距离会员到期还有30

实用好文!抗浮设计相关知识全面解析

提问 发帖 回复

来源:土木吧 作者;党昱敬 中冶建筑研究总院有限公司 如有侵权请联系删除   0 引言    近年来随着我国城市建设的高速发展,地下空间的充分利用越来越得到重视,随之而来带有地下室的高层建筑物与其周边相邻的裙房、下沉式广场、地下车库、地下商场等辅助建筑物所形成广场式大底盘建筑群大量出现。由于这些辅助建筑物结构自重较轻,埋置较深,当地下水位较高时,水浮力大于建筑物自重及压重之和,建筑物结构稳定因出现上浮而受到影响,工程实践中因建筑物上浮所产生的破损案例也屡见不鲜,为了保证建筑物结构的稳定性和正常使用,建筑物地下室抗浮问题越来越受到工程设计人员关注。和地基基础设计中,因地基强度不足且压缩性较大而不能满足设计要求时,需要进行地基处理,形成人工地基 [1-3] 一样,当水浮力大于建筑物自重及压重之和时,也需采用抗浮措施,以满足建筑结构的安全性和耐久性。因此,未来建筑物的抗浮设计将是地基基础设计的重要课题之一。虽然文献第 3.0.2 条也明确规定“建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时,尚应进行抗浮验算” [1] ,但无具体设计计算标准规范工程技术人员的设计行为。

来源:土木吧

作者;党昱敬 中冶建筑研究总院有限公司

如有侵权请联系删除


  0 引言

   近年来随着我国城市建设的高速发展,地下空间的充分利用越来越得到重视,随之而来带有地下室的高层建筑物与其周边相邻的裙房、下沉式广场、地下车库、地下商场等辅助建筑物所形成广场式大底盘建筑群大量出现。由于这些辅助建筑物结构自重较轻,埋置较深,当地下水位较高时,水浮力大于建筑物自重及压重之和,建筑物结构稳定因出现上浮而受到影响,工程实践中因建筑物上浮所产生的破损案例也屡见不鲜,为了保证建筑物结构的稳定性和正常使用,建筑物地下室抗浮问题越来越受到工程设计人员关注。和地基基础设计中,因地基强度不足且压缩性较大而不能满足设计要求时,需要进行地基处理,形成人工地基 [1-3] 一样,当水浮力大于建筑物自重及压重之和时,也需采用抗浮措施,以满足建筑结构的安全性和耐久性。因此,未来建筑物的抗浮设计将是地基基础设计的重要课题之一。虽然文献第 3.0.2 条也明确规定“建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时,尚应进行抗浮验算” [1] ,但无具体设计计算标准规范工程技术人员的设计行为。

   经过广大工程技术人员多年工程设计实践,对建筑物因上浮所产生的破坏原因、机理和特征等有了较为深入的认识,并积累了较丰富的抗浮实践经验,设计理论水平也在逐渐提高。通过对以往建筑物地下室因上浮所产生破损事故案例归纳总结分析,发现破坏类型大致分两种情况:轻者仅使实际标高与设计标高稍有偏离,一般采用加载、抽水等简单措施即可恢复;严重时造成辅助建筑物地下室底板隆起、开裂渗水,地下室梁柱节点处开裂、错位、局部混凝土压碎,直接影响结构安全和正常使用,需要采用加载、抽水、解压、洗砂等综合方法才能使结构上浮稳定或恢复原状,并还要对受损构件进行加固处理,造成人力物力浪费,致使原有建筑使用功能也受到不利影响 [4-6] 。因此,如何采取有效方法防止建筑物上浮事故发生,其抗浮设计计算方法和施工措施就成为设计和施工人员共同关注的热点课题。而相较于地基强度不足压缩性较大的地基基础设计 [1-3] ,建筑物抗浮设计计算及措施还没有系统的指导设计计算的规程规范。就目前工程设计实践而言,作者认为虽然关于水浮力计算、抗拔桩及抗拔锚杆研究成果较多,但就抗浮作为地基基础设计计算的重要组成部分还缺乏系统的的探讨分析。鉴于此,本文在对现有建筑物抗浮设计计算相关理论和措施方法进行梳理论述的基础上,根据结构与岩土工程相关设计计算理论和结合工程经验,针对建筑基底位于拟建场地的不同含、隔水层地基土和基底下不同类别地基土的建筑物抗浮设计问题进行探讨分析,本文所阐述结论和方法可为以后建筑物实施抗浮措施提供设计计算参考。


  1 建筑物抗浮受力作用分析

   在建筑物抗浮设计受力分析中,一般将其整体作为隔离体,如图1所示。

  

   作用在建筑物上的力有:①向下的结构自重及其上作用的永久荷载标准值(压重)的总和,不包括活荷载;②地下水对地下建筑物向上的水浮力标准值;③土对建筑物侧壁向下的摩阻力,向下的侧壁摩阻力由于受建筑外墙防水做法影响,作用较小,且其发挥需要一定向上位移,故将其作为安全储备,设计计算时不予考虑。因此为保证建筑物整体稳定,一般建筑物抗浮受力作用分析计算需满足式(1)要求。

  G/K≥ S (1)

  式中:G—结构自重及其上作用的永久荷载标准值(压重)的总和,不包括活荷载;

   K—建筑物地下室结构抗浮安全系数,一般取1.05;

   S—地下水对地下建筑物的水浮力标准值。

   由于建筑使用功能要求,上部结构通常有缺层和大范围楼板缺失开洞现象,因此在进行整体抗浮作用效应分析中,也应取该部位作为隔离体进行抗浮验算,即建筑物抗浮计算同时要满足整体和局部两种稳定性要求。


