淺談地下室抗浮設(shè)計(jì)中的措施選擇

邱慧芳

（中國建筑上海設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市不斷擴(kuò)張；隨著人民生活水平的不斷提高，對居住環(huán)境和休閑娛樂環(huán)境的要求也越來越高；城市化的不斷推進(jìn)，城市土地更是寸土寸金，無論是高度還是深度都越來越極致。因此城市地下空間正在發(fā)揮越來越大的價(jià)值，地下室抗浮設(shè)計(jì)已經(jīng)成為工程師必須面臨的設(shè)計(jì)問題之一。近年來，因?yàn)閷Φ叵滤×Φ墓烙?jì)不足或施工措施采用不當(dāng)而引起的地下室抗浮問題屢有出現(xiàn)，因此合理估計(jì)抗浮水位，根據(jù)實(shí)際情況合理準(zhǔn)確的進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 地下室抗浮的基本概念

在地下室的抗浮驗(yàn)算中，首先應(yīng)該根據(jù)地勘報(bào)告確定合理的抗浮設(shè)計(jì)水位，如果估計(jì)過高，則極易造成工程設(shè)計(jì)上的浪費(fèi)，估計(jì)過低，則會(huì)嚴(yán)重影響建筑物的使用安全。因此在實(shí)際工程中，勘察與設(shè)計(jì)雙方應(yīng)該加強(qiáng)溝通，對變化的地下水位進(jìn)行全面的考慮，尤其降水較多的雨季更應(yīng)注意，臨近河道的建筑還要考慮河道豐水期河水上漲引發(fā)的抗浮水位變化，以及本區(qū)域的土層性質(zhì)等等因素，應(yīng)該引起設(shè)計(jì)與勘察人員的足夠重視。

針對地下室抗浮設(shè)計(jì)，國家規(guī)范和地方規(guī)范均提出了不同的要求，應(yīng)根據(jù)工程所在地及具體情況執(zhí)行相應(yīng)的規(guī)定。其中，地基基礎(chǔ)規(guī)范規(guī)定建筑物自重和壓重標(biāo)準(zhǔn)值需滿足1.05倍浮力作用標(biāo)準(zhǔn)值，才能保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生整體上浮，一般多高層建筑基本滿足，而低層建筑和純地下部分則可能不滿足，需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果采取相應(yīng)措施。局部抗浮主要是防水板在水浮力作用下發(fā)生較大裂縫或者變形，向上的位移過大而影響結(jié)構(gòu)使用功能或安全。此時(shí)可以采取增加結(jié)構(gòu)剛度的措施。

2 地下室抗浮的幾種情況

人們通常認(rèn)為自重動(dòng)輒上萬噸的地下室不可能浮起來，但現(xiàn)實(shí)卻是每年都存在因?yàn)榭垢《l(fā)的工程問題，因此需要引起我們足夠的重視。一般情況下，抗浮總體上分三種情況：

（1）施工過程中的抗?。捍藭r(shí)主要是已建成建筑物本身的自重來抵抗向上的水浮力。當(dāng)結(jié)構(gòu)主體已經(jīng)完工，但是結(jié)構(gòu)覆土和基坑回填尚未完成時(shí)，此時(shí)主體結(jié)構(gòu)遭遇較大降水時(shí)，因?yàn)閴褐貎H為結(jié)構(gòu)自重，缺少覆土，缺少回填土對結(jié)構(gòu)外墻的有效摩擦阻力，極易引發(fā)抗浮安全問題，導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)上浮或傾斜。與此類似的情況還有，已完成部分的自重不能完全抵消地下水的浮力時(shí)就撤出了降水措施導(dǎo)致地下建（構(gòu)）筑物的上浮或偏斜。例如，南京某小區(qū)一單建式地下室，地下一層，框架結(jié)構(gòu)，在施工過程中，恰逢雨季，雖然地下室頂板已全部施工完畢，但頂板覆土未完成，加上施工過程中施工單位對地下水影響的嚴(yán)重性認(rèn)識(shí)不足，未按設(shè)計(jì)要求施工而導(dǎo)致地下室上浮，部分柱跨的鋼筋混凝土柱產(chǎn)生剪切壓彎破壞現(xiàn)象。

（2）建成后的抗?。浩渲饕紤]建筑物的自重（恒荷載）、有效覆土、使用荷載等作為向下的力能否平衡向上的水浮力，即整體抗浮的問題。此種情況一般在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的比較充分，受力也相對明確。關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)中要根據(jù)地勘報(bào)告和當(dāng)?shù)毓こ虒?shí)際情況來確定合理的設(shè)計(jì)抗浮水位，同時(shí)設(shè)計(jì)中應(yīng)全面考慮使用過程中的各種情況，留有一定的抗浮設(shè)計(jì)余量，滿足規(guī)范要求。

