地下室抗浮设计概述

地下室抗浮设计概述摘要：本文简要论述了地下室结构的抗浮设计要点，分别讨论了不同结构形式、不同基础形式的抗浮计算特点，供设计参考。关键词：地下室；抗浮设计对地下室的设计，需要考虑的荷载工况主要有两种，一种是向下的荷载，结构自重、地下室顶板覆土、地面活荷载、地下室地面使用荷载等；另一种是向上的荷载工况，如地基反力、水浮力等。1.整体抗浮满足要求的情况在地下水位不高的情况下，结构自重和其上的永久荷载(如地下室顶板覆土、建筑面层等)足以抵抗地下水的浮力，这时，地下室整体抗浮满足设计要求，需要考虑的问题是可能存在局部构件抗浮设计问题。这时结合持力层情况，基础设计通常有以下几种：独立基础加防水板或者筏板基础。筏板基础整体刚度大，水浮力效应类似地基反力。而独立基础加防水板的基础形式，其整体性通常不足，防水板承受地下水浮力，并把水浮力传给独立基础，因而存在局部构件抗浮设计问题。独立基础加防水板的基础形式受力特点是由柱下独立基础承担基础上竖向结构传来的荷载并将其传递给地基土，由防水板承担地下水对结构的向上的浮力，并将其传递给独立基础。独立基础需要考虑这部分荷载产生的内力。这种基础形式又可以根据防水板和独立基础标高的关系分为两种，如图1、2所示：第一种情况(图1)，防水板和基础顶面标高相同，独立基础的样子像个元宝，很多情况下被称为“元宝形”基础。第二种情况(图2)，防水板和基础底面标高相同，防水板上需要回填垫层或者回填土达到建筑使用标高，这种结构布置类似平板式筏形基础加柱墩，或者是倒置的带柱帽无梁楼盖结构体系。图1所示的基础形式，其优点在于土方开挖量小，不需要回填垫层这道工序。通常在防水板下设置一定厚度的聚苯板，使得防水板不参与上部荷载的向下传递，而仅起到抵抗水浮力并将水浮力荷载传给独立基础的作用。但是如果地下室有排水沟或者设备坑、电梯基坑时，防水板降板的设计、施工都会比较繁琐。而且防水板的钢筋须锚入独立基础，钢筋构造较为不便。图2所示的基础形式，其优点在于防水板的板底钢筋可以在独立基础范围内拉通并起到基础受力钢筋的作用。而且，防水板上的垫层或者回填土能抵消部分或者全部水浮力，还能很方便地施工排水沟和小集水坑。不论哪种基础形式，是否在防水板下设置聚苯板要看工程的具体情况，如果地基土较软，基础的沉降比较明显，那么设置聚苯板会避免防水板承受地基反力，构件传力更加明确，从而简化设计。如果地基承载力较高、压缩模量较小，基础的沉降很小，可以忽略，那么可以不设置聚苯板；此时，防水板承受的地基反力同样也可以忽略；反过来说，如果这种情况下，采用图2所示基础形式，同时在防水板下设置了聚苯板，那么会出现这样一种工况，那就是在地下水位变动的时候，防水板有可能会承担其上覆土荷载及地面使用荷载，并将其传给独立基础。防水板计算模型的确定，文[1]给出了两种方法：按照复杂楼板计算、按照无梁楼盖双向板计算。防水板上的集水坑做法类似于筏板上的局部降板做法。如果地基不均匀或者局部地下室下沉，使得独立基础标高相差很大，那么这种情况下，防水板的构造做法通常是在回填土上做垂直墙，如图3所示。另外，在北方某些地区，地下水位很低的情况下，也可以不设置防水板，而仅设置建筑防水板地面，建筑地面和结构完全脱开。独立基础的受力更加合理，传力路径最短，因此独立基础加防水板的经济性更好，是首选的基础形式。2.整体抗浮不满足要求的情况在地下水位较高的情况下，结构自重和其上的永久荷载不足以抵抗地下水的浮力，这时，地下室整体抗浮不满足设计要求，通常需要设置抗拔桩、抗拔锚杆或者增加配重满足整体抗浮要求。这种情况下，还应该考虑地下水位的变动因素。