建筑物抗浮設(shè)防水位及浮力的計(jì)算

王利剛 翟 勇 張維秀

中國石油集團(tuán)東北煉化工程公司吉林設(shè)計(jì)院 吉林 132002

建筑物抗浮設(shè)防水位及浮力的計(jì)算

王利剛*翟 勇 張維秀

中國石油集團(tuán)東北煉化工程公司吉林設(shè)計(jì)院 吉林 132002

高層建筑地下停車場、地下商店、下沉式廣場以及城市公共管廊等近年來在城市中大量興建，其特征是“超補(bǔ)償式基礎(chǔ)”，建筑面積大，基坑開挖深，挖土卸載大，而結(jié)構(gòu)自身荷載相對(duì)較小，在地下水位較高時(shí)，抗浮成了重要問題。而抗浮設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的綜合性課題，國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)如何確定抗浮設(shè)防水位的規(guī)定是原則性和指導(dǎo)性的，其取值過高或過低將直接影響地下工程的經(jīng)濟(jì)性和安全性[1,2,3]。本文對(duì)幾本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地下水抗浮計(jì)算原則、地方標(biāo)準(zhǔn)抗浮設(shè)防水位確定方法進(jìn)行闡述和對(duì)比，結(jié)合一些學(xué)者的研究成果和觀點(diǎn)對(duì)抗浮設(shè)防水位的確定方法及水頭折減等問題進(jìn)行探討。

抗浮 設(shè)防水位 浮力計(jì)算

1 國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地下水位的規(guī)定

(1)《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》定義的“抗浮設(shè)防水位”：“地下室抗浮評(píng)價(jià)計(jì)算所需的保證設(shè)防安全和經(jīng)濟(jì)合理的場地地下水位”。該規(guī)程第8.6.2條：有長期觀測資料時(shí)，抗浮設(shè)防水位可取實(shí)測最高水位；無長期觀測資料時(shí)，抗浮設(shè)防水位按勘察期實(shí)測最高穩(wěn)定水位并結(jié)合地形地貌、地下水補(bǔ)給、排泄條件等因素綜合確定。第8.6.5 條：穩(wěn)定地下水位作用下的浮力應(yīng)按靜水壓力計(jì)算，在粘土地基中臨時(shí)高水位浮力可按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)適當(dāng)折減。條文說明指出：因?yàn)榈叵率宜芨×κ怯谰煤奢d，不因粘土滲透性差而減小，既使底板與基巖直接接觸的情況下，由于節(jié)理裂隙的存在及基礎(chǔ)與基巖間也存在微裂隙，靜水壓力也不宜折減。

(2)《巖土工程勘察規(guī)范》第4.1.13條：對(duì)重要工程需論證使用期間地下水位變化，需提出抗浮設(shè)防水位時(shí)應(yīng)進(jìn)行專門研究。第7.3.2條條文說明：靜水環(huán)境中可用阿基米德原理計(jì)算。在透水性較好的土層或節(jié)理裂隙發(fā)育的巖基中，計(jì)算結(jié)果即為浮力；對(duì)滲透系數(shù)低的粘土，上述原理也是適用的，但由于滲透過程的復(fù)雜性，粘土中基礎(chǔ)所受浮力往往小于水柱高度。

(3)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.0.4條：巖土工程勘察報(bào)告應(yīng)提供地下水埋藏情況、類型、水位變化幅度及規(guī)律，需要時(shí)應(yīng)提供計(jì)算地下水浮力的設(shè)防水位。第5.4.3條及說明：簡單浮力作用情況浮力可采用阿基米德原理計(jì)算，抗浮安全系數(shù)可取1.05。

2 地方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地下水位的規(guī)定

(1)《南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.5.1條：應(yīng)提供穩(wěn)定的地下水位及變化幅度，需進(jìn)行抗浮驗(yàn)算時(shí)尚應(yīng)提供抗浮水位。第9.2.4條：浮力按巖土工程勘察報(bào)告抗浮設(shè)計(jì)水位計(jì)算，地下室抗浮驗(yàn)算最小抗浮安全系數(shù)取1.0。

