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抗浮锚杆设计施工中有关问题的探讨高岩川中国建筑西南勘察设计研究院有限公司2014年6月目录前言抗浮设计和施工中存在的问题有关地下室上浮破坏的一些案例及原因分析有关地下室抗浮问题的一些思考前言如今的高层建筑多采用高层塔楼带大底盘地下室的建筑形式，在地下水位较高的场地，无上部高层结构的纯地下室部分就存在抗浮问题，此时，一般可采用地下室配重、增设抗浮锚杆或抗拔桩的方式来解决地下室的抗浮问题，而其中的增设抗浮锚杆的方法是一种相对经济有效的解决方法。但近几年，随着抗浮工程的越来越多，一些因抗浮不到位或对抗浮认识不足而产生的地下室上浮从而造成地下室楼板、梁或上部结构梁、板、柱产生裂缝，均对整体工程产生了较大的影响。这里就抗浮锚杆设计和施工中存在的一些问题和大家一起商讨学习。抗浮设计和施工中存在的问题一、抗浮设计中存在的主要问题这里所说的抗浮设计是指建筑结构设计层面的抗浮设计。防止地下室整体上浮我们通常采用两类做法：一类为“压”，一类为“拉”。所谓的“压”就是结构上采用的抗浮措施，即当采用“压”的做法时，则是利用建筑的自重(包括结构及建筑装修、上部覆土等，不含楼面活荷载)平衡地下室水的总浮力。当不能平衡时，必须增加“拉”的做法，即采用抗浮桩或抗浮锚杆等来抵抗地下水的浮力。无论是“压”还是“拉”的做法，都必须进行整体抗浮验算，保证抗浮力(压重+抗拉力)大于水的总浮力。抗浮设计和施工中存在的问题此外，还有就是采用释放水浮力法来进行抗浮：即在基底下方设置静水压力释放层，使基底下的压力水通过释放层中的透水系统(过滤层、导水层)汇集到集水系统(滤水管网络)，并导流至出水系统后进入专用水箱或集水井中排出，从而释放部分水浮力。存在的主要问题是：1、重视地下室的梁、板、柱、墙的结构构件设计，忽视整体抗浮验算分析，忽视施工的抗浮措施；2、地下室底板裂缝、漏水，甚至成为地下游泳池，把某些实质上是因为地下水的作用远大于设计荷载而造成的工程事故，错判为温度应力作用、砼施工质量等；抗浮设计和施工中存在的问题3、对于基地为不透水土层的地基(坚硬粘土、基岩)，深基坑支护又采用了止水帷幕或桩、锚、喷射混凝土联合支护，忽视水的浮力。4、有些设计人员只对地下室底板的梁、板、墙在地下水浮力荷载作用下的的强度计算，未做整体的抗浮认真分析，特别是独立地下室、水池等，造成地下室整体上浮，给地下室结构带来严重破坏，难以进行复原处理。这里特别强调的是，地下室的抗浮设计应进行整体抗浮和局部抗浮验算。整体抗浮验算，就是上述所说的保证抗浮力大于水的总浮力。局部抗浮验算，除了梁板墙柱结构构件的强度验算、变形验算和裂缝验算，还应包括局部的抗浮验算，对于大面积地下室上建有多栋高层和低层建筑，建筑自重不均匀，当上部为高层或恒荷载较大时，该范围的整体抗浮能力可能较高，但上部没有建筑或建筑层数不多的局部范围，特别应进行分区、分块的局部抗浮验算，如：柱、桩、墙的抗浮设计和施工中存在的问题压力或拉力能否平衡它所影响区域里的水浮力总值。局部抗浮验算主要存在以下问题：1、设计利用上部结构自重抗浮，只计算上部结构总自重标准值大于总的水浮力设计值，就认为抗浮设计满足要求；既不分析其上部建筑荷载的分布，又未计算局部抗浮，局部范围因抗浮力小于水浮力，底板隆起，造成地下室及上部结构局部范围内大面积的破坏。2、设计在地下室底板计算中只验算强度不进行变形的裂缝宽度计算，造成底板产生裂缝，漏水严重。3、设计和施工人员对地表水作用认识不足，当地下室地基为不透水的岩土层、支护又严密的基坑，一般认为不存在水的浮力，因此造成施工期间或使用期间地下室上浮破坏的盲点，一旦暴雨来临，地面的地表水全流入基坑形成“脚盆”效应，即基坑为的“大脚盆”，地下室成为“小脚盆”，施工期间一旦未采取降排水措施就会将“小脚盆”浮起，使用期间若不将四周的回填土采用粘性土分层夯实形成止水层，也同样会产生“脚盆”效应。抗浮设计和施工中存在的问题4、设计和施工人员忽视施工对地下室抗浮的重要性，设计图纸对施工时抗浮措施的要求只字不提，施工人员在施工过程中不关注降水，没有采取降水措施或在抗浮结构未达到设计预定目标时就停止了降水，导致在施工期间产生地下室上浮破坏。