地下车库的抗浮设计
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【摘 要】地下车库的埋深较深、地下水位较浅时，会产生地下室的抗浮设计问题。忽视地下室的抗浮设计将导致严重的工程事故。本文首先说明了地下结构抗浮设计的依据，然后分析了地下车库的抗浮设计应考虑的问题，最后结合工程案例详细阐述了地下车库的抗浮设计要点。
【关键词】地下车库；抗浮设计；设计水位；配重；抗浮桩
一、地下结构抗浮设计的依据
目前，涉及抗浮计算的国家规范及标准有多部：
（一）《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）第 3.2.4条第 3 款规定：对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，荷载的分项系数应满足有关的建筑结构设计规范的规定。同时，结合第 1、2 款可以明确，在其他结构设计规范没有明确规定时，在抗浮计算中，永久荷载的分项系数可取不大于 1.0 的值。
（二）《砌体结构设计规范》（GB50003-2011）第 4.1.6条规定：当砌体结构作为一个刚体，需验算整体稳定性。按照规范给出的公式，分为按可变荷载起控制作用及永久荷载起控制作用进行验算，起有利作用的永久荷载的分项系数均取 0.8。
（三）《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）第10.0.4 条规定：明挖法地下工程的结构自重应大于净水压力造成的浮力，在自重不足时应采取锚桩或其他抗浮措施。
（四）《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）第3.0.5 条第 3 款规定：计算基础抗浮时，作用效应应按承载能力极限状态下作用的基本组合，但分项系数取1.0。第 5.4.3 条规定：建筑物基础存在浮力作用时应进行抗浮稳定性验算，抗浮稳定安全系数 Kw 一般情况下取 1.05。
（五）《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）第 5.2.3 条规定：构筑物在基本组合作用下进行上浮验算的稳定性抗力系数不应小于 1.05。验算时，抵抗力只计入永久荷载，不应计入可变作用和侧壁上的摩阻力；抵抗力采用标准值。
（六）《给水排水工程管道结构设计规范》（GB50332-2002）第 4.2.10 条规定：对埋在地表水或地下水下的管道，应根据设计条件计算管道的抗浮稳定性。计算时各项作用均取标准值，并应满足抗浮稳定性抗力系数不小于 1.10。
二、地下车库的抗浮设计应考虑的问题
（一）地下车库抗浮设计水位
《建筑地基基础设计规范》（ GB 50007-2011）第3. 0. 2条第6款规定“建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算”。并在条文说明中指出：抗浮设计水位是很重要的设计参数，影响因素众多，不仅与气候、水文地质等自然因素有关，有时还涉及地下水的开采、上下游水量调配、跨流域调水和人量地下工程建设等复杂因素。对情况复杂的重要工程，要在勘察期间预测建筑物使用期间水位可能发生的变化和最高水位有时相当困难。故现行国家标准《岩土勘察规范》GB50021规定，对情况复杂的重要工程，需论证使用期间水位变化，提出抗浮设防水位时，应进行专门研究。
（二）地下车库结构的抗浮设计
1.整体抗浮
根据GB 5007一2011《建筑地基基础设计规范》中的第5.4.3条规定，地下结构物的抗浮设计对地下室抗浮设计的总原则是应满足式（2一1）要求：
Gk/Nw.，k R1.05 （2一1）
当不满足（2一1）式的要求，应进行地下室抗浮设计。
常见的整体抗浮设计方法通常采用增加结构物自重或采用抗拔桩、抗拔描杆等，使结构的抗浮力与地下水引起的浮力相平衡，从而达到抗浮的目的。本方法施工工艺成熟，一直被广泛运用。
2.局部抗浮