(2)《遼寧省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.7.7條第4款：應(yīng)結(jié)合工程條件和水文地質(zhì)條件提供抗浮設(shè)防水位。一般潛水可取歷史最高水位，承壓水取實(shí)測水頭，上層滯水、巖石裂隙水應(yīng)根據(jù)排泄、補(bǔ)給條件綜合確定。第5.4.4條及說明：浮力應(yīng)按靜水壓力計(jì)算，在粘土地基或巖石地基的情況下也不宜折減，因?yàn)榈叵滤×κ怯谰煤奢d，不因粘性土或巖石的滲透性差而減小，抗浮安全系數(shù)取1.05。

(3)《廣東省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.4條：抗浮設(shè)防水位應(yīng)取設(shè)計(jì)使用期內(nèi)可能產(chǎn)生的最高水位。條文說明：勘察報(bào)告未提供地下水的最高水位時(shí)，設(shè)防水位可取建筑物室外地坪標(biāo)高。第5.1.4條：不應(yīng)對(duì)地下水水頭進(jìn)行折減；基底承受的水壓力應(yīng)按全水頭計(jì)算。第5.2.1條：抗浮安全系數(shù)取1.0。

可見，國家規(guī)范對(duì)抗浮設(shè)防水位的規(guī)定是原則性和指導(dǎo)性的，未明確給出抗浮設(shè)防水位取值依據(jù)。地方規(guī)范對(duì)抗浮設(shè)防水位的確定存在著較大差別，尤其是《廣東省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》明顯高于其他規(guī)范。這就要求工程技術(shù)人員以區(qū)域水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，根據(jù)地下水類型、水位及其變化、補(bǔ)給和排泄條件等因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，提供安全合理的抗浮設(shè)防水位。因此討論抗浮設(shè)防水位如何取值、存在多層地下水時(shí)如何取值以及抗浮水頭能否折減等問題，對(duì)工程經(jīng)濟(jì)安全性意義重大。

3 專家觀點(diǎn)

(1) 張思遠(yuǎn)指出：當(dāng)基底位于臺(tái)地潛水、層間潛水或承壓水土層中，浮力直接由該層地下水最高水位標(biāo)高確定，當(dāng)基底位于兩含水層間的弱透水層時(shí)，浮力應(yīng)根據(jù)上下層最高水位衰減到達(dá)基底標(biāo)高后的水位確定。以勘察期最高水位與年變幅及由意外造成的地下水位上升之和作為抗浮設(shè)防水位。提出對(duì)施工開挖造成各層地下水連通，可通過對(duì)肥槽處理等措施加以解決[10]。

(2) 張曠成、丘建金認(rèn)為：受鉆探、開挖、回填的影響，場地各層地下水實(shí)際已經(jīng)連通，因而場地抗浮設(shè)防水位是唯一的，應(yīng)按最高水位來確定抗浮設(shè)防水位。多層地下水情況下，層間潛水和承壓水一般不超過第一潛水層的最高水位，可以第一潛水層最高水位作為抗浮設(shè)防水位。砂石等強(qiáng)透水層中以靜水壓力計(jì)算浮力，在滲透系數(shù)≤0.5m/d的弱透水層應(yīng)根據(jù)滲流分析進(jìn)行折減[11]。

(3) 周笑認(rèn)為：無論基底處于含水層還是隔離層，由于鉆探和施工原因，各層地下水存在著水利聯(lián)系，應(yīng)按各層混合最高地下水位作為場地最高水位，再酌情考慮抗浮設(shè)防水位[12]。

(4) 李廣信認(rèn)為：地下室在浮力作用下向上、擋土墻在水土壓力作用下向前的位移趨勢會(huì)產(chǎn)生負(fù)超靜孔隙水壓力，使孔壓值低于靜水壓力[13]。

(5) 黃志侖、馬金普等提出：不存在唯一的場地抗浮設(shè)防水位，基底位于哪一層地下水中，該層地下水的最高水位就是該建筑物的抗浮設(shè)防水位[14]。

(6) 何翠香認(rèn)為：在多層地下水情況下應(yīng)分層考慮抗浮設(shè)防水位。在滲透過程中地下水要消耗一定的水力梯度；在存在多層地下水的情況下，由于滲流場豎向滲流分項(xiàng)的存在，水壓力沿深度方向的增量是非線性的，一般過高計(jì)算了基底水壓力。地基所受浮力遠(yuǎn)小于靜水壓力，其折減系數(shù)可高達(dá)0.65[15]。

