地下结构抗浮设计中抗拔桩的应用

地下结构抗浮设计中抗拔桩的应用

王如意

河北人防工程设计研究院有限公司河北省石家庄050021

摘要：在地下水位较高的地下建筑结构设计中，要充分考虑其建筑结构的抗浮性能，如果建筑体自身的重力荷载不能满足地下建筑结构的抗浮需求，就会导致地下建筑结构产生上浮，进而引起地板开裂、墙柱开裂、倒塌等问题，严重危害建筑使用安全。因此，在进行地下建筑结构设计时，要采用必要的抗浮技术，根据实际工程中的地质条件选择抗拔桩桩型，提高基桩的抗浮能力。

关键词：地下结构抗浮设计；抗拔桩；应用

1导言

近年来，由于在地下结构设计、施工过程中低估了场地内的地下水，或是采取的抗浮措施不当，导致地下结构上浮破坏的事故并不少见。若设计中没有考虑抗浮问题或是设防水位取值偏低，低估地下水对结构的浮力作用，导致抗浮措施选取不当，水位上升后结构所受浮力变大，超过平衡后可能导致结构开裂、隆起、渗水，甚至失效浮起；另外虽然设计时抗浮满足要求，但是在施工期间采取措施不当，未及时回填土就停止降水或是填土料不符合要求，导致地下水位在雨后突然上升，也会促使结构上浮进而引起破坏，该类上浮破坏在已发生的上浮案例中所占比例最大。鉴于此，文章重点针对地下结构抗浮设计中抗拔桩的应用进行了分析，以供参考。

2地下结构抗浮设计理论研究

地下结构抗浮设计中的地下水指潜水面以下的重力水。地下水对岩土体的性能和水文地质有很大的影响，对位于地下水位下的结构产生浮托作用，地下水位上升可降低浅基础的地基承载力。某些地下水流动方式会导致土层中出现流砂、管涌和机械潜蚀现象，一些地下水还会对混凝土有腐蚀影响等。地下水的赋存状态随时间变化，并非一成不变，既有年变化规律，也有长期动态规律。

工程中多按地下水的埋藏条件来分类，根据含水层在土层中所处的位置及受隔水层限制的情况，将地下水分为上层滞水、潜水（台地、阶地、层间）、承压水，见图1。

上层滞水：在包气带局部不透水水层上，局部的、暂时性的具有自由水面的地下重力水。潜水：饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水称作潜水，具有自由水面。潜水位于地表以下第一个连续稳定的隔水层之上，没有或只有局部的隔水顶板，不承压或局部承压。承压水：埋藏在上下两个隔水层之间承受水压力的含水层中的地下水。承压水有隔水顶板和隔水底板，对隔水板有一定的压力，为上下透水层与承压水层的顶、底界面，上下界面间的垂直距离即该含水层厚度。承压水受外界环境影响较小，水量变化小且难蒸发，通常比较稳定。

上层滞水通常水量不多，随时间变化显著，所以在工程建设时，要分情况对待。上层滞水的分布范围与隔水层的厚度和面积相关，隔水层的厚度和面积均较小，则上层滞水存在时间短，该情况下进行地下结构抗浮设计时，可不考虑上层滞水的影响。如果隔水层的厚度和面积均较大，相应的分布范围及隔水层厚度、面积也会较大，这种情况下，要考虑上层滞水对地下结构的浮力。

潜水的分布极广，与地下结构建设的关系也最紧密。潜水含水层上部没有隔水层，直接与包气带接触，所以潜水位受大气降水、地表水、地面蒸发等影响，随季节变化，年水位变化幅度较大。地表高程改变后，潜水位随之变化，因此，一般情况下，地表大面积填土后地下水位随之上升，可按填土后的地面确定潜水位。如果填土超过6m，由于潜水位不会一直上升，此时可根据实测数据或专题研究确定；而小范围的局部填土只影响局部范围，可仍按附近场地地面高程确定潜水位。对于地势低洼的地区需考虑施工期内暴雨期间地面积水的不利影响。承压水有时会给地下工程、坝基稳定等造成很大困难。要证实承压水并不难，用钻孔揭露含水层，在水压作用下，水头上升到含水层顶板以上一定高度再稳定下来，静止水位较原来上升高度即承压水头。对地下结构的工程环境来讲，地下水是影响工程环境的重要因素，地下水的赋存状态将对工程结构承载能力、变形性状与稳定性、耐久性施加影响。

