有关于大型地下结构抗浮桩设计研究

1、前 言

近年来，随着国民经济的日益发展，促使城市建设的发展，高层及超高层建筑的涌现，基础埋置越来越深，同时，作为车库等功能的广场式建筑的纯地下室部分、裙房或相对独立的地下结构物（如下沉式广场、地下车库、地下铁道等）的开发和利用越来越广泛，由此，地下结构物的抗浮问题日益突出。

如何解决地下工程结构物的抗浮问题目前已成为一个经常面临的问题。因地下水浮力作用或抗浮措施不当而造成地下工程的破坏，在国内已有不少的事例，如武汉果品公司舵落口地下冷库、海军航空兵上海市大场地下机库、银川及承德市的少数人防工程都因地下水浮力的作用造成不同程度的破坏。

在我国沿海地区曾出现过多起因地下水浮力而导致地下室破坏的事故。在这些事故中，有的地下室底板隆起，导致底板破坏；有的地下建筑物整体浮起，导致梁柱结点处开裂及底板破坏等等。

一般而言，地下室上浮的原因是结构体重量及地下室侧壁摩擦力之和小于水浮力所引起。上浮处理方法有抽水、解压、加载及洗砂等方法配合运用，其中以洗砂作业程序最复杂，常在其它方法处理失效后才使用。处理后，上浮的地下室很少能回沉至原高程，残存的上浮量需借建筑收尾工程处理。由于地下室无法回沉至原高程，并且有些结构在上浮时受到损坏，基础底板下的空隙需另施做填缝灌浆填补之。

地下室上浮的意外事件可能发生在各种地层中，包括透水性极低的软件粘土层或极稳定的卵石层中。低水位也不保证不会发生上浮，因地下水位可能因暴风雨、地表逸流或施工不慎等因素突然升高，地下水浮力一旦超过结构物重量及侧壁摩擦力时则上浮随之发生，建筑物将产生变形等破坏。不能保证正常使用中的安全，必须采取有效的处理措施。地下结构物的抗浮问题成为影响结构工程设计和工程投资效益的难题之一，并引起结构工程师的重视和广泛关注。

在国内外，关于抗浮设计这方面全面系统的研究和文献资料并不多。结构工程师们通常对此类情况感到十分的困惑，主要原因之一是有关的设计规范规程中未提出明确的设计标准或设计依据在具体应用时尚存在很多问题，引起很多的争议。

2、抗浮方法当地下结构物的自身重量（如顶板有覆土，也包括在内）不能抵抗地下水浮力时，地下结构物则产生上浮，导致结构变形损坏，由此需进行抗浮设计。

工程抗浮设计包括整体抗浮验算和局部抗浮验算。通过整体抗浮验算虽然可以保证地下结构物不会整体上浮，但不一定能保证结构物底板不开裂等变形现象，因此，还应对结构物底板进行局部抗浮验算。在具体的设计中应根据工程特点、地质情况、场地条件和环境等因素（如基坑的支护形式、基坑深度、基坑底的土层条件等），综合考虑，因地制宜，选择一个最佳有效的抗浮方案。

2.1 增加自重法增加自重法包括顶板压载、基板加载及边墙加载等方法增加地下结构物自身重量（即恒载），使其自身的重力始终大于地下水对结构物所产生的浮力，确保结构物不上浮。这种方法的优点是施工及设计较简单；缺点是当结构物需要抵抗浮力较大时，由于需大量增加混凝土或相关配重材料用量，故费用增加较多。

2.2 摩擦抗浮法土壤与地下结构物间存在摩擦力，这种力量也可以抵抗地下结构物的上浮。该力的大小依土壤的侧压力及各土层的摩擦情况而定。但是这种侧压力的大小很难准确确定，所以它的可靠度不高，如需采用，其设计的安全系数应当提高，并且要在地下结构物有相当的位移后，才能真正地起动这种摩擦力。若地下水位不时变动则这种位移也会变动。这种位移的数量及其随水位变动的性质，往往不能适用于某些地下结构物，在实际工程中，对规模较大的地下结构物的抗浮，很少采用此法作抗浮措施。

