地下工程的抗浮优化设计

2022-09-10

随着我国经济的发展, 大规模的高层建筑地下室、地下商场的建设, 大规模的市政建设如地下停车库、地铁、地下变电站、污水处理工程等地下工程的建设日益繁多, 地下工程的设计最常见的抗浮问题随着基础形式的不同, 也越来越引起设计人员的注意。本文结合多年设计经验, 对地下室抗浮设计中应该注意的问题做一归纳总结, 供设计人员参考。

1 抗浮公式及参数的选择

目前规范对抗浮设计没有明确的表达式, 不同的规范又分别给出一些不同的系数, 使得抗浮出现不同的做法, 有的很不安全, 有的则相当保守, 使抗浮设计造价昂贵。常见的抗浮设计规定有:

1.0G+Ra≥1.2Fw (荷载规范)

0.9G+Ra≥1.2Fw (江苏2005讨论稿)

G≥1.0Fw (北京建筑设计细则)

G≥1.05Fw (广东省地基基础规范)

G/1.2Fw≥1.0 (上海地基基础规范1999)

从不同地区对抗浮的要求来看, 其基本表达是一致的, 只是不同地区结合本地区的工程经验, 提出了不同的经验系数。需要指出的是, 不管在哪个地区, 在抗浮水位的选取上, 设计人员要认真对待, 一般地质勘探部门会给出建议抗浮水位, 设计人员应该根据具体建筑的埋深选取合理的抗浮水位, 重要工程还应该结合城市抗洪水位标高选取。对超大超深的地下工程, 一般施工施工周期较长, 设计时还必须考虑雨季施工期最不利水位。

2 结构抗浮优化设计

地下工程建筑的平面剖面已经确定的情况, 为了能取得较好的经济效益, 需要对工程的结构做合理的调整优化, 以取得最佳的结构方案。结构设计上没有“唯一解”, 在地下工程抗浮设计上更是如此。以下结合几个工程实例说明结构设计的方案优化。

实例一:一层的地下人防工程, 层高3.9m, 上部覆土0.9m, 平时为汽车库, 要求内部除框架柱外没有其他承重构件, 地下抗浮水位取在室外地坪下1.0m处, 结构采取普通的钢筋混凝土梁板结构, 地下室顶板厚300mm, 底板厚300mm, 按荷载规范计算, 抗浮是不能满足的, 原设计拟设置一定数量的抗浮桩。在方案优化阶段来看, 底板自重对于抗浮计算和底板配筋计算来说都是有利荷载, 如果增加底板厚度到一定数值, 可以满足抗浮要求, 但增加底板厚度同时会造成工程造价的增加。通过两种设计方案的经济比较, 在考虑人防荷载和浮力的情况下, 笔者在实际工程中仅采用400厚底板, 底板上增加砂石及素混凝土填充, 并适当增加了覆土的重量, 利于地下室顶板上方市政管线的布置, 也省却了抗浮桩的设置, 从而取得良好的经济效果。

实例二:抗浮桩布置方式的优化。

很多工程在自重无法满足抗浮的时候, 最常使用的方式就是设置抗浮桩。下图是几种抗浮桩的布置方式, 对于不同的工程情况, 应该选择不同的布桩方案, 绝不能一概而论。图2 (1) 适合柱下桩主要由竖向荷载控制, 单桩承载力值较大, 仅考虑施工过程中局部抗浮不满足的时候设置的抗浮桩 (桩的总数量一般比单纯考虑竖向荷载下要多) , 其特点是受力明确, 施工方便;而图2 (2) 则适用于地下室埋深较大, 地下水位较高, 柱下桩由抗浮计算控制, 这种情况下往往地梁的受力非常大, 采用图2 (2) 的布桩方式相对图2 (1) 而言, 有效地减小了地梁的跨度, 对大面积的地下室而言能取得较好的经济效益。当然, 在某些工程 (如大面积单建式地下停车场、地下商场) 等出现更大埋深, 更大跨度 (10m×10m以上) 的情况下, 此时底板一般较厚, 必须设置抗浮桩来解决地下水位较高的问题, 可以选择柱下带形布桩方式或满堂布桩的方式抗浮, 一般这种布桩方式要选用小直径、短桩, 密布的方式, 以有效解决局部抗浮问题和有效降低底板内力峰值, 如图2 (3) 。

