浅析地下建筑结构抗浮桩的应用及施工技术

　　摘要：本文介绍了地下建筑结构中抗浮桩的应用。还详细阐述了地下构筑物在使用期的永久性抗浮和桩头防水的构造措施及施工期临时性的综合抗浮措施。
　　关键词：建筑结构；抗浮桩；直径；锚杆
　　在地下水位较高地区的地下车库、地下水池、地下商场、地下泵房、船坞、地下储液罐等地下建筑结构的抗浮问题应引起高度重视。当这些地下建筑结构自重荷载（包括其上部建筑结构的恒载）不足以抵抗地下水的浮力时，往往会产生整个或局部地下建筑结构上浮现象，从而导致地下墙、柱或底板开裂，或地下构筑物倾斜，这将直接危害正常使用及结构安全。本文对地下建筑结构抗浮桩应用以及工后使用期和施工期的综合抗浮技术措施加以分析。
　　1地下建筑结构中抗浮桩的应用
　　对地下建筑结构抗浮桩进行设计，应做到既安全又经济合理。首先应慎重分析工程地质和水文地质资料，针对地下水位可能的丰水期和枯水期分别考虑，并且区别施工阶段和竣工后使用阶段的不同工况。软土地基中的抗浮桩一般既是丰水期的抗浮桩，又是枯水期的抗压桩，两者应综合应用合理设计。
　　1.1以地下建筑结构自重作为抗浮力
　　地下建筑结构抗浮设计的前提是分析清楚浮力与抗浮力。地下建筑结构的浮力等于地下水位以下至地下建筑结构底板底这部分等体积的水重量。地下水位一般取水文地质资料提供的50年一遇的最高地下水位，若无此水位资料，应以室外地坪标高为最高水位。地下建筑结构的抗浮力只计永久荷载，包括地下建筑顶板上的填土荷载，根据国家标准《建筑结构荷载规范GB50009-2001》（2006年版）第3.2.5条规定。浮力S与抗浮永久荷载G应满足公式（1）
　　
　　式中为地下建筑结构的重要性系数，对安全等级为二级或设计使用期为50年的地下结构取1.0；对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的取1.1。地下建筑结构在使用期间不同程度地存在活荷载，此活荷载只作为抗浮设计的安全储备，而不列入计算。当计算结果不满足公式（1）时，则应采取永久性的抗浮桩或锚杆构造。
　　1.2抗浮桩的设计
　　作为地下建筑结构的抗浮桩，应满足国家行业标准《建筑桩基技术规范JGJ（94—2008）》的要求，并按公式（2）、（3）计算。
　　
　　式中：——按荷载效应标准组合计算的单桩拔力；
　　——单桩的抗拔极限承载力标准值；
　　——桩基自重，地下水位以下取浮重度，对于扩底桩将另行计算；
　　——抗拔系数，对砂土取0.50～0.70，对黏性土和粉土取0.70～0.80，当桩长与桩径之比小于20时，取小值；
　　——桩侧表面第层土的抗压极限侧阻力标准值；
　　——桩侧周长，对于等直径桩取，为桩径，对于扩底桩另行计算；
　　——桩周第层土的厚度。
　　按公式（1）确定的基桩极限抗拔承载力适用于丙级建筑桩基；对于甲级和乙级建筑桩基；则应通过现场单桩上拔静载荷试验确定。
　　基桩的抗拔侧阻力和抗压侧阻力是有区别的，随着上拔量的增加，其侧阻力会因土层松动及侧面积减少等原因而低于抗压侧阻力，故在利用一般工程地质勘察报告所提供的抗压侧阻力来确定抗拔侧阻力时，需引入拔压的侧阻力比例系数，即抗拔系数，也称拔压比。抗拔侧阻力取决于桩周土层的力学性质，其拔压比根据试验，灌注桩高于预制桩，长桩高于短桩。上拔荷载下群桩的破坏模式因桩距大小不同而呈基桩分离的非整体拔出破坏和桩土呈整体拔出破坏，故规范JGJ94—2008第5.4.6条规定了群桩抗拔效应公式。换言之，从经济合理角度分析，适当扩大抗拔桩的间距是有利的。
　　1.3抗拔桩的桩型选择
　　地下建筑结构底板下的桩，应视不同的地质条件因地制宜地选择。当底板下为淤泥质黏土、黏土类地基时，利用配筋到底的沉管灌注桩是一种比较经济合理的方法。当沉管灌注桩（挤土桩）不适用时，或当底板下为粉土、砂土时，可利用配筋到底的钻孔灌注桩作抗浮桩。当底板下为硬可塑类黏土或风化基岩时，可利用人工挖孔桩。
　　为了提高基桩的抗拔承载力，采用扩底桩是有效的途径。例如人工挖孔灌注桩和钻孔灌注桩均可施工为扩底桩。扩底桩的抗拔承载力破坏模式。随土的摩擦角大小而变，内摩擦角越大，受扩底影响的破坏柱体越长。桩底以上长度在4～10（桩径）范围内，破坏柱体直径增大至扩底的直径按此模型并经过试验，给出扩底桩抗拔承载力计算周长。