  2 建筑物抗浮作用效应主要参数分析计算

   由上述分析可知,无论是整体稳定性验算,还是局部稳定性验算,作用在隔离体上的力分别为向上的地下水对建筑物地下室的水浮力标准值和向下的结构自重及其上作用的永久荷载标准值(压重)的总和。

   地下水对建筑物地下室的水浮力标准值计算的基本原理就是按照阿基米德定律:即物体所承受的浮力等于它所排开的等体积水的重量,按式(2)计算。

  

   式(2)中除抗浮设计水位由地勘报告提供外,其它参数均有建筑平面和竖向设计确定。又根据图2的建筑平面和竖向设计,采用结构设计计算机软件通过建模分析计算,就可求得式(1)中计算参数G。因此由式(1)可知:地下水位的判断与预测对抗浮设计极为关键,不仅影响建筑物竖向设计和设计基准期内建筑物的稳定及正常使用,还对投入成本产生影响,因此地勘单位一定要本着科学严谨的态度,提供抗浮水位计算参数。

   由式(2)可知,对于位于同一基底标高整体筏板基础上不同结构形式的建筑物,进行抗浮整体和局部稳定性验算时,水浮力(hγw)在基底下均匀分布;而在进行局部稳定性验算时,G 应取缺层或大范围楼板缺失开洞现象部分建筑物垂直投影面积 A 上结构自重及其上作用的永久荷载标准值(压重)的总和。

  工程实践和研究表明:式(2)对于静止(稳定)水位以下的饱和透水性土层(俗称粗颗粒土)较为适用 [7] 。工程设计实际中,图2中基底以上通常分布有不同土层,且基底上下分别有层间潜水和承压水的情况,以下通过对近年来基础抗浮设计中有关水浮力计算理论的考察和梳理,探讨分析不同含、隔水层地基水浮力较为适用的计算方法。


  3 基底位于不同含、隔水层地基水浮力较为适用的计算方法

   影响土体渗透性(透水性)的因素很多,且也比较复杂。因此在进行地基水浮力计算时,为简便和实用起见,将地基土层构成划分为透水层和不透水层两大类,即所谓的含水层地基和隔水层地基。前者一般指的是透水性较好的粉、细、中、粗砂和砾、碎石层(即俗称粗颗粒土,其渗透系数≥1.0 m/d)地基;后者一般指的是弱透水性的粉、粉质黏和黏土层(即俗称细颗粒土,其渗透系数<0.1 m/d)地基,其含水量状态介于饱和非饱和之间。

   上述对地基土的两种定义,其含义在于考虑垂直向下渗流作用时,前者不考虑水头损失,浮力计算遵循静水压力规律;后者由于其状态介于饱和非饱和之间,其孔隙中含水垂直向下渗流时,任意位置处的水压力均为0,也就是层顶至层底的孔隙水压力分布为直线,大小为0。即在粗颗粒层(含水层)中浮力只由本层水测管水头决定;而在细颗粒层(隔水层)中则与其上层水及下层水之间关系有关。图3为根据渗流作用确定的不同含、隔层水情况下孔隙水压力分布示意图 [7] 。

  

   根据图3孔隙水压力分布,当图2中的基底位于图3中不同含、隔水层中的深度分别为d1 ~d5 时,通过上下边界线性内插,即可得到图2中基底位于图3中不同位置地基水浮力 S的计算方法,见表1,表1中γw的符号意义和取值同前,其它符号意义见图2且单位均为m。

  

   作者认为表1中地下水对建筑物地下室的水浮力标准值计算公式,既考虑了土的渗透性影响,又考虑了水的渗流作用影响,不失为一个较为切合实际的水浮力计算方法,计算结果可作为式(1)进行整体和局部两种稳定验算的依据。

   以上探讨分析了地下水对建筑物地下室所产生水浮力标准值( S )大小较为切合实际的计算方法。由以上建筑物抗浮设计受力分析可知:当G/S<1.05 时建筑物就会浮起。工程实践又表明:建筑物浮起对其整体和局部稳定产生不利影响。因此为保证结构安全和正常使用,需要采取必要的抗浮措施。以下通过对建筑物因上浮所产生的破损案例进行归纳总结分析,并根据结构设计计算理论,分析探讨建筑物抗浮措施的设计计算方法。


  4 建筑物地下室上浮破损案例和抗浮措施设计计算方法探讨

  4.1 建筑物地下室上浮破损案例分析

   通常高层建筑物周边相邻的裙房、下沉式广场、地下车库、地下商场等辅助建筑物,当柱荷载不大、柱距较小且等距时,采用无梁等厚筏板,简称平板式筏形基础;当柱荷载较大而均匀且柱距较大时,为提高筏板的抗弯刚度,沿柱网的纵横轴线布置肋梁,形成梁板式筏形基础,如图 4 所示。图 4 将肋梁设置在筏板上方(简称上反梁),既方便施工,又可加强柱基,同时又能在格构间通过配置素(钢渣)混凝土以平衡水浮力(不考虑水浮力时采用架空室内地坪做法),此做法工程上较为通常。对于柱荷载较大而均匀且柱距较大的情况,工程上也有采用对平板式筏形基础柱下局部加厚的做法。

  

   上反梁梁板式筏形基础是由短梁、长梁(或等长梁)和筏板组成的双向板体系,与楼盖不同的是底板的荷载为向上的地基土反力,受力分析视地基土和结构刚度、柱网和荷载分布及筏板刚度等情况,常采用所谓倒楼盖法的简化计算模型或弹性地基梁方法。工程设计实践表明:采用该设计计算方法可满足高层建筑物周边辅助建筑物的结构整体稳定和使用要求 [8] ,同样平板式和平板式柱下局部加厚基础设计计算理论也较为成熟 [1] ,限于篇幅不再赘述。而近年来屡屡出现因上浮而导致高层建筑物周边的辅助建筑物地下室结构构件产生不同程度的破损,危及其安全和正常使用。经对破损案例梳理和归纳总结分析,发现造成破损事故的主要原因和建筑物地下室结构构件破损特征主要有以下几点:

   (1)虽然地下水位低于基础埋深,但由于施工期间雨季排水措施不到位,基坑周边回填土不及时或达不到设计密实度要求,加之基坑开挖卸荷后地基土处于回弹状态,当遇强降雨时大量雨水渗入膨胀土体中,使地基土饱和形成“池塘效应”,所产生浮力远大于通常的水浮力。

   (2)地下水位高于基础埋深,对采用配重措施平衡地下水浮力的抗浮设计,施工初始阶段有基坑支护、止水、降水等措施,基坑内基本无水,不存在上浮问题。而往往在格构间配重材料和顶板上部覆土未完成情况下,基坑内的降水措施失修或盲目取消,导致基坑外周边水位上升, 使水浮力急剧增加。

   (3)设计基准期抗浮设防水位确定有误,导致建筑物在使用阶段由于地下水位上升而产生破损。

   (4)建筑物地下室因上浮导致的破损事故主要有两个特征,一是当地下水浮力较小,仅导致底板隆起出现裂缝;二是当地下水浮力远大于抗浮临界水浮力,将会使地下建筑物整体浮起, 导致梁柱节点处开裂、错位、局部混凝土压碎及底板和顶板破坏。

   鉴于因水浮力造成建筑物地下室结构构件产生不同程度的破损的原因既有施工措施不到位因素,又有荷载、抗力及地下室底板结构的分析计算方面的因素。因此在建筑物地下室施工过程中,首先做好拟建建筑物基坑周边地面硬化及基坑周围污水、上下水管线的排查工作,完善雨季排水和地下管线漏水止水措施;二是加强施工过程中的降水管理,特别在地下室底板、外墙浇筑完毕,室外已进行回填而部分荷载未完成的阶段,严格按照设计要求的降水期限进行定期定量降水。以下主要分析探讨排除施工不利因素的建筑物抗浮设计计算方法。

  4.2 建筑物地下室抗浮设计计算方法分析探讨

   由式(1)可知:当水浮力超过结构自重不多时,可以采用增加配重的方法,进行主动抗浮。利用地下室顶板及覆土的重量,在地下室底板上回填容重较大的钢渣混凝土,均可以增加配重。由于该方法需要增加地下室埋深,水浮力也会随之增加,因此仅适用于净水浮力不大的情况。此外,在保证地下室外侧回填土质量前提下,还可以通过增加基础底板挑边长度,利用底板周边土体提供下压重力。

   而当水浮力超过结构自重较多时,通常采用将建筑物底板锚固于下卧地层的做法,进行被动抗浮。即建筑物根据其使用功能进行结构设计计算,而将超出常规的结构自重和其上压重部分的水浮力通过锚固力平衡,以保证结构稳定。因此在建筑物抗浮设计受力分析中,需要满足式(3)要求。

  

   式中G、R和K符号意义同式(1),R为单根锚固体提供的锚固力。工程实践中锚固体通常采用抗拔桩和抗拔锚杆两种工艺,由于两种工艺属于被动抗浮,发挥作用需要一定的向上位移,因此抗拔桩和抗拔锚杆既要满足式(3)对建筑物的稳定要求,又要使水浮力产生的垂直位移限值满足建筑物的正常使用以及抗浮措施的长期可靠性。

   抗拔桩所提供的抗拔承载力主要取决于桩体结构材料强度及桩与土之间的抗拔侧阻力。试验研究表明:桩相对于土向上运动,桩周土产生的应力状态、应力路径和土的变形都有别于抗压桩,其所产生的锥形剪切面导致抗拔侧阻力一般小于抗压侧阻力,因此在采用桩侧表面抗压侧阻力计算桩抗拔承载力时,应乘以抗拔折减系数 [3] 。相较于抗拔桩,抗拔锚杆成孔填充体水泥浆或水泥砂浆是通过一定压力从孔底向上注入形成,注浆会使抗拔锚杆土间界面的几何和力学条件得以改善,其过程有加固钻孔周围岩层或土体功效,故抗拔锚杆抗拔承载力估算公式中的侧阻力计算参数取值大于抗拔桩 [9] 。抗拔桩和抗拔锚杆的抗拔承载力特征值估算方法和估算参数取值分别见文献[3,9]。由于对抗拔桩和抗拔锚杆侧抗拔摩阻力的发挥机理及估算方法研究尚且不够,采用文献[3,9]所估算的抗拔承载力特征值也没有反应与垂直向上位移的相对关系,因此通常通过抗拔荷载试验确定抗拔桩和抗拔锚杆的抗拔承载力,特别是以上浮变形进行控制设计和通过锚固体、基础底板、上部结构共同受力分析时,抗拔荷载试验尤显重要。

