韓 貴,馬宏圖
(蘭州交大設(shè)計(jì)研究院有限公司,蘭州 730070)
隨著越來越多城市地下空間的開發(fā)和利用,地下建筑的抗浮設(shè)計(jì)已經(jīng)成為工程中無法回避的問題,尤其是涉及到地下水位埋深較淺且上部結(jié)構(gòu)整體荷載較小的地下工程,應(yīng)該特別注意地下建筑抗浮的專項(xiàng)設(shè)計(jì)。本文以甘肅省高臺(tái)縣某幼兒園消防水池基礎(chǔ)抗浮設(shè)計(jì)為例,闡述了基板延伸法與抗浮錨桿法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
本工程為幼兒園主樓下部地下一層消防水池基礎(chǔ)抗浮設(shè)計(jì),消防水池長19.7 m,寬16.9 m,高6.0 m,水池頂部覆土厚1.4 m。本工程±0.000絕對(duì)高程為1 345.9 m,地下水位高程1 342.42~1 343.58 m,抗浮設(shè)防水位建議值-1.32(1 344.58 m)。消防水池底標(biāo)高-7.0 m(1 338.6 m),消防水池基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ),筏板厚500 mm,消防水池頂板埋深-1.000 m,水池外墻厚300 mm,水池頂板厚250 mm。
根據(jù)建設(shè)單位提供的地質(zhì)勘察報(bào)告,場(chǎng)地土類型屬軟弱-中軟土,場(chǎng)地季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)深度為1.2 m。本工程場(chǎng)地內(nèi)地層地質(zhì)情況依次為:第①層素填土,結(jié)構(gòu)松散,土質(zhì)不均,平均層厚1.3 m;第②層粉質(zhì)黏土層,層內(nèi)夾有細(xì)砂薄層或透鏡體,平均層厚1.5 m;第③層細(xì)砂層,局部夾中砂、見零星小碎石、礦物成分為石英、長石等,平均層厚5.5 m,地基承載力特征值fak=140 kPa;第④層強(qiáng)風(fēng)化泥巖層,未揭穿,地基承載力特征值fak=200 kPa?;娱_挖時(shí)需采取降水措施,降水可采用豎井降水法,降水深度為開挖面1.0 m以下,待房心土及基坑回填后方可停止降水。消防水池基礎(chǔ)平面布置圖如圖1所示。
圖1 消防水池基礎(chǔ)平面布置圖(單位:mm)
本工程地下水埋深較淺且上部結(jié)構(gòu)荷載較小,根據(jù)JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中第3.0.1、3.0.2條,新建建筑工程在施工期和使用期,實(shí)施前,設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)該工程地上、地下結(jié)構(gòu)形式,以及基礎(chǔ)和地下水埋置深度、該工程的抗浮設(shè)計(jì)等級(jí)、地下建筑的荷載分布等條件,綜合各種因素,按最不利組合工況確定。當(dāng)?shù)叵陆ㄖ陨砜垢〔环€(wěn)定時(shí),應(yīng)根據(jù)自身抗浮穩(wěn)定性安全系數(shù)和具體情況采取相應(yīng)的抗浮措施[1]。本工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)[2],根據(jù)規(guī)范表3.0.1可知,本工程建筑抗浮工程設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)[1]?,F(xiàn)根據(jù)JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中第3.0.3條,以房心土及基坑回填后停止降水為前提,對(duì)本工程抗浮設(shè)計(jì)做一個(gè)判斷。
建筑工程抗浮穩(wěn)定性應(yīng)符合下式規(guī)定
式中:G為地上及地下建筑結(jié)構(gòu)自重、基礎(chǔ)底板以上的附加自重及所有抗浮構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值的總和,kN[1];Nw,k為浮力設(shè)計(jì)值,kN;Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)。根據(jù)規(guī)范表3.0.3本工程取值為1.05[1]。
