某坡地建筑地下室抗浮設(shè)計研究

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摘要：隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，為適應(yīng)城市建設(shè)的需要，解決用地緊張的和儲備土地的不足，許多建筑開始向山區(qū)坡地地帶發(fā)展，充分利用尚未開發(fā)的山坡地。與相對平坦的地下結(jié)構(gòu)相比，因坡地的地形起伏變化較大，地下水位變化也較大，季節(jié)性雨水使得水位發(fā)生變動，勘察資料提供的抗浮水位與實際水位相差甚遠(yuǎn)，為工程設(shè)計帶來困難。本文通過對某坡地學(xué)校教學(xué)樓項目進(jìn)行坡地地下室抗浮設(shè)計相關(guān)說明，主要包括地下水位的確定，抗浮措施的選擇及相關(guān)抗浮設(shè)計。

關(guān)鍵詞：地建筑；地下水位；抗浮設(shè)計

1工程概況

本項目為蚌埠市新城試驗學(xué)校教育集團(tuán)虎山校區(qū)綜合樓項目，項目位于安徽省蚌埠市蚌山區(qū)，規(guī)劃路與貨場五路交匯處東南側(cè)，虎山路東路以西。總用地面積約5.5萬平，總建筑面積約6萬平。其中綜合樓為四層，右側(cè)半幅帶地下室，采用框架結(jié)構(gòu)，重點設(shè)防類，設(shè)防烈度為7度（0.1g），抗震分組為第一組，地震作用按照7度（0.15g）進(jìn)行設(shè)計，場地特征周期為0.35s（二類），抗震等級按照8度確定。建筑抗浮工程設(shè)計等級為乙級，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為1.05。擬建場地地勢開闊，稍有起伏，最大高差為7.24m，地下水較為充沛，由地勘報告可知，抗浮水位取室外地面以下1m，由于存在較大高差，抗浮設(shè)計需考慮選擇較為合適的抗浮水位及抗浮設(shè)計方案，既要保證結(jié)構(gòu)安全，又要考慮節(jié)省材料。建筑剖面圖見圖1。

2抗浮水位的確定

對于地下室抗浮設(shè)計首先應(yīng)確定抗浮水位，當(dāng)抗浮水位確定以后，可以通過地下室基礎(chǔ)的底部高度確定水頭高度，水頭高度確定后方可進(jìn)行浮力作用的計算，本項目屬于坡地建筑，地面標(biāo)高隨坡地變化較大，抗浮水位對設(shè)計影響較大，因此應(yīng)綜合考慮抗浮水位。

2.1主體結(jié)構(gòu)條件

由建筑方案設(shè)計條件可知，綜合樓主樓右側(cè)從10軸到17軸有地下車庫，地庫底板頂標(biāo)高為-10.300m，主體結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)主要功能為教室，設(shè)計時恒荷載主要是樓面鋪裝，結(jié)構(gòu)自重及填充墻重量，有地基基礎(chǔ)規(guī)范可知，抗浮設(shè)計時僅考慮恒荷載產(chǎn)生的有利作用。框架結(jié)構(gòu)豎向傳力構(gòu)件為框架柱，標(biāo)準(zhǔn)柱距為8.4m，間距較大，考慮基礎(chǔ)底板豎向作用的滯后效應(yīng)，板跨中部位抗浮作用較小，因此需要考慮底板的抗浮強(qiáng)度。由于建筑需要部分框架柱并不延申至屋面，只存在于地下一層或一層，上部恒載傳遞下來的抗力減少，因此此部分基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行抗浮計算，驗算是否滿足抗浮要求。

2.2場地地下水條件

由虎山學(xué)校地勘報告可知，鉆探揭露，本場地在15m深度范圍內(nèi)，對本工程有影響的主要包含兩個地下含水層組，第一含水層組，地下水類型屬于上層滯水，主要分布于第一層土及地下伏粉質(zhì)粘土層上部裂隙中，其水量受地表水控制，以地表水的垂直滲透補給為主。初見水位與穩(wěn)定水位埋深基本一致，在0.7~5.8m。第二含水層組：地下水類型屬于承壓水，主要分布于三層全風(fēng)化花崗巖和四層強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖中，以水平徑向流動補給為主。穩(wěn)定水位為3.6~10.5m。地下水條件較為豐富，水量充沛，對結(jié)構(gòu)地下室抗浮較為不利。

