地下结构抗浮方法及抗拔桩的设计研究

地下结构抗浮方法及抗拔桩的设计研究

余义华

余义华

长江勘测规划设计研究有限责任公司武汉430010

摘要介绍了地下结构常见的抗浮措施优缺点及适用范围，针对工程中比较常用的抗拔桩设计，给出了其合理抗浮设计水位的确定方法、抗拔桩破坏形态与特征、抗拔桩承载能力的确定及裂缝验算方法。对抗拔桩的设计有一定的指导意义。

关键词地下结构抗浮措施抗拔桩

近年来，随着国民经济的发展，城市的建设日新月异，城市土地日益紧缺，高层及超高层建筑不断涌现，地下空间（地下室、地下车库、地下商场、地铁等）的利用已经成为了一种趋势，地下建构筑物建设项目日益增多，对地下结构的研究越来越重视。国内外专家学者在这方面做了比较深入的研究，取得了大量科研成果，需要指出的是，抗浮设计作为地下结构设计过程中的重要环节，虽然现行规范作出了一些规定，但是在具体设计方法上，却没有给予明确的规定，工程实践中，由于地下水的不稳定性，使得设计和施工中存在很多隐患，地下结构抗浮事故时有发生。因此对地下结构抗浮进行深入研究，避免工程事故的发生很有必要。

1、目前常用抗浮措施

现阶段工程上常用的抗浮措施主要有：锚杆（索）的锚固抗浮、配重抗浮、降排截水抗浮、抗拔桩抗浮等措施。

1.1锚杆（索）抗浮

锚杆（索）是一种受拉杆件，它一端与地下结构相连，一端锚固在稳定的岩层或者土层中，利用材料本身的抗拉性来抵抗地下水的浮力，有施加预应力和不施加预应力之别，从计算方法的角度看差别不到，最大的差别是锚杆（索）强度和截面的差别。它具有施工方便、造价低、工期相对较短等优点，在很多工程中得到应用。

1.2配重抗浮

配重抗浮一般有三种方法：一是在底板上部设低等级混凝土压重；二是设置较厚的钢筋混凝土底板；三是在底板下部设低等级混凝土挂重、配重抗浮，不仅方法简单、易于操作，而且造价低廉，常常运用在单独的地下空间和处理地下结构抗浮事故中。

当建构筑物的自身重量和浮力相差不大时，应尽量采用配重抗浮，其对工程造价的影响小，且后期无管理维护成本。但建构筑物的自身重量和浮力相差较大时，本方法将会增加混凝土用量，配重时需增加埋置深度，较大的埋深也将增加土方量和排水费用，同时也会增加基底附加应力，导致地基变形增加。

1.3降排截水抗浮

地下水位的高低是影响结构所受浮力大小最直接的因素，如果没有地下水或者地下水位很低不足以引起结构上浮破坏，也就不存在地下结构抗浮问题了，所以采用降排截水法也是一种有效的抗浮措施。目前此方法主要应用在一些整体结构自重可以克服浮力，在尚未施工完成的工程中，一些抗浮失效后的事故处理和永久抗浮中也会使用此类方法。

采用降水、排水或截水方法是一种处理抗浮问题最根本的方法，但在实施过程中可能对周围的环境造成影响或破坏，在工程施工到足以抵抗浮力之前，为防止地下水的浮力破坏，通常要对工程施工场地所在的局部范围内进行降水。降水过程中很多细土、砂土以及基坑挖土会导致土体流失，若处理不当，可使附近地面沉降、沉陷或使建构筑物发生开裂或倾斜。因此，在处理抗浮问题的同时，应尽量减少降水量，减少对周边建构筑物的影响。

1.4抗拔桩抗浮

抗拔桩是利用桩体自重和桩侧摩阻力来提供抗拔力以抵抗地下水浮力的基础。抗拔桩作为抗浮设计的一种主要形式有着很多突出的优点，在工程中运用日益广泛。它具有承载力高、沉降量小的特点。抗拔桩按受力差异可分为端承桩和摩擦桩，不论哪种，最初的应用目的只是作为一种基础形式来传递上部结构的荷载到地基，保证结构的安全与稳定。随着工程技术的不断进步以及功能要求的多样化，桩除沿袭常规的使用功能外，还被赋予了新的用途-地下结构抗拔，在一些工程设计中，也有将抗压桩兼用做抗拔桩。但由于抗拔桩与柱子相连，使抗拔桩的间距太大，导致产生很大的附加弯矩及剪力，通常会加大底板厚度来减小不利影响。