根據(jù)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(外墻自重)=(16.6+19.4)×2×0.3×23×6.0=2 980.8 kN。
G4(頂板自重)=19.7×20.7×0.25×23=2 344.8 kN。
綜上,本工程消防水池基礎(chǔ)自身抗浮不滿足規(guī)范要求。
本工程消防水池基礎(chǔ)自身抗浮不滿足規(guī)范要求,現(xiàn)采用基板延伸法對(duì)原有基礎(chǔ)進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì),使其最終滿足抗浮設(shè)計(jì)。假定將筏板比原有設(shè)計(jì)外邊各擴(kuò)出X,抗浮安全系數(shù)仍取為1.05,此時(shí),根據(jù)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。
此時(shí),消防水池基礎(chǔ)底板尺寸長為22.0m、寬19.2m,施工時(shí)只需將原基礎(chǔ)筏板向外延伸0.65 m。同時(shí),由于筏板外挑過大,經(jīng)計(jì)算,挑板根部混凝土截面高度不滿足承載力要求,需在挑板根部加勒,如圖2所示。
圖2 基礎(chǔ)底板外擴(kuò)構(gòu)造圖(單位:mm)
消防水池基礎(chǔ)筏板施工注意事項(xiàng):
(1)本工程基礎(chǔ)底板地下室外側(cè)為懸挑構(gòu)件,施工時(shí),應(yīng)與筏板整體現(xiàn)澆,混凝土澆筑完畢后,外挑部分待混凝土強(qiáng)度等級(jí)需達(dá)到設(shè)計(jì)要求的100%方可拆模[3]。
(2)筏板應(yīng)一次連續(xù)澆筑,澆筑時(shí),應(yīng)根據(jù)有關(guān)施工規(guī)程采取可靠措施降低混凝土水化熱產(chǎn)生的內(nèi)外溫差,防止裂縫。
(3)本工程消防水池施工完畢后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行基坑和房心土回填,根據(jù)本項(xiàng)目現(xiàn)有地質(zhì)情況,回填材料采用素土或級(jí)配砂石,回填時(shí)應(yīng)分層壓實(shí),壓實(shí)系數(shù)不小于0.95[4]。
基板延伸法抗浮設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求后,與原有設(shè)計(jì)增加的工程造價(jià)如下。
(1)鋼筋混凝土外挑部分的增加量為:51.9×0.5=26.0 m3。
增加的造價(jià)為:26.0×1 500=39 000.0(元)。
(2)因鋼筋混凝土外挑部分外擴(kuò)而增加的土方挖方和填方量為:51.9×7.5=389.3 m3。
增加的造價(jià)為:389.3×70=27 251.0(元)。
總造價(jià)增加為:39 000.0+27 251.0=66 251.0(元)。
由式3.0.4可知,本工程消防水池基礎(chǔ)自身抗浮不滿足規(guī)范要求,現(xiàn)在原有設(shè)計(jì)上采用抗浮錨桿法對(duì)原有基礎(chǔ)進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)。由地質(zhì)勘查報(bào)告可知,砂漿與第④層強(qiáng)風(fēng)化泥巖間的黏結(jié)強(qiáng)度特征值為fthk=80 kPa。本工程采用分散型預(yù)應(yīng)力錨桿,錨筋直徑d=25 mm,錨桿桿體材料主要采用HRB400級(jí)螺紋鋼筋。錨固體直徑d1=150 mm,擬設(shè)計(jì)抗浮錨桿進(jìn)入土體長度為8.0 m[5],由于本工程第③層細(xì)砂層存在液化現(xiàn)象,故錨桿在細(xì)砂層不考慮錨固效應(yīng),扣除細(xì)砂層0.8 m,實(shí)際錨固段長度按l=7.2 m進(jìn)行計(jì)算,錨固體采用M30水泥砂漿,其中水灰比為0.5,拌和時(shí)水泥砂漿應(yīng)使用自來水和普通硅酸鹽水泥,錨固體中細(xì)骨料采用中粗砂,其中砂的含量按重量不得大于錨固體總質(zhì)量的3.5%[6],施工前,錨固體所需的砂和水泥必須提前進(jìn)行材料進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn),檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)場(chǎng)使用[7]。注漿時(shí)錨孔注漿壓力約0.5 MPa。當(dāng)采用細(xì)石混凝土作為注漿材料時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制好細(xì)石混凝土中粗骨料的粒徑大小,本工程石子粒徑最大不超過20 mm,細(xì)石混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。本工程所使用的錨桿防腐材料不應(yīng)與桿體發(fā)生化學(xué)反應(yīng),且在施工期間或后期使用時(shí)不發(fā)生損壞。