   图5分别为北京地区某卵石层(抗拔锚杆直径150 mm,设计长度8.2 m)和粘土层(抗拔锚杆直径200 mm,设计长度11.25 m)场地中两根普通抗拔锚杆典型抗拔试验曲线图。图5大致揭示了普通抗浮锚杆在粘性土(包括粉、粉质黏及黏土层)和粗颗粒土(包括粉、细、中、粗砂及砾、碎石层)中的荷载与变形特性,即在粘性土中锚固力发挥需要较大变形,而在粗颗粒土中锚固力发挥需要的变形相对较小,其主要原因就是因为注浆对抗拔锚杆粘性土间界面的几何和力学条件改善甚微,而粗颗粒土的改善相对较为显著。根据普通抗拔桩和抗拔锚杆相关试验资料推算,由于在粘性土(包括粉、粉质黏及粘土层)中,普通抗拔桩和抗拔锚杆的桩体和杆体结构不同,且普通抗拔锚杆的杆体截面相对较小,杆体弹性变形占总上拔位移比例较大,因此普通抗拔锚杆抗拔试验曲线不能真实反映注浆体与地层间的粘结强度,同一地层、相同长度的普通抗拔桩在相同变形时,所提供的抗拔承载力提高幅度大于两者的直径之比,因此一般在粘性土(包括粉、粉质黏及黏土层)中通常采用普通抗拔桩;而在粗颗粒土(包括粉、细、中、粗砂及砾、碎石层)中由于注浆对抗拔锚杆体与粗颗粒土间界面的几何和力学条件改善效果明显,因此一般在粗颗粒土(包括粉、细、中、粗砂及砾、碎石层)中通常采用普通抗拔锚杆。为使桩(杆)上拔变形与土之间抗拔侧阻力相匹配,通常普通抗拔桩和抗拔锚杆设计直径分别采用Φ400~600和Φ150~200、设计长度8~11 m;当要求承载力高和上拔变形量小时,应采用增加设计长度的预应力抗拔桩和抗拔锚杆 [3,9] ,预应力抗拔锚杆可采用承载力随锚固段长度增大成比例增加的压力分散型锚杆 [9] 。

  

   在以往的建筑物地下室抗浮设计中,对于上部荷载差异较大的带裙房或纯地下室的高层建筑,当主楼采用天然地基或复合地基时,因考虑到变形协调的原因,裙房和纯地下室抗浮锚固体通常采用抗拔锚杆。此设计理念主要是基于当实际地下水位可能大大低于设防水位,而抗拔桩处于受压时不利于抗浮区域基础与非抗浮区域基础的变形协调,而把抗拔锚杆作为柔性拉杆考虑,可以随底板沉降一起自由压缩变形。作者认为此种做法有待商榷,主要理由是因为抗拔锚杆杆体水泥浆或水泥砂浆抗压强度与抗拔桩桩体混凝土抗压强度相当,所能承受的垂直压缩变形极小,且与抗拔桩相比,当受压时抗拔锚杆箍筋的约束作用极为有限,导致受压时荷载向下传递的深度很小,因此抗拔锚杆顶部如果受压杆体开裂问题与受拉相比更为严重,导致杆体破损,使得抗拔锚杆抗拔力受到损失,不利于抗浮稳定。相较于上述讨论的全长粘结型普通抗拔锚杆,部分粘结型预应力抗拔锚杆顶部虽然没有受压开裂问题,不难想象正是由于底板沉降将导致自由端杆体松弛而使预应力损失,致使上浮变形增大,同样也不利于抗浮稳定。因此无论是全长粘结型普通抗拔锚杆,还是要求承载力高、变形量小和锚固于较深处地层的部分粘结型预应力抗拔锚杆,如图6所示,都不能认为有调节地基变形的功能,其作用主要就是提供抗力以达到平衡水浮力目的。

  

   而工程设计实践和理论分析表明:抗浮区域基础与非抗浮区域基础的地基变形实际情况并非如此。如图7(图中P k 和P分别为相应于作用的标准组合和准永久组合时,基础底面处的平均压力值)所示,由于非抗浮区域P k1 较大,且其也与抗浮区域P k2 和P k3相差较悬殊,主楼高层部分一般为欠补偿基础,地基变形较大;而低层裙房建筑和纯地下结构部分一般为超补偿基础或很小的欠补偿基础,地基变形很小,主要由回弹再压缩引起的基础沉降

   因此,抗浮区基础与非抗浮区基础的变形协调主要是以控制主楼高层部分的基础沉降为主,其主要措施和方法是先通过在抗浮区域一侧设置沉降后浇带,如果主楼基础沉降较大难以通过设置沉降后浇带施工措施协调,进而对主楼地基基础采用地基加固效果显著的CFG桩复合地基或桩基础等方法。进行基础变形协调分析计算,应采用根据应力叠加原理、变刚度调平设计理论、考虑基底下不同土层厚度分布影响所编制的考虑上部结构—基础与地基共同作用影响计算机软件。由于采用计算机软件计算P k 和P没有扣除地下水对建筑物产生的浮力,因此在进行基础变形协调分析计算附加压力时基底以上自重应力计算均采用天然重度,主楼高层部分地基承载力验算时为偏于安全不考虑水浮力作用。又因相同应力水平时粉、细、中、粗砂及砾、碎石层地基压缩变形要小于粉、粉质黏及粘土层,所以无论是独立建筑抗浮设计还是主辅楼一起抗浮区域的抗浮设计,当地下水位远低于设防水位时,由于抗拔桩抗压性能优于抗拔锚杆,继而又充分证明普通抗拔桩和抗拔锚杆分别适用于基底下为粉、粉质黏及粘土层和粉、细、中、粗砂及砾、碎石层的情况,即当水浮力(S)小于结构自重及其上作用的永久荷载标准值(压重)的总和(G)时,只有在粉、粉质黏及粘土层的抗拔桩处于受压状态,而在粉、细、中、粗砂及砾、碎石层的抗拔锚杆,由于地基压缩变形很小,抗拔锚杆可不考虑受压影响,该工况下可分别按桩筏基础和普通地基基础进行基础底板结构内力和配筋计算,最后与设防水位工况的基础底板结构内力和配筋计算结果进行比较,取最不利结果进行抗浮区域基础底板结构设计。

