大型地下結構抗浮樁設計研究
發布時間：2012-07-25 共1頁
1、前 言
近年來，隨著國民經濟的日益發展，促使城市建設的發展，高層及超高層建筑的涌現，基礎埋置越來越深，同時，作為車庫等功能的廣場式建筑的純地下室部分、裙房或相對獨立的地下結構物（如下沉式廣場、地下車庫、地下鐵道等）的開發和利用越來越廣泛，由此，地下結構物的抗浮問題日益突出。 試大
如何解決地下工程結構物的抗浮問題目前已成為一個經常面臨的問題。因地下水浮力作用或抗浮措施不當而造成地下工程的破壞，在國內已有不少的事例，如武漢果品公司舵落口地下冷庫、海軍航空兵上海市大場地下機庫、銀川及承德市的少數人防工程都因地下水浮力的作用造成不同程度的破壞。
在我國沿海地區曾出現過多起因地下水浮力而導致地下室破壞的事故。在這些事故中，有的地下室底板隆起，導致底板破壞；有的地下建筑物整體浮起，導致梁柱結點處開裂及底板破壞等等。
一般而言，地下室上浮的原因是結構體重量及地下室側壁摩擦力之和小于水浮力所引起。上浮處理方法有抽水、解壓、加載及洗砂等方法配合運用，其中以洗砂作業程序最復雜，常在其它方法處理失效后才使用。處理后，上浮的地下室很少能回沉至原高程，殘存的上浮量需借建筑收尾工程處理。由于地下室無法回沉至原高程，并且有些結構在上浮時受到損壞，基礎底板下的空隙需另施做填縫灌漿填補之。
地下室上浮的意外事件可能發生在各種地層中，包括透水性極低的軟件粘土層或極穩定的卵石層中。低水位也不保證不會發生上浮，因地下水位可能因暴風雨、地表逸流或施工不慎等因素突然升高，地下水浮力一旦超過結構物重量及側壁摩擦力時則上浮隨之發生，建筑物將產生變形等破壞。不能保證正常使用中的安全，必須采取有效的處理措施。地下結構物的抗浮問題成為影響結構工程設計和工程投資效益的難題之一，并引起結構工程師的重視和廣泛關注。 試大
在國內外，關于抗浮設計這方面全面系統的研究和文獻資料并不多。結構工程師們通常對此類情況感到十分的困惑，主要原因之一是有關的設計規范規程中未提出明確的設計標準或設計依據在具體應用時尚存在很多問題，引起很多的爭議。
2、抗浮方法
當地下結構物的自身重量（如頂板有覆土，也包括在內）不能抵抗地下水浮力時，地下結構物則產生上浮，導致結構變形損壞，由此需進行抗浮設計。
工程抗浮設計包括整體抗浮驗算和局部抗浮驗算。通過整體抗浮驗算雖然可以保證地下結構物不會整體上浮，但不一定能保證結構物底板不開裂等變形現象，因此，還應對結構物底板進行局部抗浮驗算。在具體的設計中應根據工程特點、地質情況、場地條件和環境等因素（如基坑的支護形式、基坑深度、基坑底的土層條件等），綜合考慮，因地制宜，選擇一個最佳有效的抗浮方案。
2.1 增加自重法增加自重法包括頂板壓載、基板加載及邊墻加載等方法增加地下結構物自身重量（即恒載），使其自身的重力始終大于地下水對結構物所產生的浮力，確保結構物不上浮。這種方法的優點是施工及設計較簡單；缺點是當結構物需要抵抗浮力較大時，由于需大量增加混凝土或相關配重材料用量，故費用增加較多。
2.2 摩擦抗浮法土壤與地下結構物間存在摩擦力，這種力量也可以抵抗地下結構物的上浮。該力的大小依土壤的側壓力及各土層的摩擦情況而定。但是這種側壓力的大小很難準確確定，所以它的可靠度不高，如需采用，其設計的安全系數應當提高，并且要在地下結構物有相當的位移后，才能真正地起動這種摩擦力。若地下水位不時變動則這種位移也會變動。這種位移的數量及其隨水位變動的性質，往往不能適用于某些地下結構物，在實際工程中，對規模較大的地下結構物的抗浮，很少采用此法作抗浮措施。