(7) 田微認(rèn)為：對(duì)于滲透性好的土層可采用靜水壓力，對(duì)于滲透性差的土層可以折減，并根據(jù)土層給出了0.5-1.0的折減系數(shù)[16]。

(8) 張維秀、姜洪波等認(rèn)為：在分項(xiàng)系數(shù)取值上，不應(yīng)簡單地按可變荷載或永久荷載。當(dāng)采用最高水位和靜水壓力計(jì)算浮力時(shí)，荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0是經(jīng)濟(jì)合理的[17,18]。

(9) 魏建軍針對(duì)地下水與基底相對(duì)位置，分別分析計(jì)算每層地下水作用水頭[19]。

4 抗浮設(shè)防水位的確定

4.1 上層滯水浮力問題

上層滯水為包氣帶中局部隔水層之上積聚的具有自由水面的重力水。分布不穩(wěn)定，具有不連通性，沒有明確的含水層，不具備連續(xù)的自由水面，是暫時(shí)性水。由于上層滯水的上述特點(diǎn)，不應(yīng)以上層滯水最高水位作為場地抗浮設(shè)防水位，不考慮上層滯水浮力。但當(dāng)上層滯水遍布整個(gè)場地，面積很大時(shí)應(yīng)考慮其浮力作用。特別是當(dāng)部分建筑基坑施工完成后，因未經(jīng)過有組織的側(cè)壁回填，會(huì)形成上層滯水與潛水面之間的水利聯(lián)系。對(duì)于老城區(qū)內(nèi)存在季節(jié)性補(bǔ)給源的上層滯水，一旦與下部潛水形成徑流聯(lián)系，抗浮設(shè)計(jì)應(yīng)采用上層滯水的水位值。

4.2 某層地下水最高水位的確定

某層地下水最高水位為勘察期該層地下水最高水位與其年變幅和意外補(bǔ)給上升值之和：

h=h1+h2+h3

(1)

式中,h為某層地下水最高水位，m；h1為勘察期該層地下水最高水位，m；h2為該層地下水位的年變化幅，m；h3為意外補(bǔ)給上升值，m。

4.3 具有多層地下水時(shí)抗浮設(shè)防水位的確定[20]

建筑場地存在多層地下水情況下，抗浮設(shè)防水位取決于基底地下水最高水位，按公式(1)分別確定各層地下水最高水位后，按表1確定基底抗浮設(shè)防水位。為防止各層地下水串通，需對(duì)肥槽采取碾壓回填粘性土等措施進(jìn)行處理。

表1 基底與各層地下水的關(guān)系

注：(1)編號(hào)3中公式符號(hào)說明：h為設(shè)防水位水頭，m；h1為承壓水水頭，m；H1為基底至下部承壓水頂距離，m；H為隔水層厚度，m。

(2)編號(hào)5中公式符號(hào)說明：h為設(shè)防水位水頭，m；h1為潛水水頭，m；h2為承壓水水頭，m；H1為基底至潛水層頂距離，m；H為潛水層厚度，m。取二式計(jì)算結(jié)果的較大值。

5 工程實(shí)例[10,19]

某工程為地上五層，地下四層建筑?？辈焯幱谪S水期。該場地有三層地下水：第一層臺(tái)地潛水水位標(biāo)高h(yuǎn)1為29.25～35.82m，年變幅h2為2～3m；第二層層間潛水水位標(biāo)高h(yuǎn)1為21.12～23.40m，年變幅h2為1～2m；第三層承壓水水位標(biāo)高h(yuǎn)1為16.43～19.12m，年變幅h2為4～5m。臺(tái)地潛水層與層間潛水層之間以及層間潛水層與承壓水層之間均存在有厚度大于5m的弱透水層。建筑物基底標(biāo)高19.50m，坐落在層間潛水層。場地地面標(biāo)高36～37m，場地地下水歷年最高水位為35.50m。因勘察處于豐水期，偏于安全取半個(gè)年變幅。根據(jù)觀測資料，最不利情況該區(qū)域水位意外補(bǔ)給上升近4 m，層間潛水取承壓水水位增幅的一半，臺(tái)地潛水增幅為0。場地各層地下水最高水位如下：

