地下結構抗浮設計

沈德飛

（河海大學設計研究院有限公司，南京210098）

1 引言

隨著我國經濟高速發(fā)展，城市空間容量需求增加、交通壓力加大，人們對美好城市環(huán)境的要求越來越高，合理開發(fā)城市地下空間顯得尤為重要。而建設地下建（構）筑物比地上建（構）筑物要復雜，需考慮的因素多，有更多的不可預見性。

因在設計階段對地下水浮力作用計算不準確、地下結構的抗浮措施選取不當，或在施工階段忽略對場地內地表水進行有組織引排，以及遇到惡劣天氣等不可抗力時，均有可能導致地下結構上浮事故的發(fā)生，將出現(xiàn)地下墻體、柱被破壞或底板因上浮而開裂等現(xiàn)象，結構一旦破壞，修復起來很不容易，結構的安全使用受到威脅。因此，結合具體工程特性，選擇安全、經濟、可行的抗浮措施，是地下建（構）筑物需解決的重要問題之一。

2 抗浮設計

2.1 整體抗浮和局部抗浮

抗浮設計應進行建（構）筑物整體抗浮和局部抗浮穩(wěn)定性驗算，在滿足整體抗浮穩(wěn)定性驗算的前提下，還需對承受上部應力較小的結構單元進行局部抗浮穩(wěn)定性驗算。整體抗浮穩(wěn)定性驗算保證地下結構不整體上浮，局部抗浮穩(wěn)定性驗算可保證基礎底板、地下墻體、梁柱節(jié)點不出現(xiàn)因局部應力較大而發(fā)生開裂或變形，因此，只有整體抗浮和局部抗浮穩(wěn)定性驗算均滿足，方可確保建筑不受地下水影響以避免結構安全問題。

2.2 抗浮設計

當建筑地下室或地下建（構）筑物存在地下水浮力作用時，應進行抗浮驗算，抗浮驗算的一般設計流程為：

1）計算建筑物自重；

2）依據(jù)抗浮設防水位，計算抗浮設防水浮力；

3）抗浮穩(wěn)定性驗算；

4）抗浮措施技術經濟方案比選；

5）確定抗浮措施；

6）設計基礎施工圖。

目前，抗浮驗算主要采用安全系數(shù)法，根據(jù)GB 5007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》【1】，基礎抗浮穩(wěn)定性驗算如下：

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 抗浮設防水位取值

抗浮設計中抗浮設防水位是一個很重要的參數(shù)，影響因素眾多，不僅與氣候、水文地質等自然因素有關，有時還涉及地下水開發(fā)、上下游水量調配、跨流域調水和大量地下工程建設等復雜因素。針對情況復雜的重要工程，現(xiàn)行標準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，應進行專門研究，提出抗浮設防水位。工程設計時，抗浮設防水位通常依據(jù)地勘報告，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。對于超大地下室或緊鄰河岸、湖泊等水體的建（構）筑物，以及有可能會在雨季或者汛期施工的工程，抗浮設防水位可取場地標高，以提高抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)。

3 抗浮措施

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

3.1 泄水降壓法

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

排水通常依靠地下水靜止水壓力主動排水，或依靠地下水靜止水壓力集水與機械排水相結合的主動為主、被動為輔的排水方式。其中，依靠靜止水壓力主動排水的方式，主要運用在場地存在顯著高差時的抗浮【2】。若地下建（構）筑物持力層存在弱透水層時，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械排水相結合的方案，將地下水引排出。引排出的水可用于場內澆灌、清洗或營造水景觀等，不僅解決了工程抗浮問題，而且對水資源進行了合理利用，充分體現(xiàn)了綠色建筑技術在工程實踐中的運用，做到了排水、節(jié)水與水資源的合理利用。

同時，泄水降壓法，因其見效快，成本低，且對已有建筑的影響相對較小，故當?shù)叵陆ǎ嫞┲锇l(fā)生上浮事故或在地下室應急抗浮處理時，常采用泄水降壓法并結合壓重法等其他手段進行應急抗浮處理【3～5】。

3.2 壓重法

壓重法，即通過在地下結構頂板增加覆土、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構自重來平衡水浮力的一種抗浮方法。

當?shù)叵滤饔迷诨椎母×Σ淮?，其與結構自重相差不多，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，且工藝簡單、操作方便。當?shù)叵滤×ψ饔幂^大時采用壓重法抗浮，則需在頂板增加較厚覆土、延伸較長底板，或加厚底板，而增加較厚覆土將加大結構荷載，對其他受力構件的性能也提出更高的要求，提高建設成本，且對抗震不利；若延伸底板，可通過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挖量，地下建筑邊線將被外擴，需復核建筑邊線與建筑紅線的關系，同時對周邊已有建（構）筑物亦可能產生影響；如果通過在地下室底板壓載、增厚底板的方法進行抗浮，其對建設工期、成本與后期的養(yǎng)護均會帶來一定的影響。