　　若地下建筑结构底板下的地质条件不宜设置抗浮桩，可采用抗浮注浆锚杆。注浆锚杆的间距常为2m，且应大于（锚杆孔直径）或按设计，以防止“群锚”效应，即多根锚杆的锚固效率低于单根锚杆锚固力之和。锚杆常用Ⅱ、Ⅲ级，钢筋直径，钻孔直径常为100～200mm，且宜取3倍锚杆直径，但不应小于1倍锚杆直径加50mm。锚杆长度应满足锚固要求，锚杆深入基岩长度应大于。注浆常用掺有早强剂的高标号水泥浆、水泥砂浆或细石混凝土，其抗压强度标准值不得低于30MPa注浆压力不低于0.5MPa，设计为二次重复高压的注浆压力不宜低于2MPa。对设计等级为甲级的建筑物，抗浮锚杆的抗拔承载力应通过现场试验确定。
　　2抗浮桩的构造
　　2.1抗浮桩构造
　　在常规性的抗浮构造措施不足时，应专门设置地下室底板下的抗浮桩。抗浮桩不仅增加了桩身自重,更重要的是利用桩周土体的摩阻力来抗浮。
　　抗浮桩应限制桩身受荷后的裂缝宽度或裂缝出现，《建筑桩基技术规范（JGJ94—2008）》中规定：“对于严格要求不出现裂缝的一级裂缝控制等级预应力混凝土基桩，在荷载效应标准组合下混凝土不应产生拉应力”；“对于一般要求不出现裂缝的二级裂缝控制等级预应力混凝土基桩，在荷载效应标准组合下的拉应力不应大于混凝土轴心受拉强度标准值”；对于允许出现裂缝的三级裂缝控制等级基桩，按荷载效应标准组合计算的最大裂缝宽度，不应超过0.2mm。当抗浮桩的裂缝控制达不到上述要求时，可采用预应力抗拔灌注桩和桩侧后注浆及抗底桩等措施。
　　2.2抗浮桩的防水构造措施
　　抗浮桩一般处于地下水压较大的条件下工作，故其桩头的防水构造应设置到位，以保证地下建筑结构的正常使用和耐久性。
　　具体操作时要注意以下几点：
　　（1）桩头要剔凿至设计标高，并用聚合物水泥防水砂浆找平；桩侧剔凿至混凝土密实处；
　　（2）截桩后如发现渗漏水，应采取相应堵漏措施；
　　（3）清除基层上的混凝土!粉尘等，用清水冲洗干净；基面要求潮湿,但不得有明水；
　　（4）沿桩头根部及桩头钢筋根部分别剔凿成20mmⅹ25mm及10mmⅹ10mm的凹槽；
　　（5）涂刷水泥基渗透结晶防水涂料必须连续、均匀，待第二层涂料呈半干状态后开始喷水养护，养护时间不小于3d；
　　（6）待膨胀型止水条紧密、连续、牢固地填塞于凹槽后，方可施工聚合物水泥砂浆层；
　　（7）聚硫嵌缝膏嵌填时，应保护好垫层防水层，并与之搭接严密；
　　（8）垫层防水层及聚硫嵌缝膏施工完成后，应及时做细石混凝土保护层。
　　3施工期间的抗浮措施
　　地下建（构）筑物若处于透水系数比较大的粉质黏土、粉土、砂土中，由于正值施工期间，地下室的顶板和覆土尚未完成，此时底板和外墙已施工完成，在地下水作用下，形成了一定的浮力。当浮力不大时，可利用排水明沟、集水井结合潜水泵排出基坑内的水，来减小浮力。当土质的渗透系数大或正值暴雨季节时，即浮力较大时，若抗浮桩不足以抗浮承载，可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或降水管井，可不断地降水。
　　根据坑底土质的不同，井点立管可插至底板垫层下的粉土（砂）层，也可以将滤管部分埋置于块石垫层中。浇筑后浇带中混凝土时，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，达到设计要求后，再切割掉井点立管，管顶加盖板焊死。若设置后浇带有困难，则可以在底板中适当部位设几个管井点降水，挖土至设计标高后，焊上环形止水环，浇入底板混凝土中，其余处理措施同上述。
　　4结语
　　地下建筑的抗浮构造及措施应根据工程水文地质资料、施工条件、地下结构等具体情况进行周密的设计计算和精心施工。设计中应考虑工程造价的经济合理性，并尽量利用一些简易的临时抗浮措施，以达到降低工程造价的目的。施工中还应考虑地下建筑不同工况下的浮力与抗浮力，并采取相应的对策。地下建筑结构不仅在竣工使用期安全抗浮，还应保证施工期也安全抗浮。地下建筑物均为抗渗混凝土结构，除确保其强度要求外还应确保其抗渗要求，故应按设计和施工规范的要求，精心施工。