根據(jù)GB50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中第8.6.3條,本工程建筑設(shè)計(jì)等級(jí)為乙類,應(yīng)符合下式規(guī)定[2]
假定若滿足抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)Kw=1.05的條件,則需要布置n根抗浮錨桿。
由式(3.0.4)可得,n=(22 898.8×1.05-20 655.7)/217.0=15.6,取整n=16。
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,抗浮錨桿平面布置圖如圖3所示。
圖3 抗浮錨桿平面布置圖(單位:mm)
消防水池基礎(chǔ)抗浮錨桿施工流程及注意事項(xiàng)如下。
圖4 抗浮錨桿施工工藝流程
抗浮錨桿放線前應(yīng)與建設(shè)單位提供的最終版的藍(lán)圖復(fù)核圖紙中的平面定位、標(biāo)高、抗浮力等,否則,會(huì)出現(xiàn)測(cè)量放線與圖紙不符,抗浮錨桿不能滿足設(shè)計(jì)要求等情況。
鉆孔過程中,應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地層情況進(jìn)行復(fù)核,當(dāng)發(fā)現(xiàn)鉆孔中的地層情況與地勘報(bào)告不符,出現(xiàn)軟弱層等情況,應(yīng)及時(shí)聯(lián)系設(shè)計(jì)單位及監(jiān)理單位對(duì)錨桿長度進(jìn)行調(diào)整,否則,錨桿錨固力不滿足設(shè)計(jì)要求,錨桿驗(yàn)收試驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)不合格的情況。
施工前,對(duì)于地下水的降水措施,具體的降水措施應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行確定,并制定相應(yīng)的降水專項(xiàng)方案。應(yīng)將地下水未降至錨桿底部以下一定距離,否則,錨桿施工時(shí),地層中的砂層及礫石等軟巖土?xí)苋菀壮恋碇量椎?,從而不能有效地將漿液注至錨桿孔底,相當(dāng)于減少了錨桿的錨固段長度,不能滿足錨固要求。
注漿過程中振搗不密實(shí),使?jié){液與碎石滲透不均勻,進(jìn)而影響錨桿的錨固力,所以注漿過程中應(yīng)采用有效的措施對(duì)錨桿進(jìn)行充分振動(dòng),注漿后應(yīng)每隔一段時(shí)間對(duì)注漿孔進(jìn)行反復(fù)補(bǔ)漿,直至孔口漿液不下降。
施工前沒進(jìn)行技術(shù)交底,導(dǎo)致施工人員不了解設(shè)計(jì)意圖,進(jìn)而胡亂施工,使錨桿鋼筋長度不符合設(shè)計(jì)長度。施工過程中應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量檢查。
施工時(shí)錨桿頂和錨桿底標(biāo)高與設(shè)計(jì)不符,錨桿頂高于設(shè)計(jì)標(biāo)高就會(huì)導(dǎo)致錨桿不能伸到孔底,進(jìn)而導(dǎo)致錨固段長度不足;錨桿頂標(biāo)高低于設(shè)計(jì)標(biāo)高就會(huì)導(dǎo)致錨桿頂部鋼筋錨入底板的錨固長度不足。2種情況均會(huì)導(dǎo)致不滿足設(shè)計(jì)要求,因此,錨桿安放前,應(yīng)仔細(xì)檢查錨孔深度以及錨桿標(biāo)高。
實(shí)際施工過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)拔套管時(shí)錨筋上拔現(xiàn)象,造成此種現(xiàn)象的主要原因,一方面是套管內(nèi)加入的粗顆粒骨料粒徑過大,導(dǎo)致與鋼管的摩擦較大;另一方面,錨筋和注漿管掛在套管內(nèi)不平的地方。綜上,錨筋插入錨孔前應(yīng)檢查套管內(nèi)壁的平整度及錨筋的垂直度,錨筋在錨孔內(nèi)不宜出現(xiàn)接頭,粗骨料粒徑不宜過大,注漿管應(yīng)位于錨桿中央位置且不宜過長。