3地下结构抗浮设计中抗拔桩的应用

某建筑工程为住宅小区地下车库，地上无主体建筑，地下双层车库，地下一层层高3.7m，地下二层层高4.2m，基础底板厚450mm，车库顶板覆土厚度为2.1m，车库南北长66.3m，东西长44.6m，抗浮水位为室外地坪下1.8m。工程地质条件主要由杂填土、冲填土、亚黏土和粉质黏土构成，基础持力层为粉质黏土。由于基础埋设较深，其地下建筑架构自身无法满足抗浮性能要求，故选用抗拔桩作为抗浮设计措施。

3.1抗拔桩设计

抗拔桩的设计要满足《建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）》中的标准要求，在充分考虑实际工程的地质水文条件的基础上，确定单桩拔力、抗拔极限承载力、桩基自重、抗拔系数、桩侧周长等关键参数，并通过单桩上拔静载荷试验对抗拔桩设计是否满足抗浮需要进行检验。对基桩抗拔侧阻力与抗压侧阻力进行区分，由于在上拔过程中，基桩的抗拔侧阻力会因侧面积的减少和土层松动原因小于其抗压侧阻力，所以用工程地勘报告中的抗压侧阻力对基桩抗拔侧阻力进行确定，需要引入抗拔系数，及两者的比值。抗拔侧阻力主要有基桩周围土层的力学性质决定，一般灌注桩的抗拔系数大于预制桩，长桩的抗拔系数大于短桩。

3.2抗拔桩选型

抗拔桩的选型主要根据工程地质条件决定，在该工程案例中，地下车库结构的底板下为黏土类地基，应选用沉管灌注桩。如果是粉土和砂土类地基，则应选择钻孔灌注桩。若底板下为风化基岩或硬可塑黏土，则可以利用人工挖孔桩。可以采用扩底桩提高基桩的抗拔能力，钻孔灌注桩和人工挖孔灌注桩等都可以采用这种方式提高其抗拔能力。由于扩底桩承载力的破坏模式会随着土的摩擦角度变换而变化，当其内摩擦角越大时，扩底桩的影响柱体越长，如果桩底之上的长度在桩径的4～10倍范围内，则破坏柱体的直径会增加至扩底桩的直径。根据这种现象，可以对扩底桩的破坏表面周长进行计算。

3.3抗拔桩应用措施

常规抗浮构造不足以满足地下建筑结构的抗浮性能要求时，要为其底板下的抗拔桩进行专门设计，通过抗拔桩的应用增加桩体自重，并增加桩周围土体摩擦力，从而提升抗浮能力。扩底桩的平面布置方式应采取正方网格形式，其桩间距、深度和扩大头的直径是扩底桩性能的关键影响因素。应根据实际工程的土质条件，工程施工条件，以及建筑抗浮要求对其关键参数进行计算和设计。三要素之间的关系应尽量满足D+2Htgθ=L，式中的θ是扩底桩的内摩擦角。如果地下建筑结构的底板下为岩石基层，则垫层可以直接在岩石上浇筑，并采用锚杆进行锚固，使其取得较好的抗浮效果。限制抗拔桩的桩身受荷裂缝宽度，尽可能避免裂缝的出现，相关技术规范中有明确规定，对于严格要求不能出现裂缝的预应力混凝土桩，其混凝土不应该产生拉应力。对于一般要求不能出现裂缝的混凝土桩，其拉应力不能大于轴心受拉强度的标准值。对于允许出现裂缝的混凝土基桩，其最大裂缝宽度不能超过0.2mm。如果不能按照上述规定对抗拔桩的受荷裂缝进行有效控制，则应采取桩侧后注浆等补救措施。桩基施工前应进行试打试钻，每块场地不少于2根，会同勘察单位验证地质条件与勘察结果的符合性，确定沉桩成孔的可能性，确定施工工艺等。单桩承载力必须以试桩报告为准，承载力满足设计要求后再施工基桩。

4结论

总之，地下室结构的抗浮设计是建筑设计的重要内容之一，在进行设计和施工时，要根据工程实际情况，结合相关地质水文资料，对地下结构的自身抗浮能力进行准确的计算和分析，若地下结构自身抗浮能力不足，必须采用相应的抗浮措施。抗拔桩在地下建筑结构的抗浮设计中有较为广泛的应用，可以有效提升地下结构的抗浮性能，在黏土类、砂土类地基中都较为适用。

参考文献

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