地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)

沈德飛

（河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京210098）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市空間容量需求增加、交通壓力加大，人們對(duì)美好城市環(huán)境的要求越來(lái)越高，合理開(kāi)發(fā)城市地下空間顯得尤為重要。而建設(shè)地下建（構(gòu)）筑物比地上建（構(gòu)）筑物要復(fù)雜，需考慮的因素多，有更多的不可預(yù)見(jiàn)性。

因在設(shè)計(jì)階段對(duì)地下水浮力作用計(jì)算不準(zhǔn)確、地下結(jié)構(gòu)的抗浮措施選取不當(dāng)，或在施工階段忽略對(duì)場(chǎng)地內(nèi)地表水進(jìn)行有組織引排，以及遇到惡劣天氣等不可抗力時(shí)，均有可能導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)上浮事故的發(fā)生，將出現(xiàn)地下墻體、柱被破壞或底板因上浮而開(kāi)裂等現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)一旦破壞，修復(fù)起來(lái)很不容易，結(jié)構(gòu)的安全使用受到威脅。因此，結(jié)合具體工程特性，選擇安全、經(jīng)濟(jì)、可行的抗浮措施，是地下建（構(gòu)）筑物需解決的重要問(wèn)題之一。

2 抗浮設(shè)計(jì)

2.1 整體抗浮和局部抗浮

抗浮設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行建（構(gòu)）筑物整體抗浮和局部抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算，在滿足整體抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算的前提下，還需對(duì)承受上部應(yīng)力較小的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行局部抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。整體抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算保證地下結(jié)構(gòu)不整體上浮，局部抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算可保證基礎(chǔ)底板、地下墻體、梁柱節(jié)點(diǎn)不出現(xiàn)因局部應(yīng)力較大而發(fā)生開(kāi)裂或變形，因此，只有整體抗浮和局部抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算均滿足，方可確保建筑不受地下水影響以避免結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題。

2.2 抗浮設(shè)計(jì)

當(dāng)建筑地下室或地下建（構(gòu)）筑物存在地下水浮力作用時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算，抗浮驗(yàn)算的一般設(shè)計(jì)流程為：

1）計(jì)算建筑物自重；

2）依據(jù)抗浮設(shè)防水位，計(jì)算抗浮設(shè)防水浮力；

3）抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算；

4）抗浮措施技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案比選；

5）確定抗浮措施；

6）設(shè)計(jì)基礎(chǔ)施工圖。

目前，抗浮驗(yàn)算主要采用安全系數(shù)法，根據(jù)GB 5007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》【1】，基礎(chǔ)抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算如下：

式中，Gk為建筑物自重及壓重之和，kN；Nw，k為抗浮作用值，kN；Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般情況下可取1.05。

2.3 抗浮設(shè)防水位取值

抗浮設(shè)計(jì)中抗浮設(shè)防水位是一個(gè)很重要的參數(shù)，影響因素眾多，不僅與氣候、水文地質(zhì)等自然因素有關(guān)，有時(shí)還涉及地下水開(kāi)發(fā)、上下游水量調(diào)配、跨流域調(diào)水和大量地下工程建設(shè)等復(fù)雜因素。針對(duì)情況復(fù)雜的重要工程，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》（2009年版）規(guī)定，需論證使用期間水位變化，應(yīng)進(jìn)行專門研究，提出抗浮設(shè)防水位。工程設(shè)計(jì)時(shí)，抗浮設(shè)防水位通常依據(jù)地勘報(bào)告，根據(jù)勘探期地下水位和歷史最高水位等因素綜合確定給出數(shù)值。對(duì)于超大地下室或緊鄰河岸、湖泊等水體的建（構(gòu)）筑物，以及有可能會(huì)在雨季或者汛期施工的工程，抗浮設(shè)防水位可取場(chǎng)地標(biāo)高，以提高抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)。

3 抗浮措施

為防止地下結(jié)構(gòu)整體上浮，采取的抗浮措施主要分為2類，即主動(dòng)抗浮和被動(dòng)抗浮。工程實(shí)踐中，常用的主動(dòng)抗浮措施有泄水降壓法；被動(dòng)抗浮措施有壓重法、抗浮樁、抗浮錨桿。

3.1 泄水降壓法

泄水降壓法，即通過(guò)排水盲溝、井點(diǎn)降水等措施，將地下水引排至場(chǎng)外，降低場(chǎng)地內(nèi)地下水頭高度，以減小地下水壓力，使得建（構(gòu)）筑物滿足抗浮。

