韩 贵，马宏图
（兰州交大设计研究院有限公司，兰州 730070）
随着越来越多城市地下空间的开发和利用，地下建筑的抗浮设计已经成为工程中无法回避的问题，尤其是涉及到地下水位埋深较浅且上部结构整体荷载较小的地下工程，应该特别注意地下建筑抗浮的专项设计。本文以甘肃省高台县某幼儿园消防水池基础抗浮设计为例，阐述了基板延伸法与抗浮锚杆法各自的优缺点。
1 工程概况
本工程为幼儿园主楼下部地下一层消防水池基础抗浮设计，消防水池长19.7 m，宽16.9 m，高6.0 m，水池顶部覆土厚1.4 m。本工程±0.000绝对高程为1 345.9 m，地下水位高程1 342.42～1 343.58 m，抗浮设防水位建议值-1.32（1 344.58 m）。消防水池底标高-7.0 m（1 338.6 m），消防水池基础采用筏板基础，筏板厚500 mm，消防水池顶板埋深-1.000 m，水池外墙厚300 mm，水池顶板厚250 mm。
根据建设单位提供的地质勘察报告，场地土类型属软弱-中软土，场地季节性冻土标准深度为1.2 m。本工程场地内地层地质情况依次为：第①层素填土，结构松散，土质不均，平均层厚1.3 m；第②层粉质黏土层，层内夹有细砂薄层或透镜体，平均层厚1.5 m；第③层细砂层，局部夹中砂、见零星小碎石、矿物成分为石英、长石等，平均层厚5.5 m，地基承载力特征值fak=140 kPa；第④层强风化泥岩层，未揭穿，地基承载力特征值fak=200 kPa。基坑开挖时需采取降水措施，降水可采用竖井降水法，降水深度为开挖面1.0 m以下，待房心土及基坑回填后方可停止降水。消防水池基础平面布置图如图1所示。
图1 消防水池基础平面布置图（单位：mm）
2 抗浮设计
本工程地下水埋深较浅且上部结构荷载较小，根据JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技术标准》中第3.0.1、3.0.2条，新建建筑工程在施工期和使用期，实施前，设计人员应根据该工程地上、地下结构形式，以及基础和地下水埋置深度、该工程的抗浮设计等级、地下建筑的荷载分布等条件，综合各种因素，按最不利组合工况确定。当地下建筑自身抗浮不稳定时，应根据自身抗浮稳定性安全系数和具体情况采取相应的抗浮措施[1]。本工程地基基础设计等级为甲级[2]，根据规范表3.0.1可知，本工程建筑抗浮工程设计等级为甲级[1]。现根据JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技术标准》中第3.0.3条，以房心土及基坑回填后停止降水为前提，对本工程抗浮设计做一个判断。
建筑工程抗浮稳定性应符合下式规定
式中：G为地上及地下建筑结构自重、基础底板以上的附加自重及所有抗浮构件承载力设计值的总和，kN[1]；Nw，k为浮力设计值，kN；Kw为抗浮稳定安全系数。根据规范表3.0.3本工程取值为1.05[1]。
根据式（3.0.1），G=G1+G2+G3+G4=20 655.7 kN。（3.0.2）
Nw，k=17.9×20.7×10×（7.0+0.5-1.32）=22 898.8 kN。（3.0.3）
Kw=20 655.7/22 898.8=0.90＜1.05。 （3.0.4）
G1（筏板自重）=17.9×20.7×0.5×23=4 261.1 kN。
G2（覆土重）=19.7×16.9×1.0×18+（20.7×17.9-19.7×16.9）×7.5×18=11 069 kN。
G3（外墙自重）=（16.6+19.4）×2×0.3×23×6.0=2 980.8 kN。
G4（顶板自重）=19.7×20.7×0.25×23=2 344.8 kN。
综上，本工程消防水池基础自身抗浮不满足规范要求。