目前在地下室采用抗浮锚杆的抗浮设计中，有下列两种不正确的方法：1）上部建筑结构荷重不满足整体抗浮要求，采用锚杆抗浮。其计算方法为：总的水浮力设计值/单根锚杆设计值=所需锚杆根数。具体做法：底板下(连柱底或砼墙下)满铺锚杆，水浮力全部由锚杆承担，即不考虑上部建筑自重，也不考虑地下室底板自重可抵抗水浮力的作用，保守且不合理。2）利用上部建筑结构自重和锚杆共同抗浮，其计算方法为：(总的水浮力设计值-底板及上部结构自重设计值)/单根锚杆设计值=所需锚杆根数。具体做法：将锚杆均匀分布在底板下(包括柱底或砼墙下)，锚杆间距用底部面积除所需锚杆根数确定。抗浮设计和施工中存在的问题上述两种抗浮设计方法，都出现了传力途径不清晰的错误。从理论上讲，不管采用“压”还是“拉”的方法抵抗水浮力，水的浮力都是均匀作用在底板上的，而结构抗浮力作用(除底板自重外)都具有不均匀性，并不是在整个地下室底板区域均匀分布的，可能集中在一个点上(即柱、桩和锚杆)或一条线上(即墙、梁)，因此，分析其传力途径尤为重要。如下图所示，由于与柱、墙相连的梁板一定范围内具有一定的刚度，水浮力可直接与上部结构自重平衡，而上部自重很难传递至远离梁、柱、桩、墙的区域。因此，上述第一种方法全部采用抗浮锚杆，上部结构自重为充分利用，造成浪费。第二种方法，减去上部建筑结构自重后的水浮力由锚杆平均承担，存在安全隐患，因为，中间纯底板区域的锚杆实际受力不会是减去上部自重的水浮力，上部建筑自重是集中在一个点(即柱)或一条线(即墙、梁)上的，一旦地下水达到抗浮设计水位，首先中间纯底板抵抗区域的锚杆破坏和失效，然后慢慢延伸至柱、墙、梁影响区域的锚杆，造成所有锚杆失效，最后底板隆起，梁板开裂破坏。抗浮设计和施工中存在的问题上抗浮设计和施工中存在的问题合理的做法是：抗浮力与水浮力平衡计算可分为两种区域：柱、墙、梁影响区域和纯底板抵抗区域。纯底板抵抗区域的计算方法应是抗浮锚杆设计承载力除以每平方米水浮力(减去每平米底板自重)，得到抗浮锚杆的受力面积；而柱、墙、梁影响区域应充分利用上部建筑自重进行抗浮，此时设计应验算传递的上部建筑自重能否平衡该区域的水浮力，此外，还应验算在水浮力作用下梁强度和裂缝是否满足要求。对于上述第二种抗浮设计方法，目前结构上按照底板的梁板采用倒置楼盖计算，即将自重均匀分布到底板上，保证水浮力传至柱上或墙上，自重不满足抗浮要求的部分，采用抗浮锚杆予以解决。二、抗浮锚杆设计中存在的主要问题（一）地下室抗浮水位的确定地下室抗浮水位的确定是一个很重要的问题，也是一个十分复杂的问题，拟建场地的地层分布及变化、场地水文地质条件的复杂多变性等，都给抗浮水位的确定带来了较大的问题，而抗浮水位又是地下室抗浮设计中一个决定性的参数，抗浮水位的正确与否对后期地下室的抗浮设计和施工中存在的问题抗浮设计和施工是至关重要的。根据《高层建筑岩土工程勘察规程》第8.6.2条，场地地下水抗浮设防水位的综合确定宜符合下列规定：1、当有长期水位观测资料时，场地抗浮设防水位可用实测最高水位，当无长期水位观测资料时，应按勘察期间实测最高水位并结合场地地形地貌、地下水补给、排泄条件等因素综合确定。2、场地有承压水且与潜水有水力联系时，应实测承压水位并考虑其对抗浮设防水位的影响。3、只考虑施工期间的抗浮设防时，抗浮设防水位可按一个水文年的最高水位确定。如上所述，抗浮水位的确定是一个十分复杂的问题，在抗浮水位的确定中还存在很多特殊的情况，对这些特殊情况应进行必要的分析和论证：一是地下水赋存条件复杂、变化幅度大、区域性补给和排泄条件可能有较大改变或工程需要时，应进行专门论证；二是对于斜坡地段的地下室或可能产生明显水头差的场地上的地下室的抗浮水位的抗浮设计和施工中存在的问题确定，应结合地下室(建筑物)的具体分布和场地内的地形地貌确定，不能笼统的确定一个远高于室外地坪的抗浮设防水位(既要考虑地下水渗流在地下室底板产生的非均布荷载对地下室结构的影响，也要考虑到水是往低处流的，若建筑物一侧或多侧是敞开的，水浮力不可能高出室外地坪)；三是在有水头压差的江、河岸边，且存在水力联系，则应按设计基准期的最高洪水位来确定其抗浮水位；四是对于雨水丰富的南方地区，尤其应注意因地面标高变化后对原抗浮水位的修正，防止产生地表水聚集效应对地下室的破坏。