排水通常依靠地下水靜止水壓力主動(dòng)排水，或依靠地下水靜止水壓力集水與機(jī)械排水相結(jié)合的主動(dòng)為主、被動(dòng)為輔的排水方式。其中，依靠靜止水壓力主動(dòng)排水的方式，主要運(yùn)用在場(chǎng)地存在顯著高差時(shí)的抗浮【2】。若地下建（構(gòu)）筑物持力層存在弱透水層時(shí)，可采用盲溝排水聯(lián)合隔水措施協(xié)同抗浮，利用靜止水壓力、集水井的方案或者機(jī)械排水相結(jié)合的方案，將地下水引排出。引排出的水可用于場(chǎng)內(nèi)澆灌、清洗或營(yíng)造水景觀等，不僅解決了工程抗浮問(wèn)題，而且對(duì)水資源進(jìn)行了合理利用，充分體現(xiàn)了綠色建筑技術(shù)在工程實(shí)踐中的運(yùn)用，做到了排水、節(jié)水與水資源的合理利用。

同時(shí)，泄水降壓法，因其見(jiàn)效快，成本低，且對(duì)已有建筑的影響相對(duì)較小，故當(dāng)?shù)叵陆ǎ?gòu)）筑物發(fā)生上浮事故或在地下室應(yīng)急抗浮處理時(shí)，常采用泄水降壓法并結(jié)合壓重法等其他手段進(jìn)行應(yīng)急抗浮處理【3～5】。

3.2 壓重法

壓重法，即通過(guò)在地下結(jié)構(gòu)頂板增加覆土、延伸底板、地下室底板壓載、增厚底板等手段，利用增加外部荷載或結(jié)構(gòu)自重來(lái)平衡水浮力的一種抗浮方法。

當(dāng)?shù)叵滤饔迷诨椎母×Σ淮?，其與結(jié)構(gòu)自重相差不多，需要平衡的水浮力有限，且條件允許的情況下，采用在地下室頂板或底板增加壓重法較好，其成本低，且工藝簡(jiǎn)單、操作方便。當(dāng)?shù)叵滤×ψ饔幂^大時(shí)采用壓重法抗浮，則需在頂板增加較厚覆土、延伸較長(zhǎng)底板，或加厚底板，而增加較厚覆土將加大結(jié)構(gòu)荷載，對(duì)其他受力構(gòu)件的性能也提出更高的要求，提高建設(shè)成本，且對(duì)抗震不利；若延伸底板，可通過(guò)外伸底板上的覆土重平衡部分水浮力，但加大了基坑土方開(kāi)挖量，地下建筑邊線將被外擴(kuò)，需復(fù)核建筑邊線與建筑紅線的關(guān)系，同時(shí)對(duì)周邊已有建（構(gòu)）筑物亦可能產(chǎn)生影響；如果通過(guò)在地下室底板壓載、增厚底板的方法進(jìn)行抗浮，其對(duì)建設(shè)工期、成本與后期的養(yǎng)護(hù)均會(huì)帶來(lái)一定的影響。

3.3 抗浮樁

抗浮樁的抗浮力主要由樁側(cè)混凝土與巖土體摩擦而提供的向下摩阻力和樁體本身所提供的豎向重力組成。即向上的水浮力通過(guò)樁體縱向鋼筋與混凝土之間的相互作用將荷載傳遞到樁身，再由樁體與周圍巖土體之間的摩擦作用將荷載傳遞到周圍地層中。

抗浮樁作為一種有效的抗浮措施，且工藝流程成熟，適用于大部分的地下工程，常用樁型有預(yù)制樁、鉆孔灌注樁等。在實(shí)際工程中，通常將抗浮樁與抗壓樁統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，樁基承受拉力，作為抗浮樁，當(dāng)?shù)叵滤惠^低時(shí)，樁基承受壓力，作為抗壓樁。當(dāng)抗壓樁兼抗浮樁不能滿足整體抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，可針對(duì)一些荷載作用較大區(qū)域再單獨(dú)布置一定數(shù)量的抗浮樁。

根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》【6】，承受拔力的樁基，應(yīng)同時(shí)驗(yàn)算群樁基礎(chǔ)呈整體破壞和非整體破壞時(shí)基樁的抗拔承載力：

群樁呈整體破壞時(shí)：

群樁呈非整體破壞時(shí)：

式（2）、式（3）中，Nk為按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的基樁拔力；Tgk為群樁呈整體破壞時(shí)基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Tuk為群樁呈非整體破壞時(shí)基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Ggp為群樁基礎(chǔ)所包圍體積的樁土總自重除以總樁數(shù)，地下水位以下取浮重度；Gp為基樁自重，地下水位以下取浮重度。

群樁基礎(chǔ)及其基樁的抗拔極限承載力：

1）對(duì)于設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)和乙級(jí)建筑樁基，基樁抗拔極限承載力應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單樁上拔靜載荷試驗(yàn)確定。

2）群樁基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí)建筑樁基，基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，Tuk取值為：群樁呈非整體破壞時(shí)：

