论文部分内容阅读
摘要：随着改革的深入，我国的经济得到不断的发展，建筑市场也得到了突飞猛进的发展，使得城市土地资源变得越来越稀缺，遂人们开始寻求地下空间的开发，而本文则向读者详细介绍带地下室建筑的基础设计、抗浮稳定验算及抗浮措施的一些问题。
关键词：地下室；基础设计；抗浮稳定验算；抗拔桩
1.工程概况及地质情况
工程案例：台山某居住小区的地下室，位于台山市台城镇城西，环市西路的南侧，总建筑面积36267m?；其中，地下室为单层车库与设备用房，面积为7208 m?，标准柱网为8mX8m，地上为12层钢筋混凝土框架剪力墙结构。地下室高度为4米，实际埋深相对回填完室外地面标高为-3.5m，钻探期间测得地下水位平均埋深为-2.1m，根据区域水文地质资料，常年地下水位变化幅度在1.5m作用；该建筑小区考虑后期园林绿化，在地下室顶板上考虑覆土厚度为0.6米。根据场地岩土工程地质报告，场地土层分布如下：填土层，土层厚度为1.20～4.20m深；软塑粉质粘土层，土层厚度为2.3～8.8米；粗砂层，土层厚度为1.2～8.8米；可塑粉质粘土层，土层厚度约7米；下部土层均为泥质粉砂岩层。
2.地下室抗浮水位及抗浮措施
2.1 地下水的作用：地下水不仅对钢筋及混凝土有腐蚀性，而且对基础及地下室底板起浮托作用，地下室水位高低将影响结构整体稳定计算及结构构件的配筋计算，是影响结构造价的重要因素，也关系到结构成本的直接因素。
2.2 建筑工程地下室抗浮设计水位，国家主要设计规范并没有明确。以下结合广东省《建筑地基基础设计规范》的规定，来讨论一下抗浮设计水位：1）地下水的设防水位按建筑设计使用年限内（包括施工期）可能产生的最高水位。2）计算地下室的浮托力时，不考虑地下室侧壁及底板结构与岩土接触面的摩擦作用和粘滞作用，除有可靠的长期控制地下水位的措施外，不应对地下水水头进行折减；3）结构基底面承受的水压力应按全水头计算。设计时还应根据地下水类型，各层土质地下水位补给、排泄条件，地下水的变化幅度等诸因素，来综合考虑抗浮设防水位。
2.3抗浮一般采用以下几种措施：
1）自重平衡法：采用回填土及容重较重的材料来衡水浮力。
2）抗力平衡法：通过设计抗浮锚杆或抗浮桩，来抵抗水浮力。
3）浮力消除法：通过设置明沟或暗沟来排水，使地下水位控制在设计预定的标高之内，来减小水浮力的影响；采用此方法主要注意盲水沟在施工和使用期间，不能堵塞，使得疏、排水系统能够正常有效的运转。
4）综合设计方法：同时采用以上两种及以上方法，来减少地下水的影响。见文献[1]一般工程应用中，如地下水位较高时，建筑物长时间受到水浮力的作用，从造价方面来考虑，宜采用自重平衡法，或设置抗浮桩或抗浮锚杆来抵抗水浮力；如地下水位较低时，建筑物受到水浮力较小或受水浮力时间间断性的，此时用浮力消除法较好。
3.基础设计与抗浮稳定验算
3.1基础选型的因素：工程基础设计时，应考虑以下因素：1）土层地质情况，作为设计人员应该仔细查看地质资料，并对该场地的地质情况做正确分析。2）根据建筑工程特点，结构荷载大小，跨度，层高来考虑墙、柱柱底内力。3）上部结构的刚度，不同类型的结构形式，结构整体性差别较大，结构对沉降敏感，结构变形要求较高的结构，应选择基础整体性较好的基础形式。4）周边建筑环境影响，距离其他建筑较近是，应该考虑基础施工对相邻建筑的影响。
3.2基础选型
根据拟建的建筑的岩土工程报告以及周边相邻建筑等因素，本場地适宜采用桩基础方案，又考虑到预应力管桩在台山地区已得到广泛应用；且水位低，水浮力小时，管桩可作受压桩；而水位高，水浮力大时，又可以兼作抗拔桩，避免采用其他抗浮措施，造成施工管理的不便，同时可缩短施工工期，从而达到较好的经济效益。
3.3抗压桩基础设计
本工程预应力管桩设计参数如下表1所示：
层
号 岩土层
名 称 土 的
状 态 标准值Nk
（击） 土 的
状 态 预应力管桩 抗拔系数λ
qpa（kPa） qsa
（kPa）
②1 填土 松散 松散 -- 15 0.5
②2 粉质粘土 软可塑 5.4 可塑 -- 20 0.7
②3 粗砂 稍密 10.0 稍密 -- 27 0.5
