一、概述
隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市建設(shè)的也得到迅速的發(fā)展。而城市土地資源的日益緊缺,建筑及城市交通逐步向地下發(fā)展。大商業(yè)建筑、高層及超高層建筑由于其功能和結(jié)構(gòu)本身的需要,大多設(shè)置了地下室。隨著建筑層數(shù)的日益增高,地下結(jié)構(gòu)已向多層發(fā)展,其基坑支護(hù)、地下結(jié)構(gòu)設(shè)計、地下室的施工及防水等日益成為建筑工程界關(guān)注的熱點。由于地下室工程的施工環(huán)境特殊、隱蔽性大、涉及的工種多、施工復(fù)雜,也容易出現(xiàn)質(zhì)量問題,因而對設(shè)計有一定的特殊要求。
二、地下室抗浮水位的合理選取
設(shè)防水位的確定對建筑物的安全和業(yè)主的投資有較大的影響。較多文獻(xiàn)已指出巖土地基中的地下水浮力的確定,不能簡單按靜水壓力公式計算,即地下水的水壓力在垂直方向上并非隨深度增加而線性增加。從《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》和《巖土工程手冊》的規(guī)定中可以看出建筑物基礎(chǔ)位于不同持力層時,浮力計算有差別。當(dāng)位于粉土、粘土、砂土、 碎石土和節(jié)理裂縫發(fā)育的巖石地基時 ,由于地層的透水性好,水浮力不應(yīng)折減,而位于節(jié)理裂隙不發(fā)育的巖石地基時,甚至工程底板與巖石密貼時,可考慮水浮力的折減,甚至不考慮水浮力的作用。當(dāng)建筑物位于黏土地基時,其浮力較難準(zhǔn)確確定,應(yīng)結(jié)合地區(qū)的實際經(jīng)驗考慮。
根據(jù)勘察單位提供的巖土工程勘察報告,確定地下室抗浮設(shè)防水位時,應(yīng)根據(jù)設(shè)計規(guī)范中確定的原則:防水要求嚴(yán)格的地下室,其設(shè)防水位可按歷年最高地下水位;對防水要求不嚴(yán)格的地下室其設(shè)防水位可參照近3~5年最高水位及勘查時的實測靜止地下水位。
由此,如何合理確定抗浮水位的取值,應(yīng)根據(jù)工程的特點、地理環(huán)境、地質(zhì)情況及場地條件等因素,還有工程勘察報告中提供場區(qū)歷年最高水位和近年的最高地下水位 ,并結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗綜合考慮 ,確定建筑物的設(shè)防水位和抗浮設(shè)計水位,使設(shè)計做到經(jīng)濟(jì)、安全。
在建筑允許的情況下,盡可能提高基坑坑底的設(shè)計標(biāo)高,間接降低抗浮設(shè)防水位。具體措施可采用平板式筏板,一般而言,平板式筏板基礎(chǔ)的重量與“低板位”梁板式筏板基礎(chǔ)上填覆土的重量基本相當(dāng),但后者的基礎(chǔ)高度一般要比前者高。地下室樓蓋提倡使用寬扁梁或無梁樓蓋。寬扁梁的截面高度一般為跨度的1/16~1/22,寬扁梁的使用將有效地降低地下結(jié)構(gòu)的層高,從而相對降低了抗浮設(shè)防水位。
三、地下室抗浮方案
目前針對地下室抗浮問題主要有增加自重法和設(shè)置抗拔樁這兩種方案。
1、增加自重法方案
增加自重法包括地下室頂板壓載、地下室底板加載及邊墻加載等方法,增加地下結(jié)構(gòu)物自身重量(即恒載),使其自身的重力始終大于地下水對結(jié)構(gòu)物所產(chǎn)生的托浮力,確保結(jié)構(gòu)物不上浮。這種方法的優(yōu)點是:施工及設(shè)計較簡單;缺點是:當(dāng)結(jié)構(gòu)物需要抵抗浮力較大時,由于需大量增加混凝土或相關(guān)配重材料用量,故費用增加較多。還可能影響對地下結(jié)構(gòu)物室內(nèi)使用凈高。
1)頂部壓載措施
頂部壓載措施是將地下結(jié)構(gòu)物頂板的混凝土加厚或增加其他壓載材料,使自身重量(即恒載)增加以抵抗地下水的上浮力,但增加的混凝土卻占去原有覆土的位置,所以增加的重量僅為混凝土與覆土重量之差。因為混凝土與覆土重量的差距不大 ,所以此法的效益不大,并且使地下結(jié)構(gòu)與地表的距離拉近 ,由此減少了地下結(jié)構(gòu)上方覆土厚度。此法一般用于埋深較淺、不需增加太厚壓載物且其頂部有條件壓載的地下結(jié)構(gòu)物的抗浮,否則,其頂部有條件壓載也會增加結(jié)構(gòu)自身造價和基礎(chǔ)造價,對規(guī)模較大、埋深較深的地下結(jié)構(gòu)物的抗浮不宜采用此法作抗浮措施。
另外,當(dāng)采用此法作抗浮措施時,施工時應(yīng)避開雨季;因為剛封頂后地下室,還來不及做其他項目時,雨季使地下室處于其最不安全的時期。
2)底板加載措施
