高层建筑大底盘地下室抗浮水位设计研究

高层建筑大底盘地下室抗浮水位设计研究
【摘要】广东省湛江市地处祖国大陆最南端，属沿海地区，建筑工程地基多属软土地基。

软土地基，地下水位常常较高。

高层建筑的地下室，桩基的抗拔问题即地下室的抗浮设计与施工，是近年来工程界普通关注的问题。

本文结合工程实例，对软土地基抗浮桩的设计与施工作了些探讨。

标签抗浮水位；设计研究
一、概述
深基坑施工监测技术，含地下水位的监测技术，被《建筑业10项新技术》（2010版）列为推广的新技术之一。

大底盘地下室抗浮水位的确定，其实就是深基坑施工过程中在各种工况下地下室底盘的抗浮计算，安全可靠、经济合理的抗浮设计，取决于设计者对各种工况的选择。

很多情况下需要施工单位的配合，否则最保险的抗浮设计也会出现工程问题。

二、案例分析
1. 工程概况
某住宅小区，总建筑面积20余万平方米(其中包括地下车库面积5万余平方米)，共10幢22层高层住宅、9幢15层小高层住宅。

拟建场地在1m厚的耕植土以下为约13m厚的砂质粉土，稍密一中密状态；其下为10余米厚淤泥质黏土，饱和一流塑状态；以下为约6m厚粉质黏土，饱和一软塑状态；再往下为o.6—5.3m 厚细砂，中密一密实状态；以下为圆砾层，最大揭露厚度9.3m，中密一密实状态。

地基土物理力学性质指标见表4
2. 地基基础设计
地质勘察报告指出，拟建场地地面平坦，地面黄海高程为5.20～5.50m。

该场地若选用预应力钢筋混凝土管桩，以8—1层圆砾为桩端持力层，桩身需穿越6—2层细砂。

该层细砂的标贯击数平均值为31击，静力触探锥尖阻力平均值为14MPa。

当桩径为600mm时，估计桩端进入6—2层细砂时的压桩阻力为4700kN，进入圆砾层的压桩阻力为5200kN，可见沉桩阻力很大。

根据附近工程实践经验，应选择500t以上的大吨位静压桩机。

地质勘察报告的“结论与建议”指出：对于22层住宅楼，建议采用直径600—800mm的钻孔灌注桩，以8—1层或8-3层圆砾为桩端持力层，桩端进入持力层3倍桩径。

为控制桩底沉渣，提高单桩承载力，可采用钻孔灌注桩后压浆技术。

对于15层住宅，建议采用预应力钢筋混凝土管桩，以62层细砂为桩端持力层，有效桩长以压桩力控制为主，标高控制为辅，桩端进入持力层1～2倍桩径。

地质勘察报告提供的该地区常年地下水位为黄海高程3.70m。

建议地下车库抗浮水位按黄海高程5.50m计算，同时考虑施工期间的抗浮问题。

建议采用预应力钢筋混凝土管桩或沉管灌注桩与钻孔灌注桩作为抗拔桩。

本工程建成后，室内标高为黄海高程7.30m，室外地坪标高为黄海高程7.00m，整个场地回填约1.70m。

此外，大底盘地下室顶板上回填土厚度1. 50m。

设计依据地质勘察报告的建议，对22层高层住宅，采用以8—1层圆砾为桩端持力层的预应力钢筋混凝土管桩，难以穿越圆砾层；而以6—2层细砂为桩端持力层的预应力钢筋混凝土管桩，因单桩承载力不足，需要在高层住宅下满堂布桩，基础为1.30m厚的大底板；决定采用直径800mm的钻孔灌注桩，桩有效长
度35m，单桩承载力特征值为2100kN，桩端进入8—1层圆砾2倍桩径，基础为独立桩承台梁板结构。

对于15层小高层住宅，采用直径600mm、长30m的预应力钢筋混凝土管桩，桩端持力层为第6-2层细砂，单桩承载力特征值为1700kN，基础为独立桩承台梁板结构。

关于约4万平方米大底盘外扩地下室施工期间抗浮验算与抗拔桩计算，可分以下几种工况讨论：
[工况一] 当外扩地下室顶面尚未覆土时，取常年地下水位(黄海高程3.70m)计算，单柱下需设置抗拔力170kN的抗拔桩；
[工况二] 当外扩地下室顶面已完成覆土，按地质勘察报告建议取抗浮水位为黄海高程5.50m，单柱下需设置抗拔力170kN的抗拔桩；
[工况三] 当外扩地下室仅完成底板与侧墙，而地下水位超过地下室侧墙的工况可不予考虑，万一出现这种工况，直接往敞口的地下室中灌水就可以避免发生上浮事故；
[工况四] 当外扩地下室顶面未覆土，而抗浮水位取黄海高程5.50m，此时每根柱下(8.4mX8.4m)需布置两根直径700mm、长30m的钻孔灌注桩，单桩抗拔承载力特征值为730kN。