  

  4.3 抗拔桩和抗拔锚杆的平面布置

   如前所述,对荷载差异较大的主—辅建筑体系,在进行地基基础抗浮设计前,在设置沉降后浇带施工措施的基础上,还可同时结合在主楼中采用 CFG 桩复合地基、桩基础和后注浆灌注桩基础等任意一种方法进行控制主楼沉降,并验算实现主辅建筑物变形相互协调 [1] 。

   选取具有代表性的柱网,首先通过式(3)计算该网格内的锚固体抗拔桩或抗拔锚杆的数量n≥(S-G/K)÷ R,再采用有限元分析计算软件根据抗拔桩或抗拔锚杆、基础底板、上部结构的共同受力分析确定抗拔桩和抗拔锚杆的平面布置。在运用有限元计算软件进行抗拔桩(抗拔锚杆)、基础底板、上部结构共同作用受力分析计算时,通常采用将柱压力(F)和水浮力(S)模拟为外荷载、将抗拔桩或抗拔锚杆约束模拟为弹性支座的计算模型。计算模型如图 8 所示,图中 k 为抗拔桩或抗拔锚杆的抗拔刚度;筏板基础的材料和几何尺寸首先通过满足强度要求确定,随之其刚度指标也已确定。通过有限元计算可得到筏板基础各截面的弯矩、剪力和变形,该计算既科学又先进,是目前抗浮设计较为常用的方法,也有各种成熟的程序可供使用。

  

   在上述确定抗拔桩或抗拔锚杆锚数量和采用有限元计算软件进行共同受力分析计算中,抗拔桩或抗拔锚杆的承载力特征值和抗拔刚度由抗拔桩或抗拔锚杆荷载试验曲线取得,抗拔桩或抗拔锚杆的承载力特征值和抗拔刚度( k )的物理关系见式(4),式中 R 符号意义同式(3), s 为抗拔桩或抗拔锚杆抗拔力为 R 时所对应的垂直竖向位移。

  k =s/R (4)

   与抗压桩实施点、线抗力平衡上部结构传来的柱或墙荷载,使板的厚度减薄为柔性薄板不同,而抗拔桩和抗拔锚杆平衡水浮力面荷载,因此要求基础底板构件不但具有足够的强度和刚度,还应具有抗弯、抗剪和抗冲切能力,同时根据地质情况确定了合理的抗拔桩或抗拔锚杆设计参数 k 后,在抗拔桩或抗拔锚杆、基础底板、上部结构的共同受力分析中,由于抗拔桩或抗拔锚杆的拉力根据基础底板刚度和抗拔桩或抗拔锚杆自身刚度进行分配,所以基础底板结构设计应尽量满足抗拔桩或抗拔锚杆均匀受力、并按图 9 和图 10 示意图均匀布置。图中 a 和 b 分别为抗拔桩或抗拔锚杆横向和纵向间距,其大小应满足文献 [3,9]要求。当实际地下水位可能大大低于设防水位时,对锚固体采用抗拔桩和抗拔锚杆的筏板基础还应分别按桩筏基础和普通地基基础进行基础底板结构内力和配筋计算,取和上述抗浮计算相比较后的最不利结果进行基础底板结构设计。

  

  

  4。4 抗拔桩和抗拔锚杆的耐久性设计

   抗拔桩作为钢筋混凝土受力构件和其它钢筋混凝土结构构件一样,设计使用年限内的安全性、适用性和耐久性均应得到满足。抗拔桩的耐久性设计主要是根据其所处的环境类别选用桩体混凝土材料和控制桩身最大裂缝宽度 [3] ,桩身最大裂缝宽度的计算方法等同于文献[10]中钢筋混凝土轴心受拉构件 [3] 。与钢筋混凝土轴心受拉构件任意截面上轴力Fn 均等于轴向荷载 F (如图 11 所示)不同,而抗拔桩桩身轴力沿桩长按式(5)进行分布 [11] ,如图 12 所示。

  244.png

  6622.png

   作者曾对所处的环境类别要求抗拔桩桩体混凝土强度等级为C30,分别对工程设计中常用的Φ400(单桩抗拔承载力特征值300 kN、350 kN 、400 kN ……900 kN,)和Φ600(单桩抗拔承载力特征值600 kN、650 kN、700 kN ……2000 kN)两种桩径、主筋均采用HRB335级钢筋、桩身最大裂缝宽度<0.2 mm进行设计计算分析,得出如下结论:(1)在满足普通钢筋混凝土构件耐久性要求最低混凝土强度等级为C30和桩身最大裂缝宽度不得超过0.2 mm时,其纵向受拉主筋的截面面积由耐久性要求控制,即配筋量取决于抗裂要求而不是承载力的需要,根据耐久性要求计算的抗拔桩纵向受拉主筋的截面面积是满足抗拔承载力要求纵向受拉主筋的截面面积的(2~2.5)倍;(2)当0.171 mm<裂缝宽度<0.200 mm时钢筋应力仅在(117~136)N/mm2 之间,远低于钢筋抗拉强度设计值 f v =300 N/mm2 ;(3)如果严格要求不产生裂缝,普通抗拔桩理论上难以实现。由此可见,普通钢筋混凝抗拔桩的抗裂能力非常低,加大配筋率对高承载力长桩而言,既有难度,也不经济。因此可通过设置部分无粘结预应力筋,对抗拔桩施加预应力,增强桩身抗裂性能,预应力筋布置可根据预应力的传递与与图12中桩身轴力沿桩长分布规律,进行应力分散型无粘结预应力设计 [11] 。