③ 粉质粘土 硬塑 17.0 硬塑 1600 40 0.7
④1 全风化泥质粉砂岩 坚硬 28.0 坚硬 2200 60
④2 强风化泥质粉砂岩 坚硬 49.2 坚硬 4000 110
桩基设计参数建议值表
抗压桩设计：根据土质情况以泥质粉砂岩做桩端持力层，采用桩径为400，桩净长取19米，桩入岩层1.5米，按《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008：Ra=u∑qsa*li+A*qpa，估算单桩竖向承载力特征值为1300kN，基础设计时按单桩竖向承载力特征值为1200 kN.。基础施工前，试压桩情况与设计相符，遂按此设计全面施工。
3.4 抗浮稳定验算
1）抗浮稳定验算时，根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011基础抗浮稳定时，作用效应按承载能力极限状态下的基本组合，但其分项系数为1.0。地下室顶板覆土600厚，采用压重抗浮时，按规范公式
Gk/Nw，k≥Kw 其中，Gk—建筑物自重及压重之和（kN）；
Nw，k—浮力作用值（kN）；
Kw—抗浮稳定安全系数，一般情况下可取1.05；
根据规范的条文，本公式为简单的浮力作用情况，抗浮稳定性不满足整体稳定时，可以采用增加压重或设置抗浮构件等措施。 2）针对本工程抗浮设计，按地质报告建议，抗浮设计水位可按室外回填完地面标高-0.6米，地下室底板埋深为-3.5米，抗浮设计水位为2.9米，Nw，k=2.9X10=29（kN/m?）；12层塔楼部分：按永久荷载作用下估算（按每层6.0 kN/m?），底板按350mm自重Gk=12X6+0.35X25=80.75（kN/m?），塔楼按恒载作用下，满足整体抗浮要求。纯地下室部分：采用井字梁框架结构，160mm厚顶板自重Gk1=0.16X25=4（kN/m?），井字梁及柱自重折算为Gk2=1.5（kN/m?），600厚覆土（容重按18 kN/m?）自重Gk3=0.6X18=10.8（kN/m?），底板按350mm自重Gk4=0.35X25=8.75（kN/m?），结构总自重Gk= Gk1+ Gk2+ Gk3+ Gk4=4+1.5+10.8+8.75=25.05（kN/m?），Gk/Nw，k=25.05/29=0.86<1.05，纯地下室部分需另设置抗浮构件来使抗浮整体稳定满足要求。
3）以纯地下室标准跨8mX8m来设计抗浮桩，由于地下水位是变动的，设计桩基础是，应该按最高水位来设计抗拔桩，最低水位或不考虑水浮力来设计抗压桩，进行包络设计。按荷载标准组合，每个柱承台下三桩即可满足竖向承载力要求，试按三桩来设计桩的抗浮承载力，单桩的抗拔承载力特征值Rt= Nw，k* Kw/n=（29*1.05-25.05）*8*8/3=115.2（kN），根据《预应力混凝土管桩图集》10G409所示：桩径400（95）AB型号桩身轴心受力承载力设计值达到536（kN），现设计桩的竖向抗拔承载力特征值250（kN），即可满足抗浮稳定设计要求；又根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008的公式：基桩的抗拔极限承载力标准值Tuk=∑λi qsik ui li，Rt=Tuk/2+Gp，按桩入土层净长19米，抗拔承载力特征值满足要求。
4.结语
带地下室的建筑，设计时比较复杂，考虑的因素也比较多，工程师应该按具体工程具体分析；根据地下水位的高低，应特别注意纯地下室部分和地面上楼层不多时的抗浮稳定验算及采取相应的抗浮措施；并结合基础和上部结构型式，采取经济合理的方案，保证结构安全和施工便利。
参考文献：
[1]《建筑结构设计问与答》——朱炳寅
[2]《建筑地基基础设计方法及实例分析》——朱炳寅 娄宇 杨琦
[3]《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008
[4]《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011