3 基板延伸法
本工程消防水池基础自身抗浮不满足规范要求，现采用基板延伸法对原有基础进行进一步设计，使其最终满足抗浮设计。假定将筏板比原有设计外边各扩出X，抗浮安全系数仍取为1.05，此时，根据式（3.0.1）可得
G=20 655.7+〔（20.7+2X）×（17.9+2X）-20.7×17.9〕×7.5×18
Nw，k=22 898.8+〔（20.7+2X）×（17.9+2X）-20.7×17.9〕×6.18×10
解得：X=0.607。取整：X=0.65 m。
此时，消防水池基础底板尺寸长为22.0m、宽19.2m，施工时只需将原基础筏板向外延伸0.65 m。同时，由于筏板外挑过大，经计算，挑板根部混凝土截面高度不满足承载力要求，需在挑板根部加勒，如图2所示。
图2 基础底板外扩构造图（单位：mm）
消防水池基础筏板施工注意事项：
（1）本工程基础底板地下室外侧为悬挑构件，施工时，应与筏板整体现浇，混凝土浇筑完毕后，外挑部分待混凝土强度等级需达到设计要求的100%方可拆模[3]。
（2）筏板应一次连续浇筑，浇筑时，应根据有关施工规程采取可靠措施降低混凝土水化热产生的内外温差，防止裂缝。
（3）本工程消防水池施工完毕后应及时进行基坑和房心土回填，根据本项目现有地质情况，回填材料采用素土或级配砂石，回填时应分层压实，压实系数不小于0.95[4]。
基板延伸法抗浮设计满足规范要求后，与原有设计增加的工程造价如下。
（1）钢筋混凝土外挑部分的增加量为：51.9×0.5=26.0 m3。
增加的造价为：26.0×1 500=39 000.0（元）。
（2）因钢筋混凝土外挑部分外扩而增加的土方挖方和填方量为：51.9×7.5=389.3 m3。
增加的造价为：389.3×70=27 251.0（元）。
总造价增加为：39 000.0+27 251.0=66 251.0（元）。
4 抗浮锚杆法
由式3.0.4可知，本工程消防水池基础自身抗浮不满足规范要求，现在原有设计上采用抗浮锚杆法对原有基础进行进一步设计。由地质勘查报告可知，砂浆与第④层强风化泥岩间的黏结强度特征值为fthk=80 kPa。本工程采用分散型预应力锚杆，锚筋直径d=25 mm，锚杆杆体材料主要采用HRB400级螺纹钢筋。锚固体直径d1=150 mm，拟设计抗浮锚杆进入土体长度为8.0 m[5]，由于本工程第③层细砂层存在液化现象，故锚杆在细砂层不考虑锚固效应，扣除细砂层0.8 m，实际锚固段长度按l=7.2 m进行计算，锚固体采用M30水泥砂浆，其中水灰比为0.5，拌和时水泥砂浆应使用自来水和普通硅酸盐水泥，锚固体中细骨料采用中粗砂，其中砂的含量按重量不得大于锚固体总质量的3.5%[6]，施工前，锚固体所需的砂和水泥必须提前进行材料进场检验，检验合格后方可进场使用[7]。注浆时锚孔注浆压力约0.5 MPa。当采用细石混凝土作为注浆材料时，应严格控制好细石混凝土中粗骨料的粒径大小，本工程石子粒径最大不超过20 mm，细石混凝土强度等级为C35。本工程所使用的锚杆防腐材料不应与杆体发生化学反应，且在施工期间或后期使用时不发生损坏。
根据GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》中第8.6.3条，本工程建筑设计等级为乙类，应符合下式规定[2]
假定若满足抗浮稳定安全系数Kw=1.05的条件，则需要布置n根抗浮锚杆。
由式（3.0.4）可得，n=（22 898.8×1.05-20 655.7）/217.0=15.6，取整n=16。
根据以上计算结果，抗浮锚杆平面布置图如图3所示。
图3 抗浮锚杆平面布置图（单位：mm）
消防水池基础抗浮锚杆施工流程及注意事项如下。
4.1 抗浮锚杆施工工艺（图4）
图4 抗浮锚杆施工工艺流程