   钢材在土中的锈蚀是一个较复杂问题,国内外在大量工程调查分析基础上,通过统计分析对其锈蚀程度有了一定的认知,我国港口工程中统计的钢筋锈蚀率为0.1~0.2 mm /a[12] ,而土中钢材的锈蚀速率还要更小,据日本土质工学会的调查表明腐蚀速率最大部位平均不过 0.024 mm /a,因此为偏于安全考虑可将每10年2 mm的锈蚀厚度值作为根据设计使用年限需要增大钢筋直径依据。同时对全砂浆抗拔锚杆研究表明,如果将钢筋应力控制在100~150 N/mm2 ,也能有效防止发生过宽裂缝 [12] 。鉴于此,作者认为对于普通抗拔桩和抗拔锚杆的受力筋设计在满足式(6)的基础上,再根据设计使用年限选取增大直径并满足钢筋应力在100~150 N/mm2 之间的环氧涂层带肋钢筋,普通抗拔桩和抗拔锚杆也能保证耐久性和长期有效性。式(6)中 R 、fy 和As 分别为普通抗拔桩和抗拔锚杆抗拔承载力特征值、钢筋抗拉强度设计值和满足轴向拉力设计值(1.35 R )时全部纵向钢筋的截面面积。为优化设计,对于抗拔桩建议根据图12桩身轴力沿桩长分布规律进行分段配筋。

  1.35R≤fyAs (6)

   4.5 抗拔桩和抗拔锚杆抗拔承载力特征值确定

   通过以上对抗拔桩和抗拔锚杆的平面布置及抗拔桩和抗拔锚杆的耐久性设计分析探讨发现,抗拔桩和抗拔锚杆通过提供锚固力平衡超出结构自重和其上压重部分的水浮力时,既要满足抗拔桩和抗拔锚杆受力均匀,又要保证设计使用年限内抗拔桩和抗拔锚杆的耐久性和长期有效性。根据抗拔桩或抗拔锚杆、基础底板、上部结构的共同受力分析可知,实现抗拔桩和抗拔锚杆均匀受力,其实质就是控制基础筏板的整体挠度值,最终目的杜绝筏板基础因挠曲过大而出现裂缝。

   为控制整体倾斜和因挠曲出现裂缝,文献[1]规定高层建筑下大面积整体筏板基础,其主楼下筏板的整体挠度值不宜大于0。05%。筏板的整体挠度与地基变形密切相关,设计实践中为避免筏板因沉降导致的整体挠度值超过限制,将建筑物最终最大沉降量和筏板基础宽度方向两端点的沉降差与基础宽度之比应分别小于50 mm 和0。0015作为地基变形控制要求 [8] 。相较于高层建筑筏板基础,需要进行抗浮的独立建筑或主辅楼一起的辅助建筑的筏板基础,不但厚度较薄,一般400~500 mm厚,而且上部结构对基础的刚度贡献刚度也较小,并由上述的随着地下水浮力增大,底板从隆起出现裂缝到地下建筑物整体浮起, 导致梁柱节点处开裂、错位、局部混凝土压碎及底板和顶板破坏特征可知,锚固体在满足整体稳定的前提下,同样严格控制上浮位移量和因上浮变形致使挠曲过大导致基础底板开裂也是建筑物抗浮设计的关键,即建筑物抗浮设计最终归结为如何根据抗拔桩和抗拔锚杆荷载试验曲线选取抗拔承载力特征值,所选取的抗拔承载力特征值和抗拔刚度,既能满足整体稳定要求,也要满足建筑物的正常使用。

   图13是预应力抗拔桩或抗拔锚杆和非预应力抗拔桩或抗拔锚杆应力-位移特征曲线,对于同一地质情况中相同几何形式的普通抗拔桩(或抗拔锚杆)和预应力抗拔桩(或抗拔锚杆),当提供同样抗力时,预应力抗拔桩和抗拔锚杆上浮变形明显小于普通抗拔桩和抗拔锚杆,即对应于同样应力水平两者基础上浮变形有显著差别。因此对于承受较大水浮力作用的建筑物,可通过改善锚固体的受力机理,既使其能在较小变形时提供较大抗拔承载力,又可有效提高锚固体的耐久性。

  212.png

   工程设计实践中通常为有效控制基础上浮变形,在全长粘结型抗拔锚杆(普通抗拔锚杆)上端留一定长度的自由端,形成所谓的部分粘结型拉力型预应力抗拔锚杆,如图6所示。但设计实践中通过研究发现,与上部结构预应力构件两端均有锚固效果好的锚具不同,部分粘结型拉力型预应力抗拔锚杆另一端锚固于土体中,提供平衡预应力的锚固力时,抗拔锚杆与土体发生相对位移,使杆体出现松弛现象,从而导致预应力损失,因此无论在粉、粉质黏及粘土层中,还是在粉、细、中、粗砂及砾、碎石层中都很难保证预应力抗拔锚杆所施加应力的长期有效性。近年来工程技术人员基于后张法无粘结预应力混凝土技术,将无粘结预应力筋先固定于桩(杆)体末端,对同时配有非预应力钢筋的抗拔桩,根据桩身轴力沿桩长分布规律,也可将无粘结预应力筋先分散固定于桩体不同位置 [3、11] ,最后在基础筏板顶进行张拉固定,在水浮力作用前,桩(杆)体处于预应力筋内力与桩(杆)体内力自相平衡的自应力状态;在水浮力作用下,桩(杆)体通过自下而上传递侧摩阻力提供抗力时,桩(杆)体处于受压状态,桩(杆)体不易开裂。采用该工艺既有效地提供和桩(杆)与土之间抗拔侧阻力相匹配的承载能力、减少上浮变形,又增强了桩(杆)体的耐

