某坡地建筑地下室抗浮设计研究

摘要：随着城镇化进程的加快，为适应城市建设的需要，解决用地紧张的和储备土地的不足，许多建筑开始向山区坡地地带发展，充分利用尚未开发的山坡地。与相对平坦的地下结构相比，因坡地的地形起伏变化较大，地下水位变化也较大，季节性雨水使得水位发生变动，勘察资料提供的抗浮水位与实际水位相差甚远，为工程设计带来困难。本文通过对某坡地学校教学楼项目进行坡地地下室抗浮设计相关说明，主要包括地下水位的确定，抗浮措施的选择及相关抗浮设计。

关键词：地建筑；地下水位；抗浮设计

1工程概况

本项目为蚌埠市新城试验学校教育集团虎山校区综合楼项目，项目位于安徽省蚌埠市蚌山区，规划路与货场五路交汇处东南侧，虎山路东路以西。总用地面积约5.5万平，总建筑面积约6万平。其中综合楼为四层，右侧半幅带地下室，采用框架结构，重点设防类，设防烈度为7度（0.1g），抗震分组为第一组，地震作用按照7度（0.15g）进行设计，场地特征周期为0.35s（二类），抗震等级按照8度确定。建筑抗浮工程设计等级为乙级，抗浮稳定安全系数为1.05。拟建场地地势开阔，稍有起伏，最大高差为7.24m，地下水较为充沛，由地勘报告可知，抗浮水位取室外地面以下1m，由于存在较大高差，抗浮设计需考虑选择较为合适的抗浮水位及抗浮设计方案，既要保证结构安全，又要考虑节省材料。建筑剖面图见图1。

2抗浮水位的确定

对于地下室抗浮设计首先应确定抗浮水位，当抗浮水位确定以后，可以通过地下室基础的底部高度确定水头高度，水头高度确定后方可进行浮力作用的计算，本项目属于坡地建筑，地面标高随坡地变化较大，抗浮水位对设计影响较大，因此应综合考虑抗浮水位。

2.1主体结构条件

由建筑方案设计条件可知，综合楼主楼右侧从10轴到17轴有地下车库，地库底板顶标高为-10.300m，主体结构采用框架结构，上部结构主要功能为教室，设计时恒荷载主要是楼面铺装，结构自重及填充墙重量，有地基基础规范可知，抗浮设计时仅考虑恒荷载产生的有利作用。框架结构竖向传力构件为框架柱，标准柱距为8.4m，间距较大，考虑基础底板竖向作用的滞后效应，板跨中部位抗浮作用较小，因此需要考虑底板的抗浮强度。由于建筑需要部分框架柱并不延申至屋面，只存在于地下一层或一层，上部恒载传递下来的抗力减少，因此此部分基础应进行抗浮计算，验算是否满足抗浮要求。

2.2场地地下水条件

由虎山学校地勘报告可知，钻探揭露，本场地在15m深度范围内，对本工程有影响的主要包含两个地下含水层组，第一含水层组，地下水类型属于上层滞水，主要分布于第一层土及地下伏粉质粘土层上部裂隙中，其水量受地表水控制，以地表水的垂直渗透补给为主。初见水位与稳定水位埋深基本一致，在0.7~5.8m。第二含水层组：地下水类型属于承压水，主要分布于三层全风化花岗岩和四层强风化混合花岗岩中，以水平径向流动补给为主。稳定水位为3.6~10.5m。地下水条件较为丰富，水量充沛，对结构地下室抗浮较为不利。

2.3确定抗浮水位

勘报告中给出抗浮设计水位为室外地面以下1m，由于地下室顶板高度为34.300m，但是地形为从10轴到17轴为逐渐下降，高差为约有4.5m，因此需充分考虑抗浮水位，以免造成抗抗浮的不足，或者抗浮考虑过多造成浪费。针对这种坡地的实际情况，采用分段确定抗浮水位的方法进行设计，地下室左端挡墙10轴处开始考虑抗浮，此轴建筑地面标高为37.800m，因此将10轴上框架柱的抗浮水位定为36.800m，17轴抗浮水位为32.300m，有两者之间进行线性内插，每隔8.4m取一个区间，每个区间取相应的最高水位为抗浮水位，因此10轴抗浮水位为36.8m，11轴与10轴相聚4.2m，水位取36.8m，与10轴相同；12轴取抗浮水位为36.500m；13轴抗浮水位取35.500m。15轴以后抗浮水位全部位于基础底板以下，因此不在考虑15轴以后的抗浮。水头计算时，应取基础底面的标高，基础为下柱墩设计，底面标高不相同，因此统一取基础高度为1.4m。抗浮水位及基础底板确定后可计算浮力作用。

3抗浮方案对比

依据现有的地质条件及建筑条件，选取12轴交E轴框架柱进行试算，柱距为8.4×8.4m，防水板厚为500mm，柱墩厚尺寸为4.8×4.8m，柱墩厚度为400mm，经分段计算可得地下水位可取33.500m，地库防水板底标高为27.3m，计算可得总浮力为：F浮=（33.5-27.3）*8.4*8.4=4374kN由盈建科软件计算得到上部结构恒载为2179kN，混凝土容重取23kN/m3底板及柱墩混凝土质量为：23*8.4*8.4*0.5+23*4.8*4.8*0.4=1023kN则由地基规范5.4.3条抗浮稳定安全系数取1.05，则有：GkNw，k≥Kw=1.05即所需抗力为：Gk=（4374-2179-1023）*1.05=1230.6kN由地勘报告及地库底板标高可知持力层可选择④层强风化混合花岗岩，分别进行抗拔桩、抗浮锚杆及混凝土压重的设计，并对比几个方案的的工期与造价。