3.3 抗浮樁

抗浮樁的抗浮力主要由樁側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，常用樁型有預制樁、鉆孔灌注樁等。在實際工程中，通常將抗浮樁與抗壓樁統(tǒng)籌設計，當?shù)叵滤惠^高時，樁基承受拉力，作為抗浮樁，當?shù)叵滤惠^低時，樁基承受壓力，作為抗壓樁。當抗壓樁兼抗浮樁不能滿足整體抗浮設計時，可針對一些荷載作用較大區(qū)域再單獨布置一定數(shù)量的抗浮樁。

根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術規(guī)范》【6】，承受拔力的樁基，應同時驗算群樁基礎呈整體破壞和非整體破壞時基樁的抗拔承載力：

群樁呈整體破壞時：

群樁呈非整體破壞時：

式（2）、式（3）中，Nk為按荷載效應標準組合計算的基樁拔力；Tgk為群樁呈整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標準值；Tuk為群樁呈非整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標準值；Ggp為群樁基礎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。

群樁基礎及其基樁的抗拔極限承載力：

1）對于設計等級為甲級和乙級建筑樁基，基樁抗拔極限承載力應通過現(xiàn)場單樁上拔靜載荷試驗確定。

2）群樁基礎及設計等級為丙級建筑樁基，基樁的抗拔極限承載力標準值，Tuk取值為：群樁呈非整體破壞時：

式中，ui為樁身周長；qsik為樁側表面第i層土的抗壓極限側阻力標準值；∑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：

式中，ul為樁群外圍周長。

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承擔地下水浮力作用，即通過向下的摩阻力約束向上的水浮力。

抗浮錨桿設計也需同時滿足整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性驗算的要求，在滿足整體穩(wěn)定性的前提下，還需注意因主體結構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，主體結構周圍由近到遠，抗浮錨桿的軸力在較短的距離內會發(fā)生壓力到拉力的重大轉變，且數(shù)值均較大【7】。在進行錨桿設計時，為了提高經濟效益，節(jié)約材料，減少不必要的浪費，在保證降水和主樓荷載遠大于浮力的前提下，可優(yōu)化抗浮錨桿的布置，對主樓附近區(qū)域的錨桿可少布置，對于距離主樓位置較遠、錨桿內力計算值較大的區(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，而引起主體結構周邊地基土隆起、筏板翹曲或較大沉降差等現(xiàn)象，導致地下結構的破壞。同時，在布設錨桿時，還需避免群錨效應，從受力角度來說，采用梅花狀布置形式對結構底板和錨桿受力更有利【8】。

抗浮錨桿鋼筋截面面積、錨桿長度等應根據(jù)CECS 22—2005《巖土錨桿技術規(guī)程》【9】進行計算取得，且抗浮錨桿一般均為永久性錨桿，使用年限較長，應做好結構的防腐處理，滿足JG/T 3007—1993《無粘結預應力筋專用防腐潤滑脂》【10】的技術要求，同時在建筑基礎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，尤其是在建設室外地面以下結構時，由于上部結構尚未施工，整體結構荷載較小，當遇到暴雨等惡劣情況時，場地地下水位升高，地下水浮力加大，若忽略地下水浮力的作用，當其大于結構自重時，可能導致整個建筑物脫離地基漂浮起來或發(fā)生變形導致地下結構構件被破壞。

因施工期遭遇高于抗浮設計水位，抗浮承載力不足而出現(xiàn)地下結構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，在施工期間應對場內地表水進行有組織疏排，確保場地內無積水；必要時還需采取井點降水、盲溝排水等泄水降壓法來降低地下水位。當建設場地地下水位較高或建設場地緊鄰水體時，還需做好隔水帷幕。并建立施工期地下水位監(jiān)控與預報預警機制，完善抗浮措施，盡量避免或減少地下水在基礎或地下結構施工時帶來不利影響，確保工程建設期間的安全。

5 結語

工程建設過程中，應重視地下建（構）筑物抗浮，在工程設計階段，應根據(jù)建（構）筑物結構形式，結合場地地質情況，通過技術、經濟論證選擇安全、合理的抗浮措施；施工階段，需做好坑體的隔水措施，對場內地表水及時、合理地引排，以有效防止地下結構上浮事故的發(fā)生，確保工程順利開展實施。