2.3 延伸基板法延伸基板法是將地下結構物的基板向外延伸而形成翼板，由翼板承托覆土以抵抗上浮力。這種抗浮力可能有兩種：一種是垂直壓力和側翼壓力之和；另一種是為垂直壓力與土間摩擦力之和，要取這兩種力量中的較小者。但是，為了要延伸基板而成翼板，開挖的范圍將因而加寬，土方及使用土地面積也將因而加大，其所增加的抗浮力變大。此法一般適用于不受場地限制的規模較小地下結構物的抗浮，否則，不宜采用。在實際工程中，對規模較大的地下結構物的抗浮，很少采用此法作抗浮措施。
2.4 利用臨時擋土設施法一般來說，在基坑開挖時用以擋土的連續墻除在與地下結構物接觸的部分外，大部的墻體在開挖區回填后就沒有任何利用價值了。若能妥善相連或直接與地下結構物結合，即可利用擋土的連續墻來抵抗地下水浮力。此法除剪力鍵的安置費，無其它額外費用，并且可靠性很高。此外還可以將連續墻與土壤間的摩擦力計入考慮，其安全系數也將由此提高。采用此法得先驗算擋土連續墻的抗拔力等，并視該工程的擋土連續墻和地下結構物外墻之間的間距等情況而定，如間距太大，則需澆筑大量的混凝土和不易安裝剪力鍵，由此增加造價和浪費。此法一般適用于擋土連續墻的抗拔力足夠，且擋土連續墻和地下結構物外墻之間的間距較小等條件的地下結構物抗浮。
2.5 抗拔樁下拉法抗拔樁是指抵抗建筑物向上位移的各種樁型的總稱，抗拔樁不同于一般的基礎樁，有其自身的獨特性能，抗浮樁為抗拔樁，樁體承受拉力，樁體受力大小隨地下水位大變化而變化，二者在受力機理上不同。在工程實踐中常用的樁型有預制樁和灌注樁，抗浮樁多采用人工挖孔灌注樁或機械鉆孔灌注樁。
3、抗拔樁設計
抗拔樁是抗浮設計中常用的方案之一，只要條件允許，抗拔樁一般均嵌入豎硬而埋藏較淺的基巖中。
由于造價及施工條件的限制，抗拔樁一般入巖不深，需要對入巖樁段部分進行樁端灌漿處理。如果上覆土層較厚，樁無法埋入基巖，那就只能全靠樁側土的表面摩擦阻力抗拔，此摩擦阻力較小，抗浮效果不佳；若在樁端設置擴大頭，則能大大提高樁的抗拔能力。
這對于抗拔樁的承載力設計而言，相對于受壓樁存在兩個突出的特點：
3.1受壓樁的承載力組成中有端承力部分，而抗拔樁則無。
3.2受壓樁的樁身彈性壓縮引起樁身側向膨脹使樁土界面的摩阻力趨向于增加，摩阻力的增加則隨樁身位移由上而下逐步發揮；而抗拔樁在拉伸荷載作用下樁身斷面有收縮的趨向，使樁土界面摩阻力減小。而由于拉伸荷載系作用于樁頂，摩阻力的發揮同樣系由上而下逐步發生。在設計抗拔樁時，在單位面積樁身摩阻力的選用上自然比受壓樁要低。
3.2.1單樁或群樁呈非整體破壞時，樁的抗拔極限承載力標準值。
——破壞表面周長，對于等直徑樁取，對于擴底樁按規范取值；
一一樁側表面第i層土的抗壓極限側阻力標準值；
一一抗拔系數；
一一管樁第i層土（巖）的側阻力修正系數；
一一樁穿越第i層土（巖）的厚度。
3.2.2群樁呈非整體破壞時，基樁的抗拔極限承載力標準值一一樁群外圍周長。
我國現行規范中所提供的抗拔計算公式是一個半理論半經驗的公式，其中雖然考慮到了抗拔樁帶有擴大頭的情況，但沒有考慮擴大頭對上方土體作用而引起的樁周摩阻力的變化，也沒有考慮到樁周摩阻力變化的復雜性。
4、結 論
本文主要介紹和探討了地下結構的基本方法，并針對抗拔樁，對其抗浮的基本原理和典型抗拔計算公式及設計方法進行了比較全面的研究。