[5] 廣东省《建筑地基基础设计规范》DBJ 15-31-2003
[6]《预应力混凝土管桩图集》10G409
关键词：地下室；基础设计；抗浮稳定验算；抗拔桩
1.工程概况及地质情况
工程案例：台山某居住小区的地下室，位于台山市台城镇城西，环市西路的南侧，总建筑面积36267m?；其中，地下室为单层车库与设备用房，面积为7208 m?，标准柱网为8mX8m，地上为12层钢筋混凝土框架剪力墙结构。地下室高度为4米，实际埋深相对回填完室外地面标高为-3.5m，钻探期间测得地下水位平均埋深为-2.1m，根据区域水文地质资料，常年地下水位变化幅度在1.5m作用；该建筑小区考虑后期园林绿化，在地下室顶板上考虑覆土厚度为0.6米。根据场地岩土工程地质报告，场地土层分布如下：填土层，土层厚度为1.20～4.20m深；软塑粉质粘土层，土层厚度为2.3～8.8米；粗砂层，土层厚度为1.2～8.8米；可塑粉质粘土层，土层厚度约7米；下部土层均为泥质粉砂岩层。
2.地下室抗浮水位及抗浮措施
2.1 地下水的作用：地下水不仅对钢筋及混凝土有腐蚀性，而且对基础及地下室底板起浮托作用，地下室水位高低将影响结构整体稳定计算及结构构件的配筋计算，是影响结构造价的重要因素，也关系到结构成本的直接因素。
2.2 建筑工程地下室抗浮设计水位，国家主要设计规范并没有明确。以下结合广东省《建筑地基基础设计规范》的规定，来讨论一下抗浮设计水位：1）地下水的设防水位按建筑设计使用年限内（包括施工期）可能产生的最高水位。2）计算地下室的浮托力时，不考虑地下室侧壁及底板结构与岩土接触面的摩擦作用和粘滞作用，除有可靠的长期控制地下水位的措施外，不应对地下水水头进行折减；3）结构基底面承受的水压力应按全水头计算。设计时还应根据地下水类型，各层土质地下水位补给、排泄条件，地下水的变化幅度等诸因素，来综合考虑抗浮设防水位。
2.3抗浮一般采用以下几种措施：
1）自重平衡法：采用回填土及容重较重的材料来衡水浮力。
2）抗力平衡法：通过设计抗浮锚杆或抗浮桩，来抵抗水浮力。
3）浮力消除法：通过设置明沟或暗沟来排水，使地下水位控制在设计预定的标高之内，来减小水浮力的影响；采用此方法主要注意盲水沟在施工和使用期间，不能堵塞，使得疏、排水系统能够正常有效的运转。
4）综合设计方法：同时采用以上两种及以上方法，来减少地下水的影响。见文献[1]一般工程应用中，如地下水位较高时，建筑物长时间受到水浮力的作用，从造价方面来考虑，宜采用自重平衡法，或设置抗浮桩或抗浮锚杆来抵抗水浮力；如地下水位较低时，建筑物受到水浮力较小或受水浮力时间间断性的，此时用浮力消除法较好。
3.基础设计与抗浮稳定验算
3.1基础选型的因素：工程基础设计时，应考虑以下因素：1）土层地质情况，作为设计人员应该仔细查看地质资料，并对该场地的地质情况做正确分析。2）根据建筑工程特点，结构荷载大小，跨度，层高来考虑墙、柱柱底内力。3）上部结构的刚度，不同类型的结构形式，结构整体性差别较大，结构对沉降敏感，结构变形要求较高的结构，应选择基础整体性较好的基础形式。4）周边建筑环境影响，距离其他建筑较近是，应该考虑基础施工对相邻建筑的影响。
3.2基础选型
根据拟建的建筑的岩土工程报告以及周边相邻建筑等因素，本場地适宜采用桩基础方案，又考虑到预应力管桩在台山地区已得到广泛应用；且水位低，水浮力小时，管桩可作受压桩；而水位高，水浮力大时，又可以兼作抗拔桩，避免采用其他抗浮措施，造成施工管理的不便，同时可缩短施工工期，从而达到较好的经济效益。
3.3抗压桩基础设计
本工程预应力管桩设计参数如下表1所示：
层
号 岩土层
名 称 土 的
状 态 标准值Nk
（击） 土 的
状 态 预应力管桩 抗拔系数λ
qpa（kPa） qsa
（kPa）
②1 填土 松散 松散 -- 15 0.5
②2 粉质粘土 软可塑 5.4 可塑 -- 20 0.7
②3 粗砂 稍密 10.0 稍密 -- 27 0.5
③ 粉质粘土 硬塑 17.0 硬塑 1600 40 0.7
④1 全风化泥质粉砂岩 坚硬 28.0 坚硬 2200 60