臺(tái)地潛水：

35.82+3÷2+0=37.32 m

層間潛水：

23.40+2÷2+2=26.40 m

承壓水：

19.12+5÷2+4=25.62 m

該工程基底與地下水層關(guān)系符合表1中的編號(hào)1，水頭不應(yīng)折減，抗浮設(shè)防水位即為潛水最高水位26.40m。而若簡單取歷年最高水位35.5m為抗浮設(shè)防水位將造成不必要的浪費(fèi)，并給工程設(shè)計(jì)帶來巨大的困難。

6 結(jié)語

(1)上層滯水是地表水和地下水的過渡帶，不具備連續(xù)自由水面，是暫時(shí)性水，分布不穩(wěn)定，一般不應(yīng)以上層滯水的最高水位作為場地抗浮設(shè)防水位。當(dāng)上層滯水面積很大，遍布整個(gè)場地，應(yīng)考慮其浮力作用。

(2)某層地下水的最高水位為該層地下水勘察最高水位與年變幅及意外補(bǔ)給上升值三者之和。

(3)存在多層地下水時(shí)應(yīng)分別確定各層地下水最高水位，抗浮設(shè)防水位由各層地下水最高水位經(jīng)滲流計(jì)算到達(dá)基底處的最大值確定。

(4)對(duì)于浮力計(jì)算，在分項(xiàng)系數(shù)取值上，不應(yīng)簡單地按可變荷載或永久荷載。當(dāng)采用靜水壓力和最高水位計(jì)算浮力時(shí)，分項(xiàng)系數(shù)取1.0是比較經(jīng)濟(jì)合理的。

(5) 對(duì)多層地下水情況，按綜合確定抗浮設(shè)防水位進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)肥槽進(jìn)行處理，防止各層地下水串通造成隱患。

1 王宇陽，王寧偉. 地下車庫上浮失穩(wěn)研究與加固[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014(2).

2 敖國碧. 某工程施工期地下室上浮破壞的處理措施研究[J].西部探礦工程，2014(4).

3 梁俊勛. 盧玉南等.南寧市某地下車庫上浮開裂原因分析[J].施工技術(shù)2014(6).

4 JGJ 72—2004，高層建筑巖土工程勘察規(guī)程[S].

5 GB 50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范(2009版)[S].

6 GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

7 DBJ/J.12-2005，南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

8 DB21/T 907-2015，遼寧省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

9 DBJ 15-31-2003，廣東省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

10 張思遠(yuǎn). 在確定建筑物基礎(chǔ)抗浮設(shè)防水位時(shí)應(yīng)注意的一些問題[J].巖土工程技術(shù)，2004(5).

11 張曠成, 邱建金. 關(guān)于抗浮設(shè)防水位及浮力計(jì)算問題[J].巖土工程技術(shù)，2007(1).

12 周笑. 淺談抗浮設(shè)防水位[J].福建建筑，2013(3).

13 李廣信. 浮力計(jì)算與粘土中的有效應(yīng)力原理[J]. 巖土工程技術(shù)，2003(2).

14 黃志侖,馬金普等. 關(guān)于多層地下水情況下的抗浮水位[J]. 巖土工程技術(shù)，2005(5).

15 何翠香. 如何確定北京地鐵工程的抗浮設(shè)防水位[J].工程勘察，2010(1)增刊.

16 田微. 地下結(jié)構(gòu)水浮力的受力機(jī)理與計(jì)算方法研究[J].建筑技術(shù)，2013(6).

17 張維秀、王雪飛等.地下水位與結(jié)構(gòu)計(jì)算[J].工程建設(shè)，2009(1).

18 張維秀.姜洪波等.地下水位與結(jié)構(gòu)計(jì)算存在的問題[J].石油化工設(shè)計(jì)，2008(2).

19 魏建軍.地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)防水位與浮力計(jì)算謅議[J].四川建筑科學(xué)研究，2010(6).

20 張維秀.樸東杰等.抗浮設(shè)防水位問題的探討[J].石油化工設(shè)計(jì)，2016(4).

2017-02-16)

*王利剛：高級(jí)工程師。1992年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)。一直從事勘察設(shè)計(jì)與環(huán)?？蒲泄ぷ?。 聯(lián)系電話：(0432)63985115，Email：jly_wlg0436@petrochina.com.cn。