由于抗拔桩既可作为抗拔又可作为抗压的结构特性，在沿海及地质情况一般的场地运用广泛，本文对抗拔桩的特点及设计要点作简要的论述。

2抗拔桩特点及设计要点

2.1抗浮设计水位确定方法

现有的岩土工程勘察报告只提及最高水位及常年平均水位。因此，设计人员出于安全考虑，通常以最高水位作为设计水位，这样设计的结果使得我们的设计缺乏合理性和经济性。

其实，地下水位包括历年最高水位、最低水位、静止水位、稳定水位等，它是随季节或补给条件而变化的。地下水位变化是一个随机过程，受人为因素和自然因素影响很大，因此，确定合理的抗浮水位十分困难，取历史最高水位明显是不合理的。

合理的确定方法应该是，在结构设计基准周期内（包括施工期），对多承地下含水层的水位进行测量，确定各含水层的赋存状态和地下水位，在此基础上确定抗浮水位。

2.2抗拔桩破坏形态与特征

上部结构受浮力作用时，单桩承受上拔荷载，抗拔力主要由摩阻力承担，通过桩身将荷载传递到桩侧土，随着桩顶向上位移的增加，在桩的顶部产生桩身拉应力逐渐向下部扩展。当桩尖处桩土相对位移达到临界值时，该处摩阻力已达到极限，这是桩身总侧阻力已经达到或超过了峰值，该处截面摩阻力已充分发挥，随后桩顶抗拔总阻力逐渐下降，抗拔能力逐渐消失。

抗拔桩破坏形态有三个基本类型：1）沿桩-土侧壁截面剪破、2）与桩长等高的倒锥台剪破、3）复合剪切面剪破：即下部沿桩-土界面剪破上部为倒锥台剪破，或者在桩底与桩身相切，沿一定的曲面破坏。工程中比较常见的是第一种破坏形态。

2.3抗拔桩承载能力确定

通常建筑物所采用的抗拔桩主要有两种：一种是静载试桩时采用反力架形式，这时需要用锚桩（以下将静载试桩用锚桩简称为锚桩），它的受力状态是抗拔；另一种是地下水位较高的区域，为了防止地下结构上浮，而采用抗拔桩。两者在使用上有差别，在设计计算过程中需要区别对待。

目前，国标及地标对抗拔桩的承载能力确定方法均作出了规定，即：单桩抗拔承载力由静载试验确定。由此可知，试桩应当反映工程桩的特征，包括桩型、桩的截面尺寸、有效长度、桩身混凝土强度等级、配筋、土层特征、施工要求等，这样才能将试桩的结果用于工程桩。

同时现行地基规范规定：单桩竖向承载力设计值应分别根据地基土对桩的支承能力和桩身结构强度进行计算，取其小值。事实上，抗拔桩的设计重点是它的配筋设计；对于受拉构件，其配筋设计与其裂缝宽度有直接关系；抗拔桩的裂缝控制要求与抗拔桩的应用形态及所处地层条件有关。

2.4抗拔桩裂缝验算

现行《混凝土结构设计规范》对于钢筋混凝土构件裂缝验算的规定，裂缝验算针对的是构件的正常使用极限状态。而锚桩和抗浮试桩所处的是承载力的极限状态；只有当它们兼作工程桩时，才会分别转化为抗压桩和抗拔桩。对它们裂缝验算就应当顾及它们转化后的形态。从抗拔桩的裂缝控制看，可以依据其应用形态将之分为三种：

（1）锚桩是为了验证地基土对桩的“极限“支承能力，另一方面，它转化为工程桩时，是处于受压状态，是抗压桩；它在试桩时产生的裂缝是临时的，若不大，最终会闭合。因此裂缝的控制可以适当放宽。

（2）对于抗浮工程桩只需要满足正常使用状态下的裂缝宽度要求即可。

（3）对于抗浮试桩，同锚桩是一样的，与锚桩不同的是，抗浮试桩最终若仍作为抗浮工程桩使用，则它的裂缝控制应当与抗浮工程桩一致。

一般情况下，裂缝验算决定抗拔桩的配筋量。因此，抗浮试桩与抗浮工程桩的配筋可以不一致，而且它们的配筋差异可能较大。依据这样的设计理念，可以使抗浮工程桩比抗浮试桩减少较多的钢筋。同时，抗浮试桩与抗拔桩应当分别作裂缝验算，它们的裂缝控制要求应一致。

3结语

本文对目前常用的抗浮设计方法进行了介绍，并依据现行设计规范及设计经验，对抗拔桩的特点及设计要点，区分了几种常见类型抗拔桩的不同设计要求，确定抗拔桩设计承载能力及和裂缝控制要求。对抗拔桩设计与计算的安全准确、经济合理做了探讨。

参考文献

[1]建筑地基基础设计规范.GB50007-2011[S]

[2]混凝土结构设计规范.GB50010-2010[S]

[3]建筑桩基技术规范.JGJ94-2008[S]

[4]李广信，吴建敏.关于地下结构浮力计算的若干问题[J].土工基础，2003；17（3）：39-41.