以下是采取上两种不同布桩方式的工程实例。

某世贸国际大厦是两栋33层高层, 裙房3层组成的建筑, 两层人防地下室, 因建筑功能的需要, 地下室平面较建筑的底层平面四周均扩出6m~18m不等, 地下室底标高-8.4m, 高层下采取桩筏基础, 裙房柱下多桩承台基础。高层下采用预应力高强管桩, 由于地下室埋深较大, 平面面积也较大, 属超大超深地下工程, 结构设计时必须考虑在建成后地面建筑投影以外部分地下室的抗浮问题, 也要考虑在地下室施工过程中, 基坑回填时 (施工到0.00时的工况) 裙房部分柱下局部抗浮问题。裙房下柱底桩的布置采取了图2 (1) 的布置方式, 施工阶段需要的抗浮桩主要利用了工程建造完成后的工程桩, 适当增加桩的数量以满足抗浮。

某高层居住小区组团, 主体为八栋18层高层, 裙楼为2层框架结构, 地下一层人防地下室, 高层间为地下人防工程, 平时为汽车库, 裙楼及地面建筑投影以外部分柱下, 主要考虑抗浮桩的使用, 采用单桩承载力较小的桩型, 按图2 (2) 的布桩方案, 有效节省了地下室大跨度地梁的工程造价。

某地下停车场, 单建式, 柱网8.4×8.4m, 六级人防工程, 基础底部在淤泥层上, 竖向荷载及抗浮均由桩来承担, 在控制位移的基础上考虑380的沉管灌注桩 (桩长12m, 钢筋笼长8m) 的布桩方案, 考虑桩对底板的冲切作用, 底板取400mm厚, 如图2 (3) 。

3 地下工程抗浮优化设计中应重视的问题

地下工程在设计过程中, 有些设计人员往往容易忽视一些看起来不显眼的问题, 造成工程设计的不安全或者抗浮造价费用昂贵。

地质资料提供的抗浮设计水位和实际建筑的布置有无偏差, 和城市洪峰水位是否有对比。抗浮设计水位是地下工程抗浮设计的基础, 一般地质勘探在建筑设计之前完成, 而建筑设计会在方案深化过程做一些调整, 特别对建筑场地标高的调整, 会影响到地下水头相对值的选取, 对重要的工程设计, 还要考虑自然排水条件是否通畅, 是否会出现超越抗浮水位的工况发生。

注意地下工程抗浮设计的一些有利荷载的利用。和平常建筑结构设计不同, 抗浮设计时一般恒荷载为有利荷载, 设计过程中应该充分利用这些“有利”荷载, 如常见的高层建筑下的地下室, 做底板设计时, 往往是浮力大于自重, 如果适当增加底板的恒载值, 使的恒载和浮力的合力与考虑枯水期时 (即不考虑浮力) 合力比较接近, 这样底板的受力峰值就大为降低。增加底板恒载最常用的方式是结合建筑上排水沟及排水坡度的要求, 采用素混凝土或者砂石回填, 增加结构底板的自重。对伸出建筑上部投影范围以外较少的建筑, 适当增加外挑, 利用土的自重增加抗浮效应。

地下室顶板的覆土荷载选取要注意。地下建筑的上部, 根据地下工程的使用功能不同, 往往有不同的构筑物、绿化、道路等, 这些物体的自重对抗浮计算是有利荷载, 设计人员在抗浮计算过程中一般都按有利荷载考虑了;而一旦这些部分发生变化, 原本有安全保障的抗浮设计就变的不安全起来, 因此在设计过程, 应该充分注意这些“可能变化”的恒载实际加载情况。比如覆土层内是否会增加市政管沟 (往往截面比较大的) , 覆土及绿化加载的时间、覆土深度变化的可能性等等。

抗浮设计的工况考虑的是否完备。地下工程一般常和人防工程结合设计, 对有无桩来说, 地下室底板的人防荷载取值是不同的。对于超深超大的地下室来说, 结构设计不仅要满足建筑完成的情况, 还应该考虑在施工过程中停止基坑降水、基坑回填以后等工况, 这时上部荷载还为加载, 地下工程抗浮能否满足。如果在优化设计中采取一些必要的方法, 如超深地下室采取“逆作法”施工等, 降低底板单独承受较大浮力的“机会”, 采取预先增加恒载的方案等等, 可以有效降低结构构件内力峰值的大小, 从而是设计更加经济合理。

抗浮桩的选用。当结构自重不足以满足抗浮要求时, 最有效的方法是设置抗浮桩。抗浮桩一般采用灌注桩, 但随着建筑业的发展, 预应力管桩因其施工速度快, 质量稳定, 越来越多的在工程上取代灌注桩。当采用预应力管桩作为抗浮桩使用, 应注意验算桩接头及桩的端板与桩身连接处强度验算, 这是设计人员最容易忽视的问题。当采用灌注桩时, 抗浮桩的配筋往往由0.2mm裂缝宽度验算控制, 配筋量很大, 从抗浮桩受力特点看, 桩受到的拉力沿桩长是变化的, 桩顶最大, 往下逐渐减小, 抗浮桩的配筋可以分段配筋。