（3）局部的抗浮：其主要考慮地下室防水板的抗力能否大于浮力產(chǎn)生的效應(yīng)，即局部抗浮的問題。在水浮力較大處，不能只驗(yàn)算強(qiáng)度而不進(jìn)行變形裂縫核算，尤其要注意核算防水板的位移裂縫，局部抗浮不足會(huì)造成底板裂縫，漏水嚴(yán)重，進(jìn)而造成破壞，此種情況主要是通過設(shè)計(jì)計(jì)算階段計(jì)算構(gòu)件配筋來解決。

3 抗浮設(shè)計(jì)中的主要措施

城市高層建筑附設(shè)的大型地下車庫、地下商場等都普遍存在抗浮問題，地下室抗浮設(shè)計(jì)必須滿足整體抗浮和局部抗浮，為防止地下室抗浮我們通常采取以下幾種做法：

3.1 增加壓重

增加壓重，顧名思義就是利用建筑物自重來平衡水浮力，一般當(dāng)自重與水浮力相差較小時(shí)多采用，此時(shí)可以增加基礎(chǔ)底板厚度、通過采用強(qiáng)度等級較低的混凝土來增加配重、將地下室底板向外延伸形成翼板或者增加覆土厚度來保證壓重滿足要求等方法；可以根據(jù)場地規(guī)模、建筑埋深、工程量等方面酌情選擇合理措施。若自重與水浮力相差較大，此種方法則使結(jié)構(gòu)建筑物顯得笨重粗糙，顯著增加工程造價(jià)，不宜采用。

3.2 增加拉力

增加拉力則主要是設(shè)置抗拔樁或抗拔錨桿等，強(qiáng)制拉住建筑物防止其上浮；目前設(shè)置抗拔樁是工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛的抗浮方案，尤其對于面積較大帶上部結(jié)構(gòu)的公共建筑，因?yàn)樯喜坑写竺娣e開洞或者影院中庭等結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致部分基礎(chǔ)底板不僅承受向下的壓力，還承受較大向上的水浮力，但究竟壓力控制還是浮力控制卻根據(jù)上部結(jié)構(gòu)位置并不統(tǒng)一，此時(shí)抗壓抗拔樁就顯示出優(yōu)勢，不僅具有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度，還能兼顧抗拔使用。

設(shè)置抗浮錨桿能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)整體布局進(jìn)行合理布置，能夠防止裂縫現(xiàn)象的出現(xiàn)，并且能夠防止底板產(chǎn)生變形情況。與其他抗浮措施相比，此方法具有工期短、造價(jià)低、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)。但施工過程中由于整體上部結(jié)構(gòu)荷載及變形情況較為復(fù)雜，錨桿及上部結(jié)構(gòu)相互作用，實(shí)際水浮力進(jìn)行均勻布置時(shí)所用方案過于簡單，特別針對大面積地下室且高層塔樓位置較偏的情況，將錨桿進(jìn)行均勻布置時(shí)方法的假設(shè)情況與實(shí)際設(shè)計(jì)情況相差較大，所以不能將實(shí)際變形情況及受力情況進(jìn)行準(zhǔn)確反映，所以錨桿能否進(jìn)行較為合理、經(jīng)濟(jì)的設(shè)置，需要根據(jù)工程情況及工程造價(jià)全面考量。

3.3 拉壓并舉

拉壓并舉則是在增加配重的基礎(chǔ)下仍不滿足抗浮要求而設(shè)置抗拔樁或錨桿的措施。此時(shí)一般水浮力非常大，限制于工程實(shí)際情況，單一方法無法滿足抗浮要求，一般工程中應(yīng)用較少。

3.4 降水抗浮

降水抗浮指在結(jié)構(gòu)四周及基底預(yù)先修建降水盲溝，建筑物投入使用后，地下水由降水盲溝不斷流入集水井中被水泵排走的措施。通過降水盲溝的使用，地下水位始終低于能使建筑物浮起來的警戒水位，確保結(jié)構(gòu)不上浮。此種方法雖然施工方便，但在建筑物面積較大時(shí)，盲溝數(shù)量，埋置深度及日常管理和使用過程中均會(huì)產(chǎn)生一定的困難，且本措施在透水率較高的土層中則會(huì)因?yàn)槌樗M(fèi)用增加成本，因此一般僅應(yīng)用于施工進(jìn)行中或者水池等相關(guān)建筑物中，不會(huì)應(yīng)用于地下室等建筑物，整體使用范圍不夠廣泛。