2.3確定抗浮水位

勘報告中給出抗浮設(shè)計水位為室外地面以下1m，由于地下室頂板高度為34.300m，但是地形為從10軸到17軸為逐漸下降，高差為約有4.5m，因此需充分考慮抗浮水位，以免造成抗抗浮的不足，或者抗浮考慮過多造成浪費。針對這種坡地的實際情況，采用分段確定抗浮水位的方法進(jìn)行設(shè)計，地下室左端擋墻10軸處開始考慮抗浮，此軸建筑地面標(biāo)高為37.800m，因此將10軸上框架柱的抗浮水位定為36.800m，17軸抗浮水位為32.300m，有兩者之間進(jìn)行線性內(nèi)插，每隔8.4m取一個區(qū)間，每個區(qū)間取相應(yīng)的最高水位為抗浮水位，因此10軸抗浮水位為36.8m，11軸與10軸相聚4.2m，水位取36.8m，與10軸相同；12軸取抗浮水位為36.500m；13軸抗浮水位取35.500m。15軸以后抗浮水位全部位于基礎(chǔ)底板以下，因此不在考慮15軸以后的抗浮。水頭計算時，應(yīng)取基礎(chǔ)底面的標(biāo)高，基礎(chǔ)為下柱墩設(shè)計，底面標(biāo)高不相同，因此統(tǒng)一取基礎(chǔ)高度為1.4m。抗浮水位及基礎(chǔ)底板確定后可計算浮力作用。

3抗浮方案對比

依據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)條件及建筑條件，選取12軸交E軸框架柱進(jìn)行試算，柱距為8.4×8.4m，防水板厚為500mm，柱墩厚尺寸為4.8×4.8m，柱墩厚度為400mm，經(jīng)分段計算可得地下水位可取33.500m，地庫防水板底標(biāo)高為27.3m，計算可得總浮力為：F浮=（33.5-27.3）*8.4*8.4=4374kN由盈建科軟件計算得到上部結(jié)構(gòu)恒載為2179kN，混凝土容重取23kN/m3底板及柱墩混凝土質(zhì)量為：23*8.4*8.4*0.5+23*4.8*4.8*0.4=1023kN則由地基規(guī)范5.4.3條抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)取1.05，則有：GkNw，k≥Kw=1.05即所需抗力為：Gk=（4374-2179-1023）*1.05=1230.6kN由地勘報告及地庫底板標(biāo)高可知持力層可選擇④層強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖，分別進(jìn)行抗拔樁、抗浮錨桿及混凝土壓重的設(shè)計，并對比幾個方案的的工期與造價。

3.1抗拔樁計算

選取第④層強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖為持力層，抗拔樁采用PHC400AB95預(yù)制樁，由于地勘報告中未給出相關(guān)極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，依據(jù)樁基規(guī)范表5.3.5-1取qsik=110kPa。假定群樁呈現(xiàn)非整體破壞，由樁規(guī)5.4.6-1取12m長樁基計算抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為：Tuk=∑λiqsikuili=0.5*110*1.6*12=1056kN又有5.4.5條非整體破壞時樁基的抗拔承載力為：Nk≤Tuk/2+Gp=1056/2+27.5=555.5kN則所需要的樁數(shù)量為三顆樁。

3.2錨桿計算

本工程抗浮采用抗拔錨桿，錨桿孔直徑d＝200mm，設(shè)計長度6.5m，配筋為3根25。錨桿鉆孔內(nèi)采用M30水泥砂漿填實，抗浮錨桿有效錨固長度為6.5m。由地勘報告地下室抗浮錨桿設(shè)計參數(shù)建議值取一次常壓注漿強(qiáng)度為120kPa。根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》第4.6.8及4.6.10條規(guī)定：由式4.6.8.2有：N1=fy·As=360×3×491=530.28kN由式4.6.10有；N2=fmg/K·π·D·LS·ψ=（0.12×103×3.14×0.20×6.5×1.0）/2=244kNN2=f′ms·π·n·d·ξ=1.2×3×3.14×25×6.5×103×0.7=1285.83kN綜上，單根錨桿抗拔承載力設(shè)計值取200KN，則所需錨桿數(shù)量為7根。