局部抗浮验算指地下室底板在浮力作用下的内力分析，按逐个柱的受荷而积来进行，此时地下水浮力扣除底板自重后相当于地基净反力。局部抗浮验算包括地基净反力作用下的梁板截而配筋计算和底板裂缝验算。并主要针对那些上部结构层数少，结构自重小的部位，特别是地下室在高层塔楼边界范围外的部位。
三、地下车库抗浮设计实例分析
（一）工程概况
某市中心广场地下车库为56车位Ⅲ类单层地下汽车库。平面尺寸为79m×17.6m，柱网开间为7.9m。汽车库埋深为自然地坪以下4.5m，车库底板厚0.4m，顶板覆土层厚为0.9m。地基土分布自上而下为：
①-1层为杂填土层，层厚1m左右
②-1层为粉质粘土层，层厚为2m左右
②-2层为粘质粉土层，层厚为2～3m
③层为淤泥质粘土层，层厚为13～15m
由于②层土渗透性较好，又要考虑到大气降水的影响，底板所受反力按浮力计算为35kPa。作为地下室的抗浮设计，主要需解决两方面问题，即强度和抗浮验算。
（二）强度验算
地下室强度验算是指地下室底板及侧板在水压力及侧压力作用下的构件强度计算。 底板一般按倒楼盖法计算， 侧板按三角形荷载进行计算， 四边支撑条件按具体情况确定。基底反力及侧压力应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合， 采用相应的分项系数。 当需要验算基础裂缝宽度时， 应按正常使用极限状态荷载效应的标准组合。 常水位以下浮力视作永久荷载。
（三）抗浮验算
地下室抗浮验算是指地下建（构）筑物在正常使用条件下全部自重（包括顶板及覆土重）大于地下室所受浮力 R浮，γ。S ≥R浮
S 为荷载效应的基本组合
S =γGSGk+γQ1SQ1K
取最不利工况，即不计地下车库可变荷载的作用则 S =γGSGK
按《建筑结构荷载规范 GB50009―2001》第3.2.5条规定，基本组合的荷载分项系数， 当其效应对结构有利时对结构的倾覆、滑移或漂浮验算应取 γG=0.9。即 0.9SGK≥R 浮。
（四）抗浮设计方案的选择
1.常规措施
增加配重法。增加结构的配重通常通过下面 2 种方法实现：一是在地下室底板上回填混凝土等容重较大的材料，类似增加建筑装修厚度来加重。这种方法在保证地下室建筑高度的情况下，结构层高需加大，水浮力会随着增大，抗浮效果不明显，工程中极少采用。二是地下室底板外伸，通过外伸底板上的覆土来满足抗浮要求。地下室底板外伸会对侧墙、底板的受力不利，外伸宽度也有限制，使用的局限性较大，工程中较少采用。
2.抗浮桩设计
抗浮桩的机理是利用桩身自重及桩周土体的摩阻力来抗浮。抗浮桩的设计应视不同的地质条件区别对待。当地基土为淤泥质粘土，粘土类地基时，利用通长配筋的沉管灌注桩是一种比较经济合理的方法。
抗浮桩承载力特征值表达式：
Ra =λUp∑ qsiali+0.9Gk
λ为摩阻力降低系数可取 0.4～ 0.6
GK为扣除浮力后的桩身自重标准值
当地基土为硬可塑类粘土或风化基岩时可利用人工挖孔扩底桩。扩底桩的间距L、深度H、扩大头直径D三要素可根据抗浮要求、土质岩性、施工机械设备、施工方法和地下水等情况确定。
（五）施工期间的抗浮措施
地下车库在施工期间虽然顶板和覆土尚未完成，但只要及时排除地下室基坑中底板四周的水，就不会产生上浮现象。其排水方法常用排水沟加集水井，再用潜水泵排出。当土质的渗透系数较大，即浮力较大时，应在地下室底板中设置后浇带，利用底板下的块石垫层作为倒滤层，在后浇带中插入轻型井点立管，不断地降水。根据坑底土质的不同井点立管可插至底板垫层下的粉土层，也可以将滤管部分埋置于块石垫层中。浇筑后浇带的混凝土时，应在井点立管中焊上环形钢板止水环，然后继续降水，直至地下室顶板和板顶覆土完成后，再切割掉井点立管，管顶加盖板焊牢。
四、结语
综上，地下车库的抗浮设计原理虽然简单，却是结构设计的重要部分，关乎结构的安全使用，应予以重视。结构设计人员需充分理解规范，合理选择抗浮设计中需要的设计参数，并根据场地、水文、土层等情况选择合理、经济的抗浮措施。
参考文献：
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