3.5 局部抗浮

在抗浮設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需特別注意結(jié)構(gòu)的傳力途徑，在利用上部結(jié)構(gòu)自重抗浮時(shí)，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)自重滿足抗浮要求時(shí)，不能簡單認(rèn)為此時(shí)抗浮設(shè)計(jì)滿足要求，要分析上部自重的傳力途徑，當(dāng)局部范圍內(nèi)因水浮力導(dǎo)致底板隆起，甚至造成地下室局部破壞，此時(shí)可以采用增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度的方法來滿足抗浮要求，同時(shí)還可以不造成嚴(yán)重的浪費(fèi)。

4 工程實(shí)例

以筆者參與的深圳市龍崗區(qū)某中學(xué)為例，文體中心內(nèi)部設(shè)有籃球場、網(wǎng)球場以及藝術(shù)教室，還設(shè)有學(xué)生餐廳和游泳館，文體中心屋面設(shè)有800厚覆土，兼做運(yùn)動(dòng)場地，地下一層地下室，基礎(chǔ)底板板厚取500mm厚。根據(jù)地勘報(bào)告，地下室水頭約為4.9m，浮力約為49kPa。在餐廳區(qū)域，因?yàn)槭菢?biāo)準(zhǔn)柱跨，地上3層，上有運(yùn)動(dòng)場覆土，計(jì)算顯示完全滿足規(guī)范的抗浮要求，不需要設(shè)置抗浮措施。

在網(wǎng)球場和藝術(shù)教室區(qū)域，因?yàn)榈厣喜糠种痈鶕?jù)房間功能需要取消，地下室部分根據(jù)建筑使用功能要求，基礎(chǔ)底板需要要降低0.7m，雖然地上仍為3層，但是傳遞路徑發(fā)生改變，且水頭增加，導(dǎo)致此區(qū)域地下室自重標(biāo)準(zhǔn)值不滿足抗浮要求，經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)自重約為55.6kPa，此時(shí)水浮力約為56kPa，與自重相差不大，底板厚度增加300mm，即滿足抗浮安全系數(shù)的規(guī)范要求。

在籃球場區(qū)域，因?yàn)榛@球場上部空間要求，在2層做開洞處理，面積約為29.6m×61m，地下室底板未降板，結(jié)構(gòu)自重約為46.8kPa，水頭約為49kPa，此時(shí)水浮力雖大于結(jié)構(gòu)自重，但相差范圍仍在可接受范圍之內(nèi)，經(jīng)計(jì)算，底板厚度增加500mm即可滿足抗浮安全系數(shù)的規(guī)范要求。以上區(qū)域如果設(shè)置抗拔樁或錨桿或其他抗浮措施，不僅會(huì)增加施工難度，還會(huì)增加工程造價(jià)，顯然不合理。

但是在游泳館區(qū)域，因?yàn)橛斡境匚挥诘叵乱粚咏遣繀^(qū)域，相鄰柱跨約為18.5m，且此區(qū)域底板頂標(biāo)高相對地庫底板頂標(biāo)高降低2.2m，浮力增加約22kPa，結(jié)構(gòu)自重約為58kPa，此時(shí)水浮力與結(jié)構(gòu)自重相差過于巨大，通過增加結(jié)構(gòu)配重已經(jīng)不能滿足水浮力的基本要求，考慮設(shè)置抗拔錨桿或抗拔樁，因?yàn)橹車行W(xué)單體采用抗拔樁，筆者將兩種方案同甲方及工程協(xié)商，最終考慮到施工情況及經(jīng)濟(jì)效益和施工進(jìn)度等因素，結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r選擇游泳池區(qū)域同中小學(xué)單體一致，采用抗拔樁來解決抗浮問題。

5 小結(jié)

以上是對地下室抗浮設(shè)計(jì)及抗浮措施的簡單討論，地下環(huán)境不穩(wěn)定，抗浮設(shè)計(jì)中也存在諸多不確定因素，每一種方法措施都不是單一的，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐囊?guī)范規(guī)程及工程特點(diǎn)，地質(zhì)情況，場地條件綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全、施工合理性來進(jìn)行綜合考慮選擇，選擇最佳有效的抗浮方案，做到具體詳實(shí)，專業(yè)有據(jù)，設(shè)計(jì)準(zhǔn)確安全。