浅谈几种常用的地下室抗浮措施

浅谈几种常用的地下室抗浮措施摘要：本文对各种抗浮措施的原理、适用性、对工期的影响和工程造价进行了总结。结合现有工程，就地下室设计中较为常见的几种抗浮措施进行分析对比，总结出各种抗浮措施的优缺点供设计人员参考。关键词：抗浮措施、配重法、盲沟排水法、抗拔桩法、抗浮锚杆0引言随着城市现代化的不断发展，城市人口的不断增加，交通商业等基础设施的不断建设，可供使用的土地面积越来越紧张。地下空间因为其可开发面积大，且不对地上其它建筑功能产生影响而越来越受到重视，在一二线城市中，两层地下室的高层建筑已非常常见，3~5层地下室的大型公共建筑也越来越多。地下水对建筑物的影响已不可忽视，在有些区域甚至起到了控制作用，在各种多层地下商场和车库的建设过程中，为了抵抗地下水的水浮力，人们根据不同的地质条件采取了不同的抗浮措施。常见的基础抗浮措施主要有配重法、盲沟排水法、抗拔桩法和抗浮锚杆四种。本文选用深圳一项目作为案例，对四种抗浮措施进行了分析和比较，得出结论和建议，以供设计人员参考。1工程案例背景本项目分为一大一小两个地块，场地周边较为平坦，其中大地块有两层地下室加一层半地下室，半地下室顶板上有1.5m覆土，经典柱跨为8mx8m，抗浮水位约为9.5m，底板下强风化花岗岩土层埋深约10~30m；小地块有两层全埋地下室，顶板上覆土同样为1.5m，经典柱跨为8mx8m，抗浮水位约为8.4m，底板下局部区域直接揭露强风化花岗岩土层，其他区域部分揭露了粉质黏土层和全风化花岗岩土层，强风化花岗岩土层埋深最深达到30m。2常见的抗浮措施2.1配重法配重法的基本原理就是通过增加建筑物自身的重量来抵抗水浮力。为了不给上部结构额外增加负担，通常选择在底板上增加重量来实现，具体的实施方法有:1）增加底板厚度；2）降低底板标高，并在底板上填土或浇筑毛石混凝土，再做建筑面层；3）在底板下下挂配构造钢筋与底板相连的毛石混凝土。这种方法的优势是简单灵活，直观有效，缺点是不管采用以上哪一种实施办法，都会同时增加水浮力，相当于新增的混凝土或填土只能考虑浮容重来抗浮，会造成较大的材料浪费。当地基承载力较差时，还需要考虑此部分附加重量带来的额外基础沉降。基于以上原因，配重法一般较少采用，多数时间用于水浮力较小或局部抗浮不足的情况。2.2盲沟排水法盲沟排水法的基本原理就是通过在地下室底板及地下室外墙周边设置相互贯通的排水盲沟来把水引走，从而实现减小水浮力，使主体结构满足抗浮的目的。用于地下室抗浮的盲沟分为永久自流式和永久抽排式两种，其中永久自流式盲沟适用于建筑场地位于单向斜坡地段，地下室两侧埋深存在一定差异，潜水水头线同地表坡线大致平行的情况，这种盲沟的设计要考虑到周边场地的长期规划，保证出水口通畅；永久抽排式盲沟适用于周围地势同拟建场地标高大致相当的情况，需设置自控的抽水装置和预备的应急装置。这种方法的优势是化被动为主动，长期将地下水位控制在一个比较低的标高；缺点是永久自流式盲沟的使用比较受限于建筑物周边场地的地貌，而永久抽排式盲沟的自控抽水装置将给后期的运维成本带来较大的经济负担，并且当遇到极端情况，自控抽水装置无法及时抽水时，地下室的抗浮安全将无法保证。2.3抗拔桩法抗拔桩法主要是利用桩与土之间的摩擦力来抵抗水浮力。受力路径由底板传到桩顶，再传到桩底，桩身内力从桩顶到桩底逐渐减小，渐渐转为周边土的摩阻力。抗拔桩法按桩径大小又可分为两种，一种是大直径灌注桩抗拔，布桩方式一般为柱下布桩，单柱单桩，并将承台适当加大，作为底板抗浮柱帽；另一种为小直径桩抗拔，一般采用管桩抗拔，布桩方式比较多样化，当水浮力较小时可能采用柱下布桩，水浮力较大时可能采用柱下布桩加底板跨中布桩，其中柱下桩兼做抗压桩，桩数由上部荷载和单桩受压承载力特征值确定，跨中桩数根据抗浮需要确定。