基板加載措施是將地下結(jié)構(gòu)物底板的混凝土加厚,使自身重量增加以抵抗地下水的上浮力,但在增加混凝土的同時也增加了水的上浮力,所以它增加的重量是混凝土與水的重量之差。因為混凝土與水的重量差距遠(yuǎn)比混凝土與覆土的重量差距大,所以每增加單位體積的基底板混凝土,其抗浮效益比頂板壓載法要大,但會提高工程造價,采用基板加載抗浮措施 ,不僅在地下室底板需澆筑大量的壓載混凝土,在材料上造成極大的浪費,厚板給施工也帶來非常大的困難和不便。因壓載增加了地下室底板的厚度,造成地下室凈空變小,給以后的使用帶來不便。此方案造價很高既費錢又費工,此法一般用于埋深較淺、不需增加太厚混凝土的地下結(jié)構(gòu)物的抗浮。
3)側(cè)墻加載措施
側(cè)墻加載措施是將地下結(jié)構(gòu)物側(cè)墻的混凝土加厚,這種做法雖然增加了水的上浮力,但也由此加寬了地下結(jié)構(gòu)物上方覆土的范圍。這種做法雖然也可得到較大的抗浮力,并且不需要加深基坑開挖,但開挖的范圍卻因此增寬,在地價昂貴的地區(qū),經(jīng)濟(jì)效益也將因此折減。此法一般適用于不受場地限制、地價不貴地區(qū)的規(guī)模較小地下結(jié)構(gòu)物的抗浮。
2、設(shè)置抗浮樁
目前,設(shè)置抗拔樁是在地下室抗浮設(shè)計中使用較為廣泛的一種方法。但仔細(xì)分析,這種方法也有一定的局限性。因為地下室的抗浮設(shè)防水位是根據(jù)擬建場地歷年最高水位,并結(jié)合近幾年的水位變化情況提出來的,即使經(jīng)過重新評估后確定的抗浮設(shè)防水位,也是按一定的統(tǒng)計規(guī)律得出的結(jié)論。顯然,該方法確定的地下水位在一般的情況下是很難達(dá)到的;加之設(shè)計計算的不精確性,也使得抗拔樁都具有一定的安全儲備,因此,“抗拔樁”實際上長期起著“抗壓樁”的作用,這種“反作用”將阻礙有抗浮要求的地下室的合理沉降,而這種變化將會使不設(shè)縫的大底盤地下室在主體結(jié)構(gòu)和裙房之間產(chǎn)生更大的不均勻沉降差,這正是我們在設(shè)計中想極力避免的;同時設(shè)置抗拔樁后,計算基礎(chǔ)底板內(nèi)力及配筋時應(yīng)考慮地下水壓力,這樣也會增加基礎(chǔ)底板的荷載。因此,針對抗拔樁的使用時,應(yīng)該結(jié)合工程的實際情況及當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗。
另外,在抗拔樁樁體結(jié)構(gòu)設(shè)計中,抗拔樁主要依靠樁體的側(cè)摩阻提供抗拔力,其受力機理基本類似于錨桿,但由于土體中應(yīng)力垂分布使土體處于受拉狀態(tài)。因此,其側(cè)摩阻大小不能簡單的依據(jù)承載樁的側(cè)摩阻來計算其承載力,必須進(jìn)行修正,修正系數(shù)可參考樁基規(guī)范;因此,設(shè)計時對抗撥樁的設(shè)計承載力取值不應(yīng)過高,特別是預(yù)制管樁,光滑的圓斷面樁在飽和土浸水條件下其抗撥能力是很低的,一旦被向上抽撥,擾動后樁的抗撥力將完全喪失。
抗拔樁樁體的配筋依據(jù)抗拔樁承載力極限標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行抗拉配筋,依據(jù)樁體應(yīng)力分布原理,可采用不均一配筋法,即抗拔樁下段由于其拉力相對較小,可適當(dāng)降低配筋量,底端依據(jù)混凝土抗拉強度的大小,減小鋼筋籠長度,從而降低工程造價。
四、其他應(yīng)該注意的問題
地下室斜坡道設(shè)計時,應(yīng)進(jìn)行抗浮驗算,斜坡道與主體分縫處做作處理。
高層建筑地下室還應(yīng)考慮整體抗浮與局部抗浮,因為高層建筑地下室不是一個剛體,它會產(chǎn)生整體或局部的變形和破壞,水對地下室的浮力主要以水壓力的形式作用在地下室底板上?垢≡O(shè)計首先應(yīng)驗算結(jié)構(gòu)的整體抗浮安全度,若滿足則再驗算局部抗浮安全度,要按逐個柱的受荷面積來進(jìn)行,并主要針對那些上部結(jié)構(gòu)層數(shù)少,結(jié)構(gòu)自重小的部位,特別是地下室超出高層塔樓范圍較多的部位以及高層塔樓圍合的內(nèi)天井部位。
五、結(jié)語
在合理的選擇抗浮水位之后,在選擇抗浮方案時,可按其經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、安全可靠和方便施工為原則。還應(yīng)根據(jù)工程特點、地質(zhì)情況、場地條件、環(huán)境和當(dāng)?shù)禺?dāng)時的實際情況等因素,綜合考慮,因地制宜,選擇一個最佳有效的抗浮方案。
參考文獻(xiàn)
[1]《巖土工程手冊》編寫委員會.巖土工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994 :128-131.
[2]TBJ 2-85,鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范[ S].
[3]G B 50007-2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[ S].
[4]陳穎.地下室結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計中常遇問題及解決措施[J].山西建筑,2010,36(4):106- 107.