1)如果通过配重满足要求，那么通常是在地下室底板上施加配重，如钢渣混凝土、回填土等，这样做主要是为了避免增大结构主体的荷载，类似建筑面层加厚加重。这种做法会增加结构层高，同时会增大水头高度，因此，结构造价(主要是外墙等竖向构件)会比较明显的增加，而抗浮的效果不显著。所以，这种配重方法通常只用在整体抗浮略不满足的情况下。结构的受力分析同上所述。还有一种配重做法是将筏板基础外轮廓边外扩，通过增加其上覆土重量满足抗浮要求。这种做法受具体工程的制约较多，对地基持力层或者桩基造成较大的负担，也对造价影响很大。2)如何设置抗拔桩需要考虑基础形式。基础形式通常也有以下两种：独立基础加防水板或者筏板基础。筏板基础整体刚度大，可以通过满堂布置抗拔桩实现桩的侧摩阻力抵消部分或者全部水浮力。而独立基础加防水板的基础形式，只能在独立基础下打桩满足整体抗浮要求，防水板承受地下水浮力，并把水浮力传给独立基础。对于独立基础加防水板的基础形式，抗拔桩的布置应考虑持力层的情况。如果持力层承载力高，或者独立基础下设置了基桩，那么独立基础的沉降不会太大，抗拔桩可以类似筏板基础满堂布置；否则，基础的沉降较为明显，抗拔桩如果布置在防水板下，会对防水板产生向上的集中荷载，对结构不利。相比较而言，抗拔桩布置在独立基础下，整体抗浮概念清晰，受力分析更加明确，而且可以兼做基桩，较为合理。这种情况下，防水板的设计同前所述。抗拔桩设计应同时考虑两种不利荷载工况。一种是地下水位最高，即达到抗浮水位时，此时，抗拔桩承受竖直向上的力，并通过桩身与周围土体的侧摩阻力将其传给土体。另一种工况是地下水位下降至基础底面以下，此时，抗拔桩和其他基桩一起承受全部竖直向下的荷载，也即抗拔桩成为抗压基桩。两种工况下，同一根抗拔桩的承载力、裂缝、变形的计算明显不同。抗拔桩的桩长和桩数应同时满足这两种工况的要求。文献[2]深入分析了抗拔桩的受力特点和破坏形态，给出了抗拔桩承载力的经典计算方法，《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)给出了较为简单的折减系数来表示桩的抗拔承载力力和抗压承载力的关系。根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)，相同条件下，桩的抗拔承载力明显低于抗压承载力。而且，对于抗拔桩，桩身的裂缝控制也很不利，往往为了控制裂缝宽度而配置大量的纵向钢筋。近年来，抗裂性能好的桩型，如后张预应力灌注桩、预应力混凝土预制桩等逐步得到广泛应用，这类抗拔桩即使是在所需抗拔力较大的情况下，也能避免因裂缝控制所致的较高的纵向钢筋配筋率[2]。计算抗拔桩受压时，则还需要验算桩身承载力和沉降量。具体计算方法应按照相关规范的要求，本文不再赘述。3)设置抗拔锚杆。文献[2]指出，预应力锚杆施工工艺简单，适用于坚硬土层或者岩层。抗拔锚杆受力最为直接，通过自身抗拉将地下室结构整体和岩层或者坚硬土层拉住。抗拔锚杆的布置也与基础形式有关，一般来说，整体基础，如筏板、箱型基础下通常满堂布置抗拔锚杆，而独立基础加防水板下，可仅在防水板下布置，或者根据具体的工程情况，根据向上的荷载组合的大小分布不同，布置承载力不同的锚杆，如防水板下布置长锚杆，柱基下布置短锚杆。抗拔锚杆不能承受向下的荷载。文献[3]提及抗拔锚杆的计算公式：Tu=πDLmΨT，可见，决定锚杆极限抗拔承载力的主要因素有：锚固体直径D、锚固体长度Lm和锚固体与周围岩体的粘结强度T(也有可能是预应力钢筋与灌浆体之间的握裹力)。锚杆锚固力的大小更取决于岩层受锚杆拉力时所能提供的抗力。总之，地下室的抗浮设计需要综合考虑各方面的因素，结合上部结构和基础形式，采用最为合理的抗浮措施。抗浮验算也应根据具体的工程情况，