地下结构抗浮设计中抗拔桩的应用分析

地下结构抗浮设计中抗拔桩的应用分析

蒋维燕

中国美术学院风景建筑设计研究总院有限公司浙江杭州310012

摘要：地下建筑需要收到浮力影响，如果抗浮设计无法适应实际情况和施工需求，就会使建筑收到浮力作用破坏。这种情况不仅出现于地下车库、储藏室等结构中，而且随着建筑结构高度的日益增加，埋设的地基深度也不断加深，地下建筑结构的抗浮设计已经成为建筑设计的重要内容。利用抗拔桩等抗浮技术提高地下建筑结构的抗浮性能，是抗浮设计的关键。

关键词：地下结构；抗浮设计；抗拔桩

0、引言

随着我国社会经济的不断发展，土地资源问题日益严峻，地上建筑越来越无法满足需求，为此，很多地方开始大力发展地下空间资源。在地下资源开发过程中，需要解决很多问题，其中很重要的一个是抗浮问题。由于浮力造成的工程问题屡见不鲜，因此，在工程设计和实施过程中，要重视地下工程的抗浮动结构。

1、国内外研究现状

近年来，越来越多的研究人员开始研究地下空间的抗浮问题。这些研究主要集中在三个问题：（1）抗浮水位的合理性，（2）根据抗浮水位，计算合理的浮力，（3）根据算得的浮力大小，如何选取合理的抗浮措施。目前国内外可参考的标准众多，多为地方性标准，对于地下水的抗浮设防水位以及地下结构所受浮力计算的方法等重要问题尚无统一标准。

桩是一种深基础型式的荷载传递手段，具有高承载例、小沉降量的优点，在很早之前就已得到了广泛应用。按照应力特点可分为端承桩和摩擦桩，不论哪种，其最初目的都是作为一种基础的形式来将来自于上部的负荷传递到下方或者位于更深处的密实坚硬的岩层或土层，以确保工程进行的安全稳定。随着技术的不断发展以及为满足不同工程的不同功能要求，桩的作用除了传递荷载以外，还被赋予了另一种用途—抗拔，在部分工程的设计中，也有将桩的抗压功能同时结合抗拔或抗浮功能。抗拔桩主要是借助桩与周围的摩擦力以及自身的重力来为抗拔提供约束力，比较常见的方式是钻孔灌注，但现在也有工程设计用到了预应力管桩。

在抗拔桩的基础上，当桩的抗拔效果无法达到要求时，就需要更加进一步的技术来加强桩的抗拔效果。目前广泛应用的处理技术是压重抗浮，压重抗浮就是当结构自身重量小于所受到的浮力时，采用密度大、重量高的材料压在抗浮结构上，这种方法可以有效地应对各种来源的浮力，增加抗浮结构的稳定性。对于全部埋置在地下的结构，往往利用回填上层在其顶板上的方法，来达到抗浮的目的。但由于部分工程的要求和标准较高；或顶扳与地面间的距离不足，压重抗浮效果无法达到；或者当抗浮结构所承受的力量较大，需要在顶部附加过大的重力，这个重力大于顶板所承受的最大重量；面临这些问题时，就需要在底板上也进行压重，来结合顶板的压重来达到抗浮效果，这种做法的缺点是需要牺牲地下空间为代价。压重抗浮方法简单、操作便捷，且费用低廉，所在很多工程中应用广泛。当然，除此之外还有很多抗拔方法，如降低地下水位浮力、改变抗拔桩结构、综合利用多种方法等不同措施来达到效果。

2、地下建筑结构的抗浮设计的必要性

地下建筑结构需要设置合理的抗浮结构，抗浮结构的抗浮能力需要结合实际的地质条件及地下水的水位情况进行分析，要充分考虑到丰水期及枯水期的实际情况，并充分结合施工过程的不同阶段，通过充分的考察和分析，设计合理的抗浮结构，保证抗浮结构的稳定性满足工程要求。地下建筑结构的抗浮能力主要源自于自身的重力作用，而其所承受的浮力是来源于地下水位至建筑结构基底的水体质量。在设计抗浮结构时，首先要充分分析相关资料，掌握至少50年以内的水位情况，尤其是最高水位的情况。当相关地质水位情况资料不全时，要以室外的地坪标高作为最高地下水位的标准。分析建筑的抗浮性能时，只计算建筑结构的永久荷载，即建筑结构顶板以上的填土荷载。计算方法采用《建筑结构可靠度设计统一标准GB50068－2001》中的公式及标准，对于50年以内使用期限的地下结构，其重要性系数应大于1.0，对使用期限100年以上的建筑，其重要性系数应大于1.1，若不满足此条件，必须采取相应抗浮设计措施。[1]

