了参考。

参考文献：

[1]孙昶.地下室基础设计中抗浮锚杆的计算方法[J].城市建筑，2013年16期

[2]郑伟国.地下结构抗浮设计的思路和建议[J].建筑结构，2013年05期