施工時(shí),現(xiàn)場(chǎng)對(duì)錨筋端部彎起時(shí)隨意彎起,未對(duì)彎起點(diǎn)進(jìn)行控制,導(dǎo)致彎起點(diǎn)距離基礎(chǔ)底板距離過近,不滿足設(shè)計(jì)要求。停止降水后,錨桿受力時(shí)將地處底板拉裂。錨筋彎起,必須對(duì)鋼筋的直線段進(jìn)行固定,防止一起彎起。
對(duì)于注漿材料,應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的配合比進(jìn)行拌料,否則錨固段強(qiáng)度不足或錨孔內(nèi)漿液收縮較大,嚴(yán)重降低了錨筋與漿液的黏結(jié)力,錨固力不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
當(dāng)錨固段地層為卵石、碎石等地層時(shí),如果注漿不及時(shí),則錨孔容易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象,造成注漿管的堵塞,嚴(yán)重影響漿液的密實(shí)度進(jìn)而影響錨固力。因此,鉆孔完成后應(yīng)及時(shí)注漿,防止出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。
注漿前在鉆孔內(nèi)加入的級(jí)配碎石細(xì)料較多,使?jié){液不能有效滲入碎石內(nèi),造成錨固體密實(shí)度和黏結(jié)力不夠,影響錨固體與錨筋的握裹力。進(jìn)料前,應(yīng)對(duì)碎石質(zhì)量及粒徑按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行要求,碎石應(yīng)粒徑接近2 cm,且含細(xì)料較少,碎石干凈。
抗浮錨桿法抗浮設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求后,與原有設(shè)計(jì)增加的工程造價(jià)為
綜上,通過對(duì)同一工程,同一抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)的前提下進(jìn)行基板延伸法和抗浮錨桿法對(duì)消防水池進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)的對(duì)比,抗浮設(shè)計(jì)應(yīng)考慮:
(1)隨著抗浮設(shè)計(jì)不當(dāng)或遺漏,越來越多的地下建筑在施工或使用過程中出現(xiàn)了局部或大面積的抗浮破壞,當(dāng)?shù)叵陆ㄖ叵滤裆钶^淺且上部結(jié)構(gòu)荷載較小時(shí),需進(jìn)行自身抗浮驗(yàn)算,切不可根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)自身不能滿足抗浮設(shè)計(jì)要求時(shí),應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、基礎(chǔ)類型、地質(zhì)條件及當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)進(jìn)行專項(xiàng)抗浮設(shè)計(jì)。
(2)設(shè)計(jì)方面,基板延伸法只需將原有筏板進(jìn)行外擴(kuò),并在外挑根部設(shè)置加勒;而抗浮錨桿法應(yīng)進(jìn)行抗浮錨桿的專項(xiàng)設(shè)計(jì),并應(yīng)對(duì)抗浮錨桿的各種構(gòu)造進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
(3)施工方面,基板延伸法更為快捷、簡便,施工工序基本與原有設(shè)計(jì)一致,施工工期短;抗浮錨桿法施工則較為復(fù)雜,工序繁雜,施工工期較長,施工質(zhì)量難以有效保障。
(4)經(jīng)濟(jì)方面,相較于抗浮錨桿法,在抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)相同的情況下,基板延伸法工程造價(jià)更低,更為經(jīng)濟(jì)。