陈秋汝 李鹏飞 洪湖

1.绿地集团合肥美湖置业有限公司 安徽 合肥 230009

2.中建七局第二建筑有限公司 江苏 昆山 215300

3.合肥市康健房地产开发有限公司 安徽 合肥 230009

1 项目概况

本案为合肥市某高端住宅项目。其中北侧含二层地下车库及3栋高层建筑。地库部分两层地下室局部为人防，层高均为3.6m，纯地库部分（不含主楼）地下二层面积为10675.5m2，见图1地下二层平面布置图。地下室顶板覆土厚度1.2m，室内外高差0.15m。地库周边土质情况依次为①层杂填土，②层黏土，③层黏土，详见图2工程断面剖面图。地库采用天然地基，持力层为③层黏土层，未修正的地基承载力特征值fak=330kPa。根据地勘报告：本场地中基坑位于地下水水位以下，设计时应考虑其对结构的上浮作用。场地抗浮水位按设计地面标高下1.0m考虑。

图1 地下二层平面布置图

图2 工程地质剖面图

2 原设计情况

纯地下车库部分采用小柱网框架结构，标准段柱网为（4.8+4.8+4.8m）x8.0m。原设计主楼部分采用桩筏基础，桩基采用PHC 500 AB 125-23高强预应力管桩，桩端持力层为④层强风化泥质砂岩，桩基承载力特征值2500kN。纯地库部分采用筏板+下柱墩的基础形式，以③层黏土层为基础持力层。筏板厚度为450mm，配筋为F14@170双层双向，局部加强配筋。

抗浮设计采用抗浮锚杆，锚杆直径200mm，设计长度10m，锚杆承载力特征值150KN。为平衡沉降差异，地库和主楼交界处设置沉降后浇带。标准柱跨基础设计详见图3标准跨基础平面布置图，下柱墩配筋详图见图4。下柱墩除按表内配筋外，尚且采用局部加强的方式，增加局部钢筋配置。

图3 标准跨基础平面布置图

图4 下柱墩配筋图

3 优化思路

原设计地下车库部分基础考虑采用平筏板加下柱墩的形式，有以下几点值得商榷：（1）③层黏土土质情况优良，承载力较高，采用满堂筏板的形式不能最大利用土体承载力，由于合肥地区不考虑最低水位对基础计算的有利作用，在计算上部恒活荷载作用下，地基反力由柱底传递的越远，柱根部的弯矩就会越大，需要配置的计算钢筋就会越多。而且由于按筏板考虑，柱底冲切区域的基础反力较小，导致下柱墩需要的抗冲切高度需要加高，增加了混凝土用量。（2）本项目有二层地下室，上部结构荷载相对于土方开挖重量较小，基础为补偿性基础，纯地库部分的沉降有限，甚至不沉降，而主楼为30层高层剪力墙住宅，为解决承载力及沉降要求虽采用桩基，但仍有不小的沉降量。纯地库部分采用抗沉降能力较好的筏板基础，无疑对协调主楼和地库部分的沉降差异不利。（3）原设计下柱墩和平筏板交界处采用45度放坡的形式会增加混凝土及构造钢筋的用量。（4）抗浮锚杆在柱底区域以外几乎满堂布置，而抗浮锚杆对筏板抗浮配筋计算的有利作用未能充分考虑，导致筏板厚度较厚，配筋较大。

针对以上几点，经研究后提出以下优化建议：（1）按“地尽其力，就近原则”充分利用地基承载力，调整地库基础形式，由筏板基础，调整为独基+防水板的基础形式，以解决下柱墩高度和配筋较大问题，同时更好的协调主楼和地库的沉降差；（2）防水板计算时，考虑抗浮锚杆的有利作用，全面优化防水板的厚度和配筋；（3）独立基础按抗冲切控制其高度，取消原下柱墩和筏板交界处的放坡设计，采用直壁方式，优化混凝土和钢筋用量。

4 优化成果

本项目因决定采取优化措施时，已经临近施工，且设计方案已经修改过3次，为保证项目进度，同时避免因频繁修改导致设计单位的抗拒心理。本次优化在上述建议的基础上，考虑设计周期短，修改内容少，优化进度快的方案，在筏板厚度优化上原建议由450mm优化至350mm，到考虑到调整为350mm以后，抗浮锚杆需要全部重新布置验算，在有限的时间内，恐怕难以达到预计效果，在和设计及审图充分沟通后，决定由450mm调整为400mm，因原设计抗浮锚杆承载力稍有余量，调整板厚后，抗浮锚杆基本无需重新设计。饶是如此，优化的结果依旧令人满意。优化后防水板配筋为F12@180双层双向。图5为优化后的独立基础详图。

图5 独立基础配筋图

优化后的混凝土节省用量为筏板改防水板部分：10675.5x0.05=533m3，下柱墩改独基部分约917m3，详见表1统计。总计约533+917=1450m3。

表1 下柱墩改独基混凝土用量统计

优化后，钢筋约节省150t左右，此外节省了土方开挖等相应的工程量，项目总结优化资金约计150万元至200万元人民币，相对于1万m3左右的地下车库，结果令人满意。

5 抗浮锚杆设计的相关思考

1）抗浮锚杆概念

抗浮锚杆是一种常见的建筑工程地下结构抗浮措施，又叫做抗浮桩。和一般的基础桩相比较，抗浮锚杆有着比较特殊的工作性能：基础桩通常为抗压桩，荷载由桩体承受，并从桩顶向桩底传递，桩体的受力大小也随着建筑荷载的变化而发生改变；而抗浮桩的特殊之处在于，由抗拔桩体承受拉力，普通抗浮桩也是从桩顶向桩底传递荷载，桩体的受力大小随着地下水位的变化而发生改变，但二者的受力机制却是恰恰相反的。