  久性。

   由以上分析可知,抗拔桩和抗拔锚杆抗拔承载力,既与其和土之间抗拔侧阻力有关,又与筏板基础对上浮变形控制有关。通过改善锚固体的受力机理,不但能减少上浮变形和充分发挥土体的抗拔侧阻力,又能增强锚固体的耐久性和长期有效性。

  4.6 抗拔桩和抗拔锚杆与上部结构基础连接

   抗拔桩和抗拔锚杆与基础底板连接形成整体,既要满足锚固传力要求,又要满足节点防水构造要求。抗拔桩和抗拔锚杆与基础底板的连接节点,是防水体系相对薄弱环节,经广大工程技术人员实践探索并经实际工程验证,普通抗拔桩和抗拔锚杆及预应力抗拔桩和抗拔锚杆与上部结构筏板基础连接通常采用图 14 做法。由图 14 可知,相较于普通抗拔桩和抗拔锚杆防腐采用加大钢筋截面及防腐涂层处理、桩(杆)头部直接浇筑在混凝土底板内简单的施工工艺和防水方法,预应力抗拔桩和抗拔锚杆的施工工艺和防水方法相对较为复杂,工程实践表明,与前者相比,后者经常因施工措施不到位原因,在连接接头处发生渗漏和达不到设计预期效果等现象。因此在技术设计方案安全可靠的前提下,保证施工质量也是抗浮措施得以有效实施的关键。

  441.png

  

5 建筑物抗浮设计

   由式(3)和上述对地下水浮力分析计算可知:建筑物的抗浮技术措施可分为抗、躲、放三种方式,即通过增加配重或提供锚固力、调整基底标高和阻排降地下水,以平衡、降低和消除水浮力所产生的影响,通常采用以下五种方法:①增加配重法,即通过加大结构自重、加大基础厚度、增加覆土厚度以及采用钢渣等高重度材料压重等方法;②采用抗浮桩锚方法,即采用抗浮桩锚将建筑物底板锚固于土层中,以抵抗水浮力作用所产生的垂直位移和保证建筑物整体稳定;③调整基底标高或将基底置于弱透水层,以减少地下水浮力;④通过地基处理或帷幕阻隔地下水;⑤释放水浮力法,即通过设置排水层,抽水井以及自动控制系统,动态控制地下水。基于建筑使用功能要求、地质条件限制、后期维护及长期实施的综合性价比考虑,工程设计实践中较为常用的抗浮措施有增加建筑物配重和通过基底下的锚固体提供抗力平衡水浮力两种方法。在结构竖向设计初步完成后,通过结构建模分析计算,并结合上述建筑物水浮力分析计算方法,分别计算出计算出G和S(G和S符号意义同前)。当G/K≥ S时,不必采取抗浮措施;当G/K< S,且G/K 与S相差不大时,在不影响建筑功能的情况下,抗浮措施可通过增加配重方法实施,该方法简称为结构抗浮法,也称主动抗浮法;而当G/K< S,且G/K 与S相差较大时,抗浮措施考虑采用抗拔桩或抗拔锚杆的被动抗浮法,也称建筑物地下室基础抗浮设计,通常简称为建筑物抗浮设计。所谓建筑物抗浮设计就是根据抗拔桩(或抗拔锚杆)、基础底板、上部结构的共同作用受力分析理论,采用有限元分析计算软件,确定抗拔桩和抗拔锚杆的平面布置和进行基础底板结构设计的过程。

  其主要设计步骤如下:

   (1)建筑物抗浮设计包括独立建筑抗浮设计和主辅楼一起抗浮区域的抗浮设计。对于后者在进行抗浮设计前,通过设置沉降后浇带施工措施或同时在主楼中采用CFG桩复合地基或桩基础(或后注浆灌注桩基础),首先实现主辅建筑物地基变形相互协调。

   (2)根据基底下土层分布情况,选用锚固体形式和通过抗拔荷载试验确定锚固体抗拔承载力及抗拔刚度。当普通抗拔桩和抗拔锚杆无法实现与桩(杆)侧摩阻力提供的抗力相匹配的建筑物上浮控制变形时,可通过将无粘结预应力筋先固定于桩(杆)体末端(对同时配有非预应力钢筋的抗拔桩,根据桩身轴力沿桩长分布规律,也可将无粘结预应力筋先分散固定于桩体不同位置)、最后在基础筏板顶进行张拉固定施加预应力的方法,变前者的被动提供抗力为后者的主动提供抗力形式。由图13可知,在同一地质构成中与相同几何尺寸的普通抗拔桩和抗拔锚杆相比,预应力抗拔桩和抗拔锚杆在通过桩(杆)侧摩阻力提供锚固力的同时,也能有效地控制建筑物上浮变形和提高桩(杆)体的耐久性和长期有效性。

   (3)根据锚固体抗拔承载力、地下水对地下建筑物的水浮力和结构自重及其上作用的永久荷载标准值(压重)的总和,确定锚固体数量和布置。在运用有限元计算软件进行锚固体(抗拔桩或抗拔锚杆)、基础底板、上部结构共同作用受力分析计算时,通常采用将柱压力和水浮力模拟为外荷载、将锚固体约束(抗拔桩或抗拔锚杆)模拟为弹性支座的计算模型。又基于锚固体的抗拔刚度与承载力特征值具有线性关联性,而锚固体的拉力根据基础底板刚度和锚固体自身抗拔刚度进行分配,因此当基础底板刚度(基础一般采用400~500 mm厚的平板式筏形基础、平板式筏形柱下局部加厚基础、沿柱网纵横轴线布置肋梁梁板式筏形基础)一定时,锚固体所承受的拉力和平面布置及其抗拔刚度有关,平面布置通常采用图9和图10的矩形均匀布置,因此可在荷载试验曲线弹性范围内反复选取承载力特征值和抗拔刚度和调整矩形均匀布置,最终使锚固体平面布置在满足静力平衡的同时,也使抗拔桩或抗拔锚杆受力基本均匀。