设计人员认为第3种工况不必考虑，但第4种工况不能忽略，对大底盘外扩地下室的每根柱下布置两根直径700mm、长30m的钻孔灌注桩。

3. 工程问题
本工程附近的B住宅小区的地基土情况与本工程类似，已完成施工图设计。

B住宅小区中的24层高层住宅，采用直径600mm、长30m的预应力钢筋混凝土管桩，单桩承载力特征值为1700kN；15层小高层住宅，采用直径500mm、长30m的预应力钢筋混凝土管桩，单桩承载力特征值为1300kN。

桩基本上布置在剪力墙下，采用的是剪力墙下的桩承台梁。

24层高层住宅的桩位平面图见图一
15层高层住宅的桩位平面图见图二
B住宅小区24层高层住宅与15层小高层住宅均采用预应力钢筋混凝土管桩，大底盘外扩地下室的抗拔桩也采用预应力钢筋混凝土管桩。

本工程与B住宅小区的桩造价相比，每平方米建筑面积相差约200元左右，本工程20余万平方米就相差约4000万元。

业主要求设计者修改桩基础设计。

B住宅小区的大底盘外扩地下室抗浮计算书要点如下：
1)大底盘外扩地下室竣工后，场地土回填1.7m，地下室底板底面黄海高程为110m，按常年地下水位(黄海高程)为3.70m考虑，地下室的柱底(8.4mX8.4m)应布置2根直径500mm、长30m预应力钢筋混凝土管桩承担柱轴力，单桩承载力特征值为1300kN。

而使用期间即使地下水位取建成后室外地坪以下0.50m(黄海高程6.50m)，2 根长30m预应力钢筋混凝土管桩可满足抗浮要求，每根桩的抗拔力不足85kN。

2)在前述工况一、工况二的条件下采用2根直径500mm、长30m预应力钢筋混凝土管桩能满足抗浮要求。

前述工况三同样不予考虑。

3)对于前述工况四，B住宅小区的设计者认为，这种工况只会出现在大底盘外扩地下室完工但尚未覆土、暴雨中工地的排水机械失灵的情况下。

只需施工单位加强排水或必要时直接往地下室中灌水，可以不考虑这种工况。

大底盘外扩地下室若改为钻孔灌注桩抗
浮，与现有预应力钢筋混凝土管桩相比，桩造价将增加800万元以上(按钻孔灌注桩造价1000元／m3，预应力钢筋混凝土管桩造价150元／m计算)。

一旦覆土完成，这些钻孔灌注桩的抗拔力就成为多余。

采用预应力钢筋混凝土管桩抗浮，同时要求施工单位在地下室施工期间作好排水措施。

4、失误原因分析
本案例22层住宅的桩基础采用钻孔灌注桩而未采用预应力钢筋混凝土管桩，一方面是受地质勘察报告的影响，另一方面是没有进行认真的调查研究与分析。

对于地下室抗浮设计，设计者没有充分考虑施工期间的有效措施，致使工程成本无谓增加。

三、对策研究
在工程实践中，地下室发生上浮导致抗拔管桩的端板焊缝拉脱的事故时有发生，一般出现在施工阶段以及抗拔管桩的抗拔试验中。

某住宅小区(一层地下室)的抗拔管桩，在进行3根桩的抗拔试验时，有2根桩由于端板焊缝拉脱而失败。

其实，该工程一层地下室的单桩抗拔承载力取值700kN，其抗浮计算工况为本文所述的工况四，实际上，并不需要采用如此大的抗拔承载力。

某多塔大底盘地下室(一层地下室)，在地下室顶板未完成覆土前遭遇暴雨，施工人员掉以轻心，设计者也未多加关心，导致地下室大面积上浮400余毫米，抗拔管桩被拔起，底板与基础梁开裂。

地下室施工完成后，及时覆土回填是抗浮设计不可或缺的重要环节，必须重点强调。

如遇暴雨等特殊情况，设计、施工等均应有应急预案，采取必要的安全措施。

考虑建筑物的经济合理性是设计人员的职责所在。

抗浮计算的关键在于各种工况的选择，选择最危险、发生概率极低的工况进行抗浮设计固然安全，但是一旦工程竣工，为地下室抗浮所设的抗拔桩就在很大的程度上失去作用，工程建设中应当尽可能避免这种浪费。

四、结束语
高层建筑大底盘地下室抗浮水位的确定，一定要施工单位密切配合，密切关注深基坑施工各种工况下的水位变化，从而准确计算确定抗拔桩的类型与长度及施工方法。

参考文献
[1]中国建筑科学研究院等.GB 50007—2011建筑地基墓础设计规范[S]北京：中国建筑工业出版社，2011
[2]中国建筑科学研究院等.JGJ 94—2008建筑桩基技术规范[S]北京：中国建筑工业出版社，2008
[3]GB50497-2009 建筑基坑工程监测技术规范。

北京：中国建筑工业出版社，2009
徐行，女，1974年生，广东省湛江市规划勘测设计院建筑结构设计工程师，国家一级注册结构工程师，研究方向为建筑工程结构设计。