3、抗拔桩的承载力与变形分析

从工程实际及理论研究需要等方面来看，对抗拔桩的承载力与变形进行系统性的分析和研究是非常必要的。这是因为在施工过程中，对桩基的可变形情况要求较严，并不能仅仅考虑承载力，而是以最大允许变形量来当做实际参考标准。传统的仅仅以承载力作为设计和施工标准是不能够满足实际施工中的要求的。桩的抗拔承载力和变形同时受两方面因素的制约桩周土的力学参数以及桩上界面的几何特性和材料物理特性。

抗拔桩的抗拔力主要由两部分组成，即桩与桩侧间的摩擦阻力及桩的有效重量，而其中桩侧间的摩擦阻力起到了决定性作用。不同的破裂面摩擦力的计算方法各不相同，各地区规定的抗拔力的计算方式也不尽相同，扩底抗拔承载力的计算公式以刘念、陈志龙提出的改进的工程兵学院爆扩桩承载力计算公式比较精确，适用范围较广。

4、抗拔桩的设计及桩型选择

根据要求，设计抗拔桩时要满足《建筑桩基技术规范（JGJ94－2008）》中的标准，在充分考虑工程的实际情况以及施工地的地下水位的基础上，计算单桩拔力、抗拔桩的极限承载力、抗拔桩桩基自重、抗拔系数、桩侧面积等关键参数，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。要区分基桩抗拔侧阻力与抗压侧阻力，由于在承受上拔力的过程中，会因侧面积的不足和土层情况改变等原因使得基桩的抗拔侧阻力低于抗压侧阻力，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。抗拔侧阻力主要决定于基桩周围土层的力学性质，一般情况下，灌注桩的抗拔实际系数高于预制桩，短桩的抗拔系数小于长桩。在上拔负荷的作用下，群桩破坏方式主要受到桩间距的影响，桩基本身表现出分离型的零散拔出破坏模式，而桩基周围土层则表现为整体拔出破坏。在设计时要根据应用和实际土层情况设计合适的桩间距离。

抗拔桩桩型选择主要由施工地的土层条件决定，在施工过程中，如果地下结构的底板下为粉土类地基，应选择钻孔灌注桩，如果是黏土类地基，应选用沉管灌注桩，如果是风化基岩或其他类型的硬可塑黏土，则可以利用手工挖孔桩。与此同时，可以采用扩大底桩来提高抗拔桩的抗拔能力，钻孔灌注和手工挖孔灌注桩等方法均可以采用这种方式，这样就可以有效提高其抗拔效果。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，可以合理计算扩底桩的破坏表面周长进行计算。[3]

5、结语

在地下建筑的设计和施工时，要充分考虑到抗浮设计。随着技术的不断改进和发展，以及抗拔桩即可抗拔又可抗压的特点，抗拔桩的应用越来越广泛，抗拔桩的重要性也日益增高，但是需要注意到的是，抗拔桩的设计和应用规范因地而异，尚无统一规定。需要结合实际情况，设计合理的抗拔桩。

另一方面，对于小直径抗拔桩，国内外尚无统一设计规范，设计人员经常需要参考锚杆的思路进行设计，但因为其受力原理与锚杆并不完全相同，这就对小直径抗拔桩的设计规范提出了需求[2]。

参考文献：

[1]王荼堃，黄文坚.地下结构抗浮设计中抗拔桩的应用[J].江西建材，2017，No.22120：8+10.

[2]李帅，张东刚，李涛，谷二永，王磊，唐伟.小直径抗拔桩桩侧摩阻力取值探讨[J].施工技术，2018，v.47；No.50304：111-114.

[3]梁志勇.地下工程中主体与抗浮结构设计的完善措施[J].工程建设与设计，2017，No.36111：34-36