地下建筑結(jié)構(gòu)抗浮設計及措施探討

河南工業(yè)大學 土木建筑學院 周春雷

中色科技股份有限公司 陳豪興

隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人類對地下空間利用和開發(fā)的規(guī)模和速度達到了前所未有的程度，目前高速公路、城市地鐵、鐵路、水利水電、礦山、國防建設、市政交通及地下商業(yè)建筑等都有了很大發(fā)展，大大推動了地下建筑工程技術(shù)的進步與發(fā)展，各種類型的地下結(jié)構(gòu)越來越多，新工藝、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，設計理論與方法也取得了長足進步。本文，筆者針對地下建筑結(jié)構(gòu)中存在的抗浮問題進行了分析，可以為實際工程提供參考。

一、地下建筑結(jié)構(gòu)抗浮失效形態(tài)分析

地下建筑結(jié)構(gòu)包括全埋于地下的工程結(jié)構(gòu)與半埋于地下的工程結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)存在局部抗浮失效形態(tài)、整體抗浮失效形態(tài)、局部整體抗浮失效形態(tài)3種失效形態(tài)。根據(jù)工程的埋置形式與使用形式的不同，主要的失效形態(tài)也不盡相同。

1.局部抗浮失效形態(tài)。局部抗浮失效是由于地下結(jié)構(gòu)的自重與頂部重量之和大于地下水浮力，而結(jié)構(gòu)的局部承載力不足導致的。這種情況一般出現(xiàn)在施工階段或上部沒有施工的條件下，其主要特征是結(jié)構(gòu)局部抗彎承載力不足，結(jié)構(gòu)整體的標高無任何變化。一般情況下，此失效形態(tài)會出現(xiàn)在半埋于地下的建筑結(jié)構(gòu)中，如帶地下室的建筑。

2.整體抗浮失效形態(tài)。整體抗浮失效是指當?shù)叵陆ㄖY(jié)構(gòu)自重與頂部重量之和小于地下水浮力時，在地下水浮力作用下所表現(xiàn)出來的整體結(jié)構(gòu)發(fā)生偏移的現(xiàn)象。這種情況一般發(fā)生在大量降雨之后，地下水位偶然高于地下抗浮設防水位的高度，或者在判斷地下抗浮設防水位不準確時。這種失效形態(tài)下當結(jié)構(gòu)整體的位移發(fā)生變化時，標高也發(fā)生變化；但結(jié)構(gòu)各部位間的相互位移很小，可以忽略；當結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)較多無害裂縫時，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)嚴重損壞的現(xiàn)象。

3.局部整體抗浮失效形態(tài)。局部整體抗浮失效指的是以上兩種抗浮失效形態(tài)同時發(fā)生的情形。地下工程抗浮失效事故常有發(fā)生，如地下車庫、地下室、地下地鐵車站等建筑（構(gòu)）物的上浮，還有類似的地下工程在停止降水時底板的破壞等。在現(xiàn)有的地下結(jié)構(gòu)中，對結(jié)構(gòu)的防水要求越來越高，如地下加工廠、地下倉庫，因此必須控制結(jié)構(gòu)的裂縫寬度。

二、地下建筑結(jié)構(gòu)抗浮設防水位的確定

在地下建筑結(jié)構(gòu)抗浮設計中首先要合理確定基礎(chǔ)抗浮設防水位，這關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全與質(zhì)量。設計人員一般都是從地勘部門提供的巖土工程勘察報告中，取用抗浮設防水位的數(shù)值。但是不同的地下工程單體，其坐落環(huán)境、建筑體量、地基土層的分布情況等也不相同，因而抗浮設防水位也不相同。通常，抗浮設計水位可采用地質(zhì)勘察報告所提供的抗浮設防水位。當?shù)乜眻蟾嬷袥]有提供該參數(shù)時，抗浮設計水位的確定可綜合考慮《建筑地基基礎(chǔ)設計規(guī)范》（GB50007-2011）與《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》（JGJ72-2004）中的以下幾種情況。

1.當有長期水位觀測資料時，場地抗浮設防水位可采用實測最高水位；無長期水位觀測資料或資料缺乏時，根據(jù)勘察期間實測最高穩(wěn)定水位，并結(jié)合場地地形地貌、地下水補給、排泄條件等因素綜合確定。

2.只考慮施工期間的抗浮設防時，抗浮設防水位可按一個水文年的最高水位確定。

3.地下水賦存條件復雜、變化幅度大、區(qū)域性補給和排泄條件可能有較大改變或工程需要時，應進行專門論證，提供抗浮設防水位的咨詢報告。

4.對位于斜坡地段的地下工程或其他可能產(chǎn)生明顯水頭差的場地上的地下工程進行抗浮設計時，應考慮地下水滲流在地下工程底板產(chǎn)生的非均布荷載對地下結(jié)構(gòu)的影響；對地下工程施工期間各種最不利荷載組合的情況，應考慮地下工程的臨時抗浮措施。

5.地下工程在穩(wěn)定地下水位作用下所受的浮力應按靜水壓力計算，對臨時高水位作用下所受的浮力，在黏性土地基中可以根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗適當折減。

三、地下建筑結(jié)構(gòu)的抗浮措施

隨著地下建筑結(jié)構(gòu)的不斷增多，關(guān)于抗浮措施的研究也逐漸增多，但是在實際工程中，不是每一種抗浮措施都是適合于任意一種地下工程的。因此，選擇合適的抗浮措施是非常重要的。

1.配重法受地質(zhì)條件、施工環(huán)境的影響相對較少，常作為基本方法采用。通常在底板外挑部分上堆載回填物作為配重，這種方法的優(yōu)點是可以增加較大的附加配重，有利于抵抗浮力作用的發(fā)揮。但是，這種方法會加大基坑的開挖范圍，增加地下水浮力的接觸面積，使浮力變大。對于全埋于地下的建筑來說，頂板上加厚覆土，可解決建筑綠化問題；但基礎(chǔ)埋深在原來的基礎(chǔ)上增加，地下水浮力也相應增加。這種方法適用于開挖面積較小且埋深較淺的建筑結(jié)構(gòu)。

2.抗浮下拉法是一種通用的方法，主要是利用抗浮樁（錨桿）（與土體的側(cè)摩阻力來抵抗地下水產(chǎn)生的浮力。這種方法可以減小底板上的附加應力，并使其均勻分布；同時還可以減小底板厚度，降低工程造價。但是抗浮樁受地形和環(huán)境條件的影響較大，抗浮錨桿的技術(shù)目前還不是很成熟，耐久性比較差，采用這種方法要與底板直接接觸，因此不適用于底板有防水要求的建筑結(jié)構(gòu)。

3.抗浮摩擦法是利用土體與地下建筑結(jié)構(gòu)間存在的摩擦力來抵抗部分地下水浮力，這種摩擦力大小要根據(jù)土體的側(cè)壓力及土質(zhì)情況而定，但是這種力的大小很難確定，在設計中通常僅作為安全儲備。

四、結(jié)論

地下建筑的抗浮問題是解決結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵問題，不同的地質(zhì)狀況應結(jié)合工程的實際情況，選擇合理設計方法與經(jīng)濟實用的抗浮措施，綜合運用局部抗浮驗算與整體抗浮驗算的方法，制定合理的抗浮措施。