（二）抗浮锚杆设计中存在的一些问题的探讨1、有关的分项系数的取值目前在地下室抗浮设计中对于水浮力的分项系数和抵抗力的分项系数如何取值是一个很有争议的问题，我国不同规范对水浮力和抵抗力的分项系数有不同的取值，造成设计人员分项系数取值时的混乱。《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中第3.2.4条规定，抵抗水浮力的结构自重作为永久荷载，对结构有利组合时其分项系数rG取抗浮设计和施工中存在的问题1.0是无争议的，但水浮力是可变荷载，其分项系数rQ应该如何取值呢？在该条第3款：“对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，荷载的分项系数应满足有关的建筑结构设计规范的规定”。在查阅相关的结构设计规范中，民用建筑地下室及人民防空地下室均未涉及此项内容，只有《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）提到了冠以水浮力可变荷载的分项系数问题。《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）第5.2.2条和5.2.3条中比较清晰的表述了，对于抗浮结构的设计，地表水或地下水作用应是第一可变荷载，(1)在进行结构构件的强度计算时，它的分项系数取值为1.27；即在结构构件的强度计算时，水浮力的基本组合设计值为标准值乘上1.27。(2)当计算整体抗浮的稳定性时，抵抗力只计入永久荷载，水浮力采用标准值乘以抗力系数Ks(取1.05)。民用建筑地下室和给排水构筑物在使用功能上存在着一定的差异，但其水浮力的作用和结构的受力性能应是相似的，所以，在相关规范还没有作出明确规定之前，此规范的相关参数值得借鉴。(3)若设计者对抗浮水位存在质疑，应将水浮力按荷载规范中的永久荷载和可变荷载的方抗浮设计和施工中存在的问题法来确定分项系数。即根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）第3.1.1条的条文说明：“在建筑结构设计中，有时也会遇有水压力作用的情况，对水位不变的水压力可按永久荷载考虑，而水位变化的水压力应按可变荷载考虑”。是否可以理解为当抗浮水位平室外地坪时，水压力就不可能再增加了，视为不变的水压力，在验算抗浮时，水浮力为主要可变荷载效应来控制的组合，它的分项系数宜取1.20；当抗浮水位低于室外地坪，水压力有可能再增加，视为可变荷载，它的分项系数宜取为1.40。此外，在中国建筑标准设计研究院于2009年编制出版的《全国民用建筑工程设计技术措施－结构（地基与基础）》第七章基础抗浮设计中的7.3抗浮锚杆设计中，其分项系数采用的是1.35。2、有关抗浮锚杆设计中四种不同规范、规程及标准的设计计算比较我们在此将《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）---与其配套的是《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）、《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2002）、建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）、《岩土锚杆(索)技术规程》（CECS22:2005）以及《全国民用建筑工程设计技术措施－结构（地基与基础）》（2009年)四种规范、规程及标准中有关锚杆的设计计算公式列出，并依据相同的工程实例进行计算比较。2.1《岩土锚杆(索)技术规程》（CECS22:2005）抗浮设计和施工中存在的问题第7.4.1条钢锚杆的杆体的截面面积应按下式确定：（7.4.1）或Kt为锚杆杆体的抗拉安全系数，按7.3.2条选取；Nt为锚杆的轴向拉力设计值（KN）；fyk、fptk为钢筋、钢绞线的抗拉强度标准值（kPa）。第7.5.1条锚杆或单元锚杆的锚固长度可按下式估算，并取其中的较大