3.3混凝土壓重計算

取混凝土容重為23kN/m3，則浮容重為13kN/m3，則有所需混凝土壓重高度為H=1231/（8.4*8.4*13）=1.35m，當(dāng)采用壓重措施時，需要將地庫底板繼續(xù)下挖，因此挖方工作量較大，又由于本地下室設(shè)計時，抗浮水位的選采用的隨坡度變化計算，因此底板所受浮力大小存在差異，使用壓重措施時，難以實現(xiàn)。選取上文設(shè)計區(qū)域進(jìn)行成本工期核算，計算結(jié)果見表1。通過對工期、成本、方案可行性三個方面進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，在工期方面，樁由于施工工藝復(fù)雜，施工養(yǎng)護(hù)周期較長因此當(dāng)單純作為抗拔樁使用時在成本工期方面無較大優(yōu)勢，本項目基礎(chǔ)持力層為二層粉質(zhì)粘土層，承載力特征值為230kPa，本建筑為多層建筑，總層數(shù)為5層，地基承載力滿足要求，無需設(shè)計抗壓樁，當(dāng)僅作為抗拔樁使用時，造價較高。抗浮錨桿在成本及施工便利性方面具有較好的優(yōu)勢，地基承載力滿足要求，僅考慮抗拔設(shè)計，抗浮錨桿具有較好的抗浮效果。采用混凝土壓重方案，會加深開挖深度，加大工作量，深度增加后對抗浮更為不利，因此壓重設(shè)計的抗浮效果并不理想，總體成本及工期增加較多，因此壓重方案并不合適，綜上所述，抗浮錨桿最為合理。

4地下室抗浮設(shè)計

由上文分析可知采用抗浮錨桿進(jìn)行抗浮設(shè)計最為合理，上文中已經(jīng)對抗浮錨桿計算進(jìn)行了詳細(xì)的講解，因此本部分主要針對地下室進(jìn)行抗浮錨桿的設(shè)計，主要考慮抗浮錨桿的盈建科軟件計算設(shè)計方法及其布置方案。

4.1確定抗浮設(shè)計位置

本項目采用盈建科3.0.1進(jìn)行地下室抗浮設(shè)計，首先進(jìn)行整體抗浮設(shè)計，即在軟件中輸入相關(guān)水位軟件可自動算出整體抗浮滿足要求。當(dāng)整體抗浮計算滿足要求時，應(yīng)進(jìn)行局部抗浮設(shè)計，由于規(guī)范所給抗浮設(shè)計為穩(wěn)定設(shè)計，地庫底板為鋼筋混凝土材料，應(yīng)對其進(jìn)行局部強(qiáng)度驗算，驗算過程如下，采用盈建科軟件在上部結(jié)構(gòu)中將活載全部刪除，只留恒載，混凝土材料容重選取為23kN/m3，運行計算后，選取標(biāo)準(zhǔn)組合計算值，對于地下一層的墻柱，可以選取軸向荷載進(jìn)行查看：重新復(fù)制地庫計算模型，在盈建科軟件中保留地下部分，將計算所得的水浮力反向輸入為面荷載，均布于底板上，此時混凝土容重取0，運行計算，得到標(biāo)準(zhǔn)值下的墻柱軸力，將兩次計算的結(jié)果進(jìn)行做差，當(dāng)存在負(fù)值時，表示此柱抗浮不足，應(yīng)對其進(jìn)行抗浮設(shè)計。

4.2錨桿計算布置

對需要進(jìn)行抗浮設(shè)計墻柱，由計算所得的荷載值除以錨桿承載力，可以得到每根柱子所遇的錨桿數(shù)量，將計算所需的數(shù)量盡量均勻的布置在基礎(chǔ)下面，滿足規(guī)范間距要求，將錨桿置于基礎(chǔ)以下，可以明確傳力路徑，取得較好的設(shè)計效果。

4.3抗浮錨桿構(gòu)造措施

當(dāng)基礎(chǔ)截面較小，滿足錨桿間距的條件下無法全部布置在基礎(chǔ)下時，可將錨桿布置于防水板下，本項目防水板厚度厚度只有500mm，為滿足鋼筋的錨固強(qiáng)度，因此考慮在錨桿上部設(shè)計將防水板加厚至700mm，加厚區(qū)應(yīng)寬出錨桿200mm，滿足保護(hù)層要求，通過增加防水板厚度，錨桿抗拔承載力具有較好的保證，滿足承載力及耐久性的設(shè)計需要。錨桿大樣詳見圖2。

5總結(jié)

本文通過對某坡地建筑地下室進(jìn)行抗浮設(shè)計，詳細(xì)描述了通過采用隨室外坡地標(biāo)高變化確定抗浮水位，通過對比抗拔樁、抗浮錨桿、以及混凝土壓重措施的造價工期等因素，對比得到抗浮錨桿在造價及施工工期方面具有較大優(yōu)勢，因此對本項目對地下室進(jìn)行抗浮錨桿設(shè)計，通過計算設(shè)計方法，確定單根錨桿的承載力及所需的抗浮位置，進(jìn)行布置錨桿及抗浮構(gòu)造措施，最終取得了較好的設(shè)計效果，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全需要，節(jié)省造價，縮短工期。

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作者：姜萬民 梁棟 單位：同圓設(shè)計集團(tuán)股份有限公司安徽分公司 中建八局第二建設(shè)有限公司