   (4)对上述采用抗拔桩和抗拔锚杆筏板基础底板考虑水浮力作用的结构配筋设计,分别按不考虑水浮力作用的桩筏基础和普通地基基础进行验算,相互比较后,筏板基础底板结构设计取最不利结果。


  6 结语

   (1)地下水位的判断与预测对抗浮设计极为关键,直接影响投入成本的合理性和设计基准期内建筑物的稳定及正常使用。目前对抗浮水位取值争议较大,地勘单位一定要基于科学严谨的态度,提供抗浮水位计算参数,同时建议政府主管部门组织相关领域专家学者,编制规范设计工程行为的主导性设计技术细则。

   (2)对于拟建场地的不同含、隔水层地基,地下水对建筑物地下室的水浮力标准值计算在基于阿基米德定律的基础上,还应考虑渗流作用影响以确定不同含、隔层水情况下孔隙水压力分布,基底处的水浮力大小通过上下边界线性内插确定。

   (3)对荷载差异较大的主—辅建筑体系, 由于主楼高层部分一般为欠补偿基础,地基变形较大,而低层裙房建筑和纯地下结构部分一般为超补偿基础或很小的欠补偿基础,地基变形很小,因此抗浮区基础与非抗浮区基础的变形协调主要是以控制主楼高层部分的基础沉降为主。在设置沉降后浇带施工措施的基础上,还可同时结合在主楼中采用 CFG 桩复合地基、桩基础和后注浆灌注桩基础等方法之一,实现主辅建筑物变形相互协调。

   (4)导致底板隆起出现裂缝是因基础底板挠曲过大所致。在抗拔桩或抗拔锚杆、基础底板、上部结构的共同受力分析中,抗拔桩或抗拔锚杆承载力特征值和抗拔刚度选用、抗拔桩或抗拔锚杆平面布置以及基础底板结构设计,应尽量满足抗拔桩或抗拔锚杆受力均匀的要求。

   (5)建筑物抗浮设计分主动抗浮法和被动抗浮法。主动抗浮法通过增加配重方法实施;被动抗浮法采用抗拔桩或抗拔锚杆将建筑物底板锚固于下卧地层,普通抗拔桩和抗拔锚杆分别适用于基底下为粉、粉质黏及粘土层和粉、细、中、粗砂及砾、碎石层,设计长度为 8~11 m,桩(杆)体配筋采用环氧涂层带肋钢筋,并使钢筋应力控制在 100~150 N/mm2之间;当要求承载力高、变形量小时,应采用增加设计长度的预应力抗拔桩和抗拔锚杆,预应力抗拔锚杆可采用承载力随锚固段长度增大成比例增加的压力分散型锚杆。

   (6)在建筑物施工期间,对雨水、地下水及地下管线漏水,采取可靠的排、降和止水措施,杜绝地下水位急剧上升,以及严格控制抗拔桩和抗拔锚杆与上部结构基础连接节点的施工质量,都是保证建筑物抗浮稳定和正常使用的关键。

  参考文献:

  [1] 建筑地基基础设计规范(GB50007-2011)[S]. 北京: 中国建筑工业出版社. 2011.

  [2] 建筑地基处理技术规范(JGJ79-2012)[S]。 北京: 中国建筑工业出版社, 2012。

  [3] 建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.

  [4] 陈大川等. 某体育馆地下室上浮事故的分析及加固处理[J]. 工业建筑, 2010, 40(6): 123-126.

  [5] 徐春国. 地下室上浮开裂事故的鉴定与加固处理[J]. 建筑结构, 2002, 11: 26-28.

  [6] 刘文竞等. 某地下室上浮事故的检测鉴定及加固处理[J]. 工业建筑, 2010, 40(6): 127-130.

  [7] 李广信等. 浮力计算与粘土中的有效应力原理[J]. 岩土工程技术, 2003, 2: 63-66.

  [8] 党昱敬. CFG 桩复合地基与钢筋混凝土筏板基础设计[J]. 建筑结构, 2016, 4 下: 55-63.

  [9] 岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范(GB50086-2015)[S]。 北京: 中国计划出版社, 2015。

  [10] 混凝土结构设计规范(GB50010-2010)[S]。 北京: 中国建筑工业出版社, 2010。

  [11] 党昱敬。 拉力分散型预应力混凝土抗拔桩设计[J]。 建筑结构, 2006, 10: 43-45。

  [12] 崔京浩, 崔岩。 锚固抗浮问题的几个关键问题[J]。 特种结构, 2000, 17(1): 9-17。

    申明:内容来自用户上传,著作权归原作者所有,如涉及侵权问题,请,我们将及时处理!

  • 收藏0

  • 打赏0

分享至:

评论 文明留言,专业沟通

请先 登录,再评论!

  • 2020年01月14日 03:11:36 2楼

    学习了,受益不浅,谢谢楼主。

    回复 举报 点赞
  • 2020年01月14日 09:55:16 3楼

    学习了,受益不浅,谢谢楼主。

    回复 举报 点赞
  • 2020年01月16日 09:06:36 4楼

    由于这些辅助建筑物结构自重较轻

    回复 举报 点赞
相关推荐
加载更多资料

关注 私信

扫码下载官方APP

TA的关注
相关标签
上传
上传
请选择删除原因