抗拔桩法一般用于底板下地基土承载力比较差，无法作为主体基础持力层的情况，这种情况下建筑物从上部竖向荷载考虑本身就需要采用桩基础，把受压桩同时用来抵抗水浮力对工程造价并不会带来多少增加。在同等地质条件下，采用管桩抗拔又比采用大直径灌注桩更为经济合理，有以下三点原因：1）管桩作为挤土桩，桩身与土的摩阻力会比非挤土桩的灌注桩好一些，且由于灌注桩经常为湿作业，采用泥浆护壁，桩身与土的摩阻力经常还要打个大大的折扣；2）桩身混凝土体积与桩径的平方成正比，而桩侧摩阻力仅与桩径成正比，所以桩径越大，同等体积的混凝土所能提供的抗浮力越小，越不经济；3）管桩布桩时可结合上部荷载和水浮力大小灵活布桩，当水浮力较大时可将管桩布桩防水板跨中，减小底板跨度，有效减小水浮力的传力路径，减小底板板厚配筋，减少工程造价。抗拔桩的缺点是泥浆护壁的大直径灌注桩经常由于泥皮太厚导致抗拔力无法达到设计要求，所以一般建议只考虑嵌岩段的摩阻力抗拔，或者考虑桩端桩侧后注浆冲刷泥皮，保证抗拔承载力；采用管桩抗拔时，遇到地下有砂层较厚或较密实的情况，经常会出现管桩无法打穿砂层，无法达到抗拔需要的有效桩长的情况，另外就是当岩层较浅的时候，如花岗岩岩层，管桩一般只能打入强风化花岗岩土层1m左右，无法达到抗拔需要的有效桩长，这种情况下也不能采用管桩抗拔。2.4抗浮锚杆法抗浮锚杆类似于抗拔管桩，通过在底板跨中布置抗浮锚杆，可直接将底板水浮力传给锚杆，然后通过锚杆传给底板下的锚固土体或岩层。锚杆的杆长可分为两段，一段为自由段，一段为锚固段，根据规范规定，岩石锚杆的锚固长度宜采用3~8m，土层锚杆的锚固长度宜采用6~12m，且锚固长度越长，锚固强度的折减系数越小。工程中常用的锚杆筋体为HRB400三级钢筋，近几年逐渐被精轧螺纹钢PSB830，PSB1080所替代，因为精轧螺纹钢钢筋自带天然的螺纹，在锚杆接长的时候无需焊接，只需要通过套筒连接即可，且1根精轧螺纹钢筋的承载力相当于3根同等直径的HRB400三级钢筋，可有效的减少锚杆杆体中钢筋所占截面积，确保锚杆杆体的注浆通畅，相应的也可以减小锚杆杆体直径，减少注浆量。抗浮锚杆法一般用于底板下岩层较浅的情况，优点是施工设备简易，占地面积小，可多台设备同时施工，缺点是一般在底板垫层打完后才开始施工抗浮锚杆，施工时产生的泥浆和水泥浆对场地影响较大。3本项目采用的抗浮措施由于本项目的抗浮水位较高，所以不考虑采用配重法来满足抗浮需求，又由于本项目周边地势较平坦，且从后期运维成本考虑，本项目也排除了采用盲沟排水的抗浮方案。对于大地块地下室由于基底土层种类多种，且强风化花岗岩埋深在10~30米左右，较适合采用管桩抗浮，故选择在柱下采用管桩抗压兼抗拔，并在跨中布置纯抗拔管桩，其中柱下管桩要求打到强风化花岗岩持力层，并满足贯入度要求，跨中管桩按单节抗拔桩考虑，无需满足贯入度要求，有效桩长控制在12~13m。按此方案布桩，底板厚度取500mm厚，满足管桩桩芯插筋的直锚段锚固长度要求，底板配筋基本为构造配筋。对于小地块地下室，基底土同样存在多种情况，因为部分底板下已直接揭露强风化花岗岩土层，所以显然不适合采用管桩抗浮。可以考虑采用独基加锚杆抗浮，不过要采取措施消除不同地基土上的基础沉降差异。最终对采用旋挖桩和采用锚杆抗浮的方案进行经济性分析，发现二者在造价方面基本持平，又考虑到地下室内的塔楼的基础型式为旋挖桩，出于减少不均匀沉降考虑选用大直径旋挖桩作为抗浮措施，并在计算桩身抗拔承载力的时候忽略了上部土层的摩阻，只考虑了嵌岩段的摩阻力。4结语本文总结了目前地下室常用的几种抗浮方式，并对各种方法的优劣之处、适用性和造价进行了分析比较，在此基础上提出了相关的设计建议，最后又结合工程案例对基础抗浮方案的选择进