2）结构抗浮稳定安全系数

地下结构在水浮力作用下需要有足够的安全度。对于抗浮验算的相关规定，国内不同的规范稍有差别，关于抗浮稳定安全系数或水浮力荷载分项系数的规定目前尚未统一。根据规范规定，“结构抗浮稳定安全系数Kw，一般情况下可取1.05”[1]。该处的安全系数一般用在靠配重等方式解决抗浮问题，对于抗浮锚杆及抗拔桩，因为在承载力特征值计算时，已经考虑了2倍的安全储备[2,3]，所以该系数可以不再重复考虑。鉴于设计人员，甚至计算软件较少考虑该点，在设计管理中可以予以关注。

当采用抗浮锚杆时，可按下式确定抗浮锚杆的配置数量：

式中：Nw,k为水浮力作用标准值；Gk为结构自重及配重之和；R为单桩（锚杆）抗拔承载力特征值。

3）建筑结构抗浮锚杆适用的规范情况

针对建筑结构采用的抗浮锚杆，国家并无针对性的规范，《建筑地基基础设计规范》有针对岩土锚杆设计的部分，但并不全面，而且适用范围有限。《建筑边坡工程技术规范》、《岩土锚杆（索）技术规程》虽有相关设计内容，但与建筑结构设计采用的分项系数，荷载叫法等不尽相同，如《地基基础》中采用的“抗拔承载力特征值”，而在《边坡规范》中叫做“锚杆轴向拉力标准值”。《边坡规范》采用1.3倍标准值计算配筋，而在《地基基础》表述中，若采用1.3倍标准值则不能满足2倍的安全储备。所以不加区分的直接套用将会造成一定的偏差或不经济。

4）抗浮锚杆设计的相关建议

抗浮锚杆承载力是由岩土抗力（抗拔出）与构件材料强度（抗拉断）两个因素共同控制的。前者采用安全系数法确定抗拔承载力特征值，是抗拔构件入土长度的决定因素，通常安全系数不小于2.0。后者采用分项系数法确定抗拔承载力特征值，是抗拔构件所需钢筋数量的决定因素。抗拔构件所需钢筋数量需要满足下式：

上式中：N代表抗拔构件的轴向拉力设计值；fy，代表普通钢筋的抗拉强度设计值。

为了进行安全度比较，需要将式（2）换算成安全系数法的形式。荷载的综合分项系数取1.35，则有N=1.35Nk，其中Nk为抗拔构件的轴向拉力标准值；按《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）[4]（热轧钢筋材料分项系数γs取1.1，预应力钢绞线材料分项系数取1.2，故有fy=fyk/1.1，其中fyk，为普通钢筋抗拉强度标准值，代入式（2）整理得：

从式（3）可见，抗浮锚杆材料强度的承载力安全系数范围大约在1.4至1.5之间，与岩土的抗力安全系数2.0并不匹配，因此实际上安全度是由前者控制。由此也造成如下问题：（1）在事前开展的的抗拔承载力检测，实际上是对岩土抗力控制的承载力进行检测，为了满足2.0的安全系数，就需要增加试验构件的实际配筋量；（2）在事后抽检，也就是施工完成后检测工程桩（锚杆）时，由于受到材料强度的制约，工程桩（锚杆）只能拉到1.4—1.5倍特征值，无法验证岩土抗力是否能够达到安全系数2.0。

基于以上分析，现提出以下建议：将抗拔构件材料强度承载力安全系数提高到2.0，抗拔构件所需配筋量按下式确定：

这样可以使抗浮锚杆的材料安全系数和岩土抗力的安全系数相匹配。

对于抗浮锚杆岩土抗力，鉴于规范多为估算值，且不同规范之间尚未统一，差异较大，建议采用施工前试验确定承载能力，确保抗浮设计安全和经济。

5）筏板或防水板厚度和抗浮锚杆的关系

抗浮锚杆的布置方式（常规有点状集中布置，线状集中不知，面状均匀布置等方式），在很大程度上决定了筏板（防水板）的配筋计算，进而影响了筏板（防水板）的厚度设置，成为筏板（防水板）厚度选择的一个因素。

抗浮锚杆影响筏板（防水板）厚度的另外一个因素就是抗浮锚杆的配筋设置，因为要考虑到抗浮钢筋的直段锚固长度，所以抗浮锚杆钢筋的直段锚固长度，决定了板厚的最低要求。由于抗浮锚杆的钢筋直接影响抗浮锚杆的承载能力，所以，在抗浮设计时需要在经济性上考量，以平衡板厚和抗浮锚杆单根承载力的关系。

6 结论

和主楼相连的纯地下车库，采用抗浮设计时，地质条件较好，若采用抗浮锚杆，宜采用独立基础+防水板的形式，一方面可以取得较好的经济效果，另一方面对解决主楼和地库部分的沉降差异效果显著。注重概念设计和细节可以取得不错的优化成效。