2.3 延伸基板法延伸基板法是将地下结构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。这种抗浮力可能有两种：一种是垂直压力和侧翼压力之和；另一种是为垂直压力与土间摩擦力之和，要取这两种力量中的较小者。但是，为了要延伸基板而成翼板，开挖的范围将因而加宽，土方及使用土地面积也将因而加大，其所增加的抗浮力变大。此法一般适用于不受场地限制的规模较小地下结构物的抗浮，否则，不宜采用。在实际工程中，对规模较大的地下结构物的抗浮，很少采用此法作抗浮措施。

2.4 利用临时挡土设施法一般来说，在基坑开挖时用以挡土的连续墙除在与地下结构物接触的部分外，大部的墙体在开挖区回填后就没有任何利用价值了。若能妥善相连或直接与地下结构物结合，即可利用挡土的连续墙来抵抗地下水浮力。此法除剪力键的安置费，无其它额外费用，并且可靠性很高。此外还可以将连续墙与土壤间的摩擦力计入考虑，其安全系数也将由此提高。采用此法得先验算挡土连续墙的抗拔力等，并视该工程的挡土连续墙和地下结构物外墙之间的间距等情况而定，如间距太大，则需浇筑大量的混凝土和不易安装剪力键，由此增加造价和浪费。此法一般适用于挡土连续墙的抗拔力足够，且挡土连续墙和地下结构物外墙之间的间距较小等条件的地下结构物抗浮。

2.5 抗拔桩下拉法抗拔桩是指抵抗建筑物向上位移的各种桩型的总称，抗拔桩不同于一般的基础桩，有其自身的独特性能，抗浮桩为抗拔桩，桩体承受拉力，桩体受力大小随地下水位大变化而变化，二者在受力机理上不同。在工程实践中常用的桩型有预制桩和灌注桩，抗浮桩多采用人工挖孔灌注桩或机械钻孔灌注桩。

3、抗拔桩设计抗拔桩是抗浮设计中常用的方案之一，只要条件允许，抗拔桩一般均嵌入竖硬而埋藏较浅的基岩中。

由于造价及施工条件的限制，抗拔桩一般入岩不深，需要对入岩桩段部分进行桩端灌浆处理。如果上覆土层较厚，桩无法埋入基岩，那就只能全靠桩侧土的表面摩擦阻力抗拔，此摩擦阻力较小，抗浮效果不佳；若在桩端设置扩大头，则能大大提高桩的抗拔能力。

这对于抗拔桩的承载力设计而言，相对于受压桩存在两个突出的特点：

3.1受压桩的承载力组成中有端承力部分，而抗拔桩则无。

3.2受压桩的桩身弹性压缩引起桩身侧向膨胀使桩土界面的摩阻力趋向于增加，摩阻力的增加则随桩身位移由上而下逐步发挥；而抗拔桩在拉伸荷载作用下桩身断面有收缩的趋向，使桩土界面摩阻力减小。而由于拉伸荷载系作用于桩顶，摩阻力的发挥同样系由上而下逐步发生。在设计抗拔桩时，在单位面积桩身摩阻力的选用上自然比受压桩要低。

3.2.1单桩或群桩呈非整体破坏时，桩的抗拔极限承载力标准值。

——破坏表面周长，对于等直径桩取，对于扩底桩按规范取值；

一一桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值；

一一抗拔系数；

一一管桩第i层土（岩）的侧阻力修正系数；

一一桩穿越第i层土（岩）的厚度。

3.2.2群桩呈非整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值一一桩群外围周长。

我国现行规范中所提供的抗拔计算公式是一个半理论半经验的公式，其中虽然考虑到了抗拔桩带有扩大头的情况，但没有考虑扩大头对上方土体作用而引起的桩周摩阻力的变化，也没有考虑到桩周摩阻力变化的复杂性。