④2 强风化泥质粉砂岩 坚硬 49.2 坚硬 4000 110
桩基设计参数建议值表
抗压桩设计：根据土质情况以泥质粉砂岩做桩端持力层，采用桩径为400，桩净长取19米，桩入岩层1.5米，按《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008：Ra=u∑qsa*li+A*qpa，估算单桩竖向承载力特征值为1300kN，基础设计时按单桩竖向承载力特征值为1200 kN.。基础施工前，试压桩情况与设计相符，遂按此设计全面施工。
3.4 抗浮稳定验算
1）抗浮稳定验算时，根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011基础抗浮稳定时，作用效应按承载能力极限状态下的基本组合，但其分项系数为1.0。地下室顶板覆土600厚，采用压重抗浮时，按规范公式
Gk/Nw，k≥Kw 其中，Gk—建筑物自重及压重之和（kN）；
Nw，k—浮力作用值（kN）；
Kw—抗浮稳定安全系数，一般情况下可取1.05；
根据规范的条文，本公式为简单的浮力作用情况，抗浮稳定性不满足整体稳定时，可以采用增加压重或设置抗浮构件等措施。 2）针对本工程抗浮设计，按地质报告建议，抗浮设计水位可按室外回填完地面标高-0.6米，地下室底板埋深为-3.5米，抗浮设计水位为2.9米，Nw，k=2.9X10=29（kN/m?）；12层塔楼部分：按永久荷载作用下估算（按每层6.0 kN/m?），底板按350mm自重Gk=12X6+0.35X25=80.75（kN/m?），塔楼按恒载作用下，满足整体抗浮要求。纯地下室部分：采用井字梁框架结构，160mm厚顶板自重Gk1=0.16X25=4（kN/m?），井字梁及柱自重折算为Gk2=1.5（kN/m?），600厚覆土（容重按18 kN/m?）自重Gk3=0.6X18=10.8（kN/m?），底板按350mm自重Gk4=0.35X25=8.75（kN/m?），结构总自重Gk= Gk1+ Gk2+ Gk3+ Gk4=4+1.5+10.8+8.75=25.05（kN/m?），Gk/Nw，k=25.05/29=0.86<1.05，纯地下室部分需另设置抗浮构件来使抗浮整体稳定满足要求。
3）以纯地下室标准跨8mX8m来设计抗浮桩，由于地下水位是变动的，设计桩基础是，应该按最高水位来设计抗拔桩，最低水位或不考虑水浮力来设计抗压桩，进行包络设计。按荷载标准组合，每个柱承台下三桩即可满足竖向承载力要求，试按三桩来设计桩的抗浮承载力，单桩的抗拔承载力特征值Rt= Nw，k* Kw/n=（29*1.05-25.05）*8*8/3=115.2（kN），根据《预应力混凝土管桩图集》10G409所示：桩径400（95）AB型号桩身轴心受力承载力设计值达到536（kN），现设计桩的竖向抗拔承载力特征值250（kN），即可满足抗浮稳定设计要求；又根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008的公式：基桩的抗拔极限承载力标准值Tuk=∑λi qsik ui li，Rt=Tuk/2+Gp，按桩入土层净长19米，抗拔承载力特征值满足要求。
4.结语
带地下室的建筑，设计时比较复杂，考虑的因素也比较多，工程师应该按具体工程具体分析；根据地下水位的高低，应特别注意纯地下室部分和地面上楼层不多时的抗浮稳定验算及采取相应的抗浮措施；并结合基础和上部结构型式，采取经济合理的方案，保证结构安全和施工便利。
参考文献：
[1]《建筑结构设计问与答》——朱炳寅
[2]《建筑地基基础设计方法及实例分析》——朱炳寅 娄宇 杨琦
[3]《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008
[4]《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011
[5] 廣东省《建筑地基基础设计规范》DBJ 15-31-2003
[6]《预应力混凝土管桩图集》10G409