3.1抗拔桩计算

选取第④层强风化混合花岗岩为持力层，抗拔桩采用PHC400AB95预制桩，由于地勘报告中未给出相关极限侧阻力标准值，依据桩基规范表5.3.5-1取qsik=110kPa。假定群桩呈现非整体破坏，由桩规5.4.6-1取12m长桩基计算抗拔极限承载力标准值为：Tuk=∑λiqsikuili=0.5*110*1.6*12=1056kN又有5.4.5条非整体破坏时桩基的抗拔承载力为：Nk≤Tuk/2+Gp=1056/2+27.5=555.5kN则所需要的桩数量为三颗桩。

3.2锚杆计算

本工程抗浮采用抗拔锚杆，锚杆孔直径d＝200mm，设计长度6.5m，配筋为3根25。锚杆钻孔内采用M30水泥砂浆填实，抗浮锚杆有效锚固长度为6.5m。由地勘报告地下室抗浮锚杆设计参数建议值取一次常压注浆强度为120kPa。根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》第4.6.8及4.6.10条规定：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综上，单根锚杆抗拔承载力设计值取200KN，则所需锚杆数量为7根。

3.3混凝土压重计算

取混凝土容重为23kN/m3，则浮容重为13kN/m3，则有所需混凝土压重高度为H=1231/（8.4*8.4*13）=1.35m，当采用压重措施时，需要将地库底板继续下挖，因此挖方工作量较大，又由于本地下室设计时，抗浮水位的选采用的随坡度变化计算，因此底板所受浮力大小存在差异，使用压重措施时，难以实现。选取上文设计区域进行成本工期核算，计算结果见表1。通过对工期、成本、方案可行性三个方面进行对比发现，在工期方面，桩由于施工工艺复杂，施工养护周期较长因此当单纯作为抗拔桩使用时在成本工期方面无较大优势，本项目基础持力层为二层粉质粘土层，承载力特征值为230kPa，本建筑为多层建筑，总层数为5层，地基承载力满足要求，无需设计抗压桩，当仅作为抗拔桩使用时，造价较高。抗浮锚杆在成本及施工便利性方面具有较好的优势，地基承载力满足要求，仅考虑抗拔设计，抗浮锚杆具有较好的抗浮效果。采用混凝土压重方案，会加深开挖深度，加大工作量，深度增加后对抗浮更为不利，因此压重设计的抗浮效果并不理想，总体成本及工期增加较多，因此压重方案并不合适，综上所述，抗浮锚杆最为合理。

4地下室抗浮设计

由上文分析可知采用抗浮锚杆进行抗浮设计最为合理，上文中已经对抗浮锚杆计算进行了详细的讲解，因此本部分主要针对地下室进行抗浮锚杆的设计，主要考虑抗浮锚杆的盈建科软件计算设计方法及其布置方案。

4.1确定抗浮设计位置

本项目采用盈建科3.0.1进行地下室抗浮设计，首先进行整体抗浮设计，即在软件中输入相关水位软件可自动算出整体抗浮满足要求。当整体抗浮计算满足要求时，应进行局部抗浮设计，由于规范所给抗浮设计为稳定设计，地库底板为钢筋混凝土材料，应对其进行局部强度验算，验算过程如下，采用盈建科软件在上部结构中将活载全部删除，只留恒载，混凝土材料容重选取为23kN/m3，运行计算后，选取标准组合计算值，对于地下一层的墙柱，可以选取轴向荷载进行查看：重新复制地库计算模型，在盈建科软件中保留地下部分，将计算所得的水浮力反向输入为面荷载，均布于底板上，此时混凝土容重取0，运行计算，得到标准值下的墙柱轴力，将两次计算的结果进行做差，当存在负值时，表示此柱抗浮不足，应对其进行抗浮设计。

4.2锚杆计算布置

对需要进行抗浮设计墙柱，由计算所得的荷载值除以锚杆承载力，可以得到每根柱子所遇的锚杆数量，将计算所需的数量尽量均匀的布置在基础下面，满足规范间距要求，将锚杆置于基础以下，可以明确传力路径，取得较好的设计效果。

4.3抗浮锚杆构造措施

当基础截面较小，满足锚杆间距的条件下无法全部布置在基础下时，可将锚杆布置于防水板下，本项目防水板厚度厚度只有500mm，为满足钢筋的锚固强度，因此考虑在锚杆上部设计将防水板加厚至700mm，加厚区应宽出锚杆200mm，满足保护层要求，通过增加防水板厚度，锚杆抗拔承载力具有较好的保证，满足承载力及耐久性的设计需要。锚杆大样详见图2。

5总结

本文通过对某坡地建筑地下室进行抗浮设计，详细描述了通过采用随室外坡地标高变化确定抗浮水位，通过对比抗拔桩、抗浮锚杆、以及混凝土压重措施的造价工期等因素，对比得到抗浮锚杆在造价及施工工期方面具有较大优势，因此对本项目对地下室进行抗浮锚杆设计，通过计算设计方法，确定单根锚杆的承载力及所需的抗浮位置，进行布置锚杆及抗浮构造措施，最终取得了较好的设计效果，满足结构设计的安全需要，节省造价，缩短工期。

参考文献：

[1]陈夏辉.坡地建筑地下结构浮力计算及抗浮措施研究[D].广州大学，2020.

[2]覃伟，杞小林，张莲花.坡地建筑地下室上浮原因分析及处理措施[J].成都大学学报（自然科学版），2016，01（35）：103-106.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑工程抗浮技术标准：JGJ476-2019[S].北京：中国建筑工业出版社，2020.

作者：姜万民 梁栋 单位：同圆设计集团股份有限公司安徽分公司 中建八局第二建设有限公司