淺談房屋建筑中水浮力的影響

童巧 張懿睿 陳彤

摘 要 在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)不斷地發(fā)展情況下，城市房屋建筑規(guī)模不斷擴(kuò)大，地下空間不斷得到開發(fā)，21世紀(jì)已然成為地下建筑的世紀(jì)，毫無疑問地下建筑將是未來所有房屋建筑的標(biāo)配和必要元素。連續(xù)的強(qiáng)降雨以及地下水位增高等，都會(huì)導(dǎo)致地下水浮力增大進(jìn)而影響地下建筑，造成的建筑事故也層出不窮。國(guó)內(nèi)外目前對(duì)于地下水浮力的研究十分微薄，但地下水浮力已然成為一個(gè)熱點(diǎn)問題，針對(duì)實(shí)際案例對(duì)水浮力進(jìn)行研究有非常重要的意義。因此本文以三個(gè)實(shí)際建筑受地下水浮力影響案例對(duì)房屋建筑中地下水浮力的影響進(jìn)行一定的研究并作出一定的總結(jié)。旨在為今后類似研究提供一定的參考。

關(guān)鍵詞 建筑施工 水浮力 地下建筑 裂縫 抗浮

中圖分類號(hào)：TU2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）01-0024-03

1 地下水浮力的本質(zhì)

水浮力指浸在水里的物體由于受到水對(duì)物體向上和向下的壓力差而被水向上托起的力。

同理房屋建筑中的地下水浮力可以理解為在房屋建筑施工時(shí)，在地下水上方的建筑物也會(huì)受到地下水向上托起的一個(gè)力。

在房屋地下建筑施工過程中，對(duì)于開鑿地下室，建筑師往往將重心放在地下坍陷上，主要原因就是認(rèn)為建筑施工材料例如混凝土自身重力遠(yuǎn)大于浮力，從而忽略水浮力也會(huì)對(duì)地下建筑造成不利影響。

其實(shí)不然，混凝土水船以及水上的房屋建筑都是存在的，均是利用水浮力原理制造而成。早在1917年就在挪威出現(xiàn)了由混凝土建筑而成的船，這類船船身巨大且結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，比普通船更適合在海上運(yùn)輸大型貨物。中國(guó)馬尾造船廠1974年也建造了長(zhǎng)105米重3000噸的鋼絲水泥船—“古田號(hào)”（如圖1），該船就是借助了船身自身重力與水浮力之間的關(guān)系建筑而成，并且因?yàn)樵摯聿牧咸厥庑詷s獲了當(dāng)年全國(guó)交通系統(tǒng)重要科技成果獎(jiǎng)。近年來漂浮在海上的自給房屋（如圖2）的出現(xiàn)也從另一個(gè)側(cè)面證實(shí)了在房屋建筑當(dāng)中水浮力的強(qiáng)度并不小。

隨著時(shí)代的前進(jìn)，在城市地下房屋建筑不斷發(fā)展的情況下，人們對(duì)于建筑的質(zhì)量要求也越來越高，所以對(duì)于任何會(huì)影響房屋地下建筑的因素例如水浮力，不僅不可以忽略，還要將它視為地下建筑施工的一大重點(diǎn)。

2 地下水浮力造成建筑損壞的典型案例

2.1 海口市夢(mèng)幻小區(qū)

2.1.1 小區(qū)建筑特點(diǎn)

該小區(qū)屬于一商業(yè)型小區(qū)，位于?？谑兄匾囟巍Ｄ壳皦?mèng)幻園在早期發(fā)生的建筑上浮現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)下，舍棄了小區(qū)地下車庫(kù)的設(shè)置，轉(zhuǎn)向地面車庫(kù)，但車位緊張。早期剛建立好主體工程—兩棟商住樓時(shí)，發(fā)生過嚴(yán)重的建筑上浮事件。本文對(duì)于夢(mèng)幻園早期上浮事件進(jìn)行一定的研究分析。

夢(mèng)幻園的建筑設(shè)計(jì)以高層建筑為主，這就體現(xiàn)在它的兩棟主要住宅建筑都是高于27米的高層建筑。同時(shí)由于地勢(shì)特殊在兩棟主樓底部中間建立了一附屬建筑體，也就是裙樓。該附屬建筑體為6層的多層住宅，含地下建筑兩層，占地面積3000m2有余。裙樓在建筑上采用了底面積大可減少基底壓力的筏型基礎(chǔ)，同時(shí)在其下部也設(shè)置了隔水層。