4.2 抗浮锚杆施工质量问题及注意事项
抗浮锚杆放线前应与建设单位提供的最终版的蓝图复核图纸中的平面定位、标高、抗浮力等，否则，会出现测量放线与图纸不符，抗浮锚杆不能满足设计要求等情况。
钻孔过程中，应对现场实际地层情况进行复核，当发现钻孔中的地层情况与地勘报告不符，出现软弱层等情况，应及时联系设计单位及监理单位对锚杆长度进行调整，否则，锚杆锚固力不满足设计要求，锚杆验收试验会出现不合格的情况。
施工前，对于地下水的降水措施，具体的降水措施应根据现场实际情况进行确定，并制定相应的降水专项方案。应将地下水未降至锚杆底部以下一定距离，否则，锚杆施工时，地层中的砂层及砾石等软岩土会很容易沉淀至孔底，从而不能有效地将浆液注至锚杆孔底，相当于减少了锚杆的锚固段长度，不能满足锚固要求。
注浆过程中振捣不密实，使浆液与碎石渗透不均匀，进而影响锚杆的锚固力，所以注浆过程中应采用有效的措施对锚杆进行充分振动，注浆后应每隔一段时间对注浆孔进行反复补浆，直至孔口浆液不下降。
施工前没进行技术交底，导致施工人员不了解设计意图，进而胡乱施工，使锚杆钢筋长度不符合设计长度。施工过程中应加强质量检查。
施工时锚杆顶和锚杆底标高与设计不符，锚杆顶高于设计标高就会导致锚杆不能伸到孔底，进而导致锚固段长度不足；锚杆顶标高低于设计标高就会导致锚杆顶部钢筋锚入底板的锚固长度不足。2种情况均会导致不满足设计要求，因此，锚杆安放前，应仔细检查锚孔深度以及锚杆标高。
实际施工过程中经常会出现拔套管时锚筋上拔现象，造成此种现象的主要原因，一方面是套管内加入的粗颗粒骨料粒径过大，导致与钢管的摩擦较大；另一方面，锚筋和注浆管挂在套管内不平的地方。综上，锚筋插入锚孔前应检查套管内壁的平整度及锚筋的垂直度，锚筋在锚孔内不宜出现接头，粗骨料粒径不宜过大，注浆管应位于锚杆中央位置且不宜过长。
施工时，现场对锚筋端部弯起时随意弯起，未对弯起点进行控制，导致弯起点距离基础底板距离过近，不满足设计要求。停止降水后，锚杆受力时将地处底板拉裂。锚筋弯起，必须对钢筋的直线段进行固定，防止一起弯起。
对于注浆材料，应严格按照设计要求的配合比进行拌料，否则锚固段强度不足或锚孔内浆液收缩较大，严重降低了锚筋与浆液的黏结力，锚固力不能达到设计要求。
当锚固段地层为卵石、碎石等地层时，如果注浆不及时，则锚孔容易出现塌孔现象，造成注浆管的堵塞，严重影响浆液的密实度进而影响锚固力。因此，钻孔完成后应及时注浆，防止出现堵塞现象。
注浆前在钻孔内加入的级配碎石细料较多，使浆液不能有效渗入碎石内，造成锚固体密实度和黏结力不够，影响锚固体与锚筋的握裹力。进料前，应对碎石质量及粒径按设计图纸进行要求，碎石应粒径接近2 cm，且含细料较少，碎石干净。
抗浮锚杆法抗浮设计满足规范要求后，与原有设计增加的工程造价为
5 结束语
综上，通过对同一工程，同一抗浮稳定安全系数的前提下进行基板延伸法和抗浮锚杆法对消防水池进行抗浮设计的对比，抗浮设计应考虑：
（1）随着抗浮设计不当或遗漏，越来越多的地下建筑在施工或使用过程中出现了局部或大面积的抗浮破坏，当地下建筑地下水埋深较浅且上部结构荷载较小时，需进行自身抗浮验算，切不可根据以往经验。当自身不能满足抗浮设计要求时，应根据结构类型、基础类型、地质条件及当地经验进行专项抗浮设计。
（2）设计方面，基板延伸法只需将原有筏板进行外扩，并在外挑根部设置加勒；而抗浮锚杆法应进行抗浮锚杆的专项设计，并应对抗浮锚杆的各种构造进行详细设计。
（3）施工方面，基板延伸法更为快捷、简便，施工工序基本与原有设计一致，施工工期短；抗浮锚杆法施工则较为复杂，工序繁杂，施工工期较长，施工质量难以有效保障。
（4）经济方面，相较于抗浮锚杆法，在抗浮稳定安全系数相同的情况下，基板延伸法工程造价更低，更为经济。