近年來，隨著國民經濟的日益發展，促使城市建設的發展，高層及超高層建筑的涌現，基礎埋置越來越深，同時，作為車庫等功能的廣場式建筑的純地下室部分、裙房或相對獨立的地下結構物（如下沉式廣場、地下車庫、地下鐵道等）的開發和利用越來越廣泛，由此，地下結構物的抗浮問題日益突出。 試大
如何解決地下工程結構物的抗浮問題目前已成為一個經常面臨的問題。因地下水浮力作用或抗浮措施不當而造成地下工程的破壞，在國內已有不少的事例，如武漢果品公司舵落口地下冷庫、海軍航空兵上海市大場地下機庫、銀川及承德市的少數人防工程都因地下水浮力的作用造成不同程度的破壞。
在我國沿海地區曾出現過多起因地下水浮力而導致地下室破壞的事故。在這些事故中，有的地下室底板隆起，導致底板破壞；有的地下建筑物整體浮起，導致梁柱結點處開裂及底板破壞等等。
一般而言，地下室上浮的原因是結構體重量及地下室側壁摩擦力之和小于水浮力所引起。上浮處理方法有抽水、解壓、加載及洗砂等方法配合運用，其中以洗砂作業程序最復雜，常在其它方法處理失效后才使用。處理后，上浮的地下室很少能回沉至原高程，殘存的上浮量需借建筑收尾工程處理。由于地下室無法回沉至原高程，并且有些結構在上浮時受到損壞，基礎底板下的空隙需另施做填縫灌漿填補之。
地下室上浮的意外事件可能發生在各種地層中，包括透水性極低的軟件粘土層或極穩定的卵石層中。低水位也不保證不會發生上浮，因地下水位可能因暴風雨、地表逸流或施工不慎等因素突然升高，地下水浮力一旦超過結構物重量及側壁摩擦力時則上浮隨之發生，建筑物將產生變形等破壞。不能保證正常使用中的安全，必須采取有效的處理措施。地下結構物的抗浮問題成為影響結構工程設計和工程投資效益的難題之一，并引起結構工程師的重視和廣泛關注。 試大
在國內外，關于抗浮設計這方面全面系統的研究和文獻資料并不多。結構工程師們通常對此類情況感到十分的困惑，主要原因之一是有關的設計規范規程中未提出明確的設計標準或設計依據在具體應用時尚存在很多問題，引起很多的爭議。
2、抗浮方法
當地下結構物的自身重量（如頂板有覆土，也包括在內）不能抵抗地下水浮力時，地下結構物則產生上浮，導致結構變形損壞，由此需進行抗浮設計。
工程抗浮設計包括整體抗浮驗算和局部抗浮驗算。通過整體抗浮驗算雖然可以保證地下結構物不會整體上浮，但不一定能保證結構物底板不開裂等變形現象，因此，還應對結構物底板進行局部抗浮驗算。在具體的設計中應根據工程特點、地質情況、場地條件和環境等因素（如基坑的支護形式、基坑深度、基坑底的土層條件等），綜合考慮，因地制宜，選擇一個最佳有效的抗浮方案。
2.1 增加自重法增加自重法包括頂板壓載、基板加載及邊墻加載等方法增加地下結構物自身重量（即恒載），使其自身的重力始終大于地下水對結構物所產生的浮力，確保結構物不上浮。這種方法的優點是施工及設計較簡單；缺點是當結構物需要抵抗浮力較大時，由于需大量增加混凝土或相關配重材料用量，故費用增加較多。
2.2 摩擦抗浮法土壤與地下結構物間存在摩擦力，這種力量也可以抵抗地下結構物的上浮。該力的大小依土壤的側壓力及各土層的摩擦情況而定。但是這種側壓力的大小很難準確確定，所以它的可靠度不高，如需采用，其設計的安全系數應當提高，并且要在地下結構物有相當的位移后，才能真正地起動這種摩擦力。若地下水位不時變動則這種位移也會變動。這種位移的數量及其隨水位變動的性質，往往不能適用于某些地下結構物，在實際工程中，對規模較大的地下結構物的抗浮，很少采用此法作抗浮措施。