式中，ui為樁身周長(zhǎng)；qsik為樁側(cè)表面第i層土的抗壓極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；∑λi為抗拔系數(shù)，砂土取0.50～0.70，黏性土、粉土取0.70～0.80；li為樁周第i層土的厚度。

群樁呈整體破壞時(shí)：

式中，ul為樁群外圍周長(zhǎng)。

3.4 抗浮錨桿

抗浮錨桿是利用錨桿的錨固體與周圍巖土的摩擦阻力來(lái)承擔(dān)地下水浮力作用，即通過(guò)向下的摩阻力約束向上的水浮力。

抗浮錨桿設(shè)計(jì)也需同時(shí)滿足整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性驗(yàn)算的要求，在滿足整體穩(wěn)定性的前提下，還需注意因主體結(jié)構(gòu)地基與其周邊地基土受力不均勻而引起的局部穩(wěn)定性。有研究表明，主體結(jié)構(gòu)周圍由近到遠(yuǎn)，抗浮錨桿的軸力在較短的距離內(nèi)會(huì)發(fā)生壓力到拉力的重大轉(zhuǎn)變，且數(shù)值均較大【7】。在進(jìn)行錨桿設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約材料，減少不必要的浪費(fèi)，在保證降水和主樓荷載遠(yuǎn)大于浮力的前提下，可優(yōu)化抗浮錨桿的布置，對(duì)主樓附近區(qū)域的錨桿可少布置，對(duì)于距離主樓位置較遠(yuǎn)、錨桿內(nèi)力計(jì)算值較大的區(qū)域可采取減少錨桿間距、增加錨固體直徑等措施提高抗浮錨桿承載力，避免因抗浮錨桿布置不合理，而引起主體結(jié)構(gòu)周邊地基土隆起、筏板翹曲或較大沉降差等現(xiàn)象，導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)的破壞。同時(shí)，在布設(shè)錨桿時(shí)，還需避免群錨效應(yīng)，從受力角度來(lái)說(shuō)，采用梅花狀布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)底板和錨桿受力更有利【8】。

抗浮錨桿鋼筋截面面積、錨桿長(zhǎng)度等應(yīng)根據(jù)CECS 22—2005《巖土錨桿技術(shù)規(guī)程》【9】進(jìn)行計(jì)算取得，且抗浮錨桿一般均為永久性錨桿，使用年限較長(zhǎng)，應(yīng)做好結(jié)構(gòu)的防腐處理，滿足JG/T 3007—1993《無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋專用防腐潤(rùn)滑脂》【10】的技術(shù)要求，同時(shí)在建筑基礎(chǔ)部位也需做好防水處理。

4 施工期抗浮措施

在工程施工期間，尤其是在建設(shè)室外地面以下結(jié)構(gòu)時(shí)，由于上部結(jié)構(gòu)尚未施工，整體結(jié)構(gòu)荷載較小，當(dāng)遇到暴雨等惡劣情況時(shí)，場(chǎng)地地下水位升高，地下水浮力加大，若忽略地下水浮力的作用，當(dāng)其大于結(jié)構(gòu)自重時(shí)，可能導(dǎo)致整個(gè)建筑物脫離地基漂浮起來(lái)或發(fā)生變形導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)構(gòu)件被破壞。

因施工期遭遇高于抗浮設(shè)計(jì)水位，抗浮承載力不足而出現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)上浮或破壞的案例很多【11～15】。做好施工期抗浮的最有效措施是有效控制并降低地下水位，在施工期間應(yīng)對(duì)場(chǎng)內(nèi)地表水進(jìn)行有組織疏排，確保場(chǎng)地內(nèi)無(wú)積水；必要時(shí)還需采取井點(diǎn)降水、盲溝排水等泄水降壓法來(lái)降低地下水位。當(dāng)建設(shè)場(chǎng)地地下水位較高或建設(shè)場(chǎng)地緊鄰水體時(shí)，還需做好隔水帷幕。并建立施工期地下水位監(jiān)控與預(yù)報(bào)預(yù)警機(jī)制，完善抗浮措施，盡量避免或減少地下水在基礎(chǔ)或地下結(jié)構(gòu)施工時(shí)帶來(lái)不利影響，確保工程建設(shè)期間的安全。

5 結(jié)語(yǔ)

工程建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)重視地下建（構(gòu)）筑物抗浮，在工程設(shè)計(jì)階段，應(yīng)根據(jù)建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)情況，通過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)論證選擇安全、合理的抗浮措施；施工階段，需做好坑體的隔水措施，對(duì)場(chǎng)內(nèi)地表水及時(shí)、合理地引排，以有效防止地下結(jié)構(gòu)上浮事故的發(fā)生，確保工程順利開(kāi)展實(shí)施。