2.3 延伸基板法延伸基板法是將地下結構物的基板向外延伸而形成翼板，由翼板承托覆土以抵抗上浮力。這種抗浮力可能有兩種：一種是垂直壓力和側翼壓力之和；另一種是為垂直壓力與土間摩擦力之和，要取這兩種力量中的較小者。但是，為了要延伸基板而成翼板，開挖的范圍將因而加寬，土方及使用土地面積也將因而加大，其所增加的抗浮力變大。此法一般適用于不受場地限制的規模較小地下結構物的抗浮，否則，不宜采用。在實際工程中，對規模較大的地下結構物的抗浮，很少采用此法作抗浮措施。
2.4 利用臨時擋土設施法一般來說，在基坑開挖時用以擋土的連續墻除在與地下結構物接觸的部分外，大部的墻體在開挖區回填后就沒有任何利用價值了。若能妥善相連或直接與地下結構物結合，即可利用擋土的連續墻來抵抗地下水浮力。此法除剪力鍵的安置費，無其它額外費用，并且可靠性很高。此外還可以將連續墻與土壤間的摩擦力計入考慮，其安全系數也將由此提高。采用此法得先驗算擋土連續墻的抗拔力等，并視該工程的擋土連續墻和地下結構物外墻之間的間距等情況而定，如間距太大，則需澆筑大量的混凝土和不易安裝剪力鍵，由此增加造價和浪費。此法一般適用于擋土連續墻的抗拔力足夠，且擋土連續墻和地下結構物外墻之間的間距較小等條件的地下結構物抗浮。
2.5 抗拔樁下拉法抗拔樁是指抵抗建筑物向上位移的各種樁型的總稱，抗拔樁不同于一般的基礎樁，有其自身的獨特性能，抗浮樁為抗拔樁，樁體承受拉力，樁體受力大小隨地下水位大變化而變化，二者在受力機理上不同。在工程實踐中常用的樁型有預制樁和灌注樁，抗浮樁多采用人工挖孔灌注樁或機械鉆孔灌注樁。
3、抗拔樁設計
抗拔樁是抗浮設計中常用的方案之一，只要條件允許，抗拔樁一般均嵌入豎硬而埋藏較淺的基巖中。
由于造價及施工條件的限制，抗拔樁一般入巖不深，需要對入巖樁段部分進行樁端灌漿處理。如果上覆土層較厚，樁無法埋入基巖，那就只能全靠樁側土的表面摩擦阻力抗拔，此摩擦阻力較小，抗浮效果不佳；若在樁端設置擴大頭，則能大大提高樁的抗拔能力。
這對于抗拔樁的承載力設計而言，相對于受壓樁存在兩個突出的特點：
3.1受壓樁的承載力組成中有端承力部分，而抗拔樁則無。
3.2受壓樁的樁身彈性壓縮引起樁身側向膨脹使樁土界面的摩阻力趨向于增加，摩阻力的增加則隨樁身位移由上而下逐步發揮；而抗拔樁在拉伸荷載作用下樁身斷面有收縮的趨向，使樁土界面摩阻力減小。而由于拉伸荷載系作用于樁頂，摩阻力的發揮同樣系由上而下逐步發生。在設計抗拔樁時，在單位面積樁身摩阻力的選用上自然比受壓樁要低。
3.2.1單樁或群樁呈非整體破壞時，樁的抗拔極限承載力標準值。
——破壞表面周長，對于等直徑樁取，對于擴底樁按規范取值；
一一樁側表面第i層土的抗壓極限側阻力標準值；
一一抗拔系數；
一一管樁第i層土（巖）的側阻力修正系數；
一一樁穿越第i層土（巖）的厚度。
3.2.2群樁呈非整體破壞時，基樁的抗拔極限承載力標準值一一樁群外圍周長。
我國現行規范中所提供的抗拔計算公式是一個半理論半經驗的公式，其中雖然考慮到了抗拔樁帶有擴大頭的情況，但沒有考慮擴大頭對上方土體作用而引起的樁周摩阻力的變化，也沒有考慮到樁周摩阻力變化的復雜性。
4、結 論
本文主要介紹和探討了地下結構的基本方法，并針對抗拔樁，對其抗浮的基本原理和典型抗拔計算公式及設計方法進行了比較全面的研究。