2.1.2 具體損壞現(xiàn)象及原因分析

夢(mèng)幻園裙樓于1994年就開始施工，在地下建筑施工進(jìn)程達(dá)到一半，基抗降水工作還未完成時(shí)，由于一些原因建筑施工單位停止施工。碰巧當(dāng)時(shí)區(qū)域連續(xù)暴雨，地下水不斷滲入到基抗當(dāng)中，地下水的水位不斷升高，大量地下水帶來的地下水浮力導(dǎo)致地下建筑基礎(chǔ)竟然上浮70㎝高。

在這樣意外的損失發(fā)生之后，建筑設(shè)計(jì)單位聯(lián)合樓住戶等對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了一定的勘測(cè)，建筑施工單位也根據(jù)所給出的對(duì)應(yīng)措施立馬進(jìn)行了一定的補(bǔ)救。在及時(shí)補(bǔ)救之后三方針對(duì)裙樓地下建筑部分損壞現(xiàn)象也做出了一定的總結(jié)，請(qǐng)求專家進(jìn)行了防護(hù)知識(shí)普及。

其中基礎(chǔ)剪力墻發(fā)生了較為嚴(yán)重的扭裂，針對(duì)這一現(xiàn)象采用了人工降低地下水位的處理辦法，但最終還是有30cm不能歸位。而這件事情發(fā)生之后的兩年里，建筑設(shè)計(jì)以及施工單位聯(lián)合住宅業(yè)主仍不斷地做一定的補(bǔ)強(qiáng)工作，但由于此次損失過于嚴(yán)重導(dǎo)致地上建筑無法施工。當(dāng)1996年9月大暴雨襲擊時(shí)，海口市臨海水位不斷上漲甚至高出海岸邊的水位，導(dǎo)致海水流入住宅區(qū)，使該基礎(chǔ)的排水系統(tǒng)失效而造成基礎(chǔ)第二次整體上浮。該建筑再次受到水浮力的影響，不斷上浮至4.5m的高度。

該夢(mèng)幻園裙樓受到地下水浮力影響而造成的損失主要由于基抗降水未單位而導(dǎo)致條件不夠干燥，施工單位認(rèn)為建筑施工材料例如混凝土自身重力遠(yuǎn)大于浮力，而忽略了水浮力。

2.2某大型地下車庫(kù)

2.2.1 建筑特點(diǎn)

該地下大型車庫(kù)同上文案例夢(mèng)幻園裙樓不同，它在施工開始之后，就及時(shí)將屋面混凝土澆筑完，雖然由于施工單位原因在當(dāng)年冬月暫停了施工，但他們將還未完成的部分以及車庫(kù)大門都進(jìn)行了封閉的保溫處理。

下表列出車庫(kù)相關(guān)內(nèi)容：

在第二年春天恢復(fù)施工時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)地下車庫(kù)的墻、梁、柱等有明顯的開裂，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)地下車庫(kù)結(jié)構(gòu)上多處出現(xiàn)了隆起。具體損失就表現(xiàn)地下車庫(kù)的屋頂處也出現(xiàn)了很多不規(guī)則的裂縫，同時(shí)底部也出現(xiàn)了相對(duì)于屋頂來說比較少的裂縫，但滲出了一部分地下水?？蚣芰旱榷汲霈F(xiàn)了裂縫，并且發(fā)現(xiàn)越靠近墻體裂縫越大。柱子的頂部和底部出現(xiàn)損失但中間部分卻沒有明顯損失，且通過觀察發(fā)現(xiàn)越靠近地下車庫(kù)中間部分，裂縫越小，反之越靠近四周裂縫越大。

結(jié)合以上損失特點(diǎn)，建筑設(shè)計(jì)與施工單位人員采用全站儀測(cè)量?jī)x測(cè)量地下車庫(kù)周邊與中間部分的高程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)越靠近地下車庫(kù)中部高程越大，反之越小。

2.2.2 原因分析

為了分析出導(dǎo)致地下車庫(kù)出現(xiàn)此類現(xiàn)象的真正原因，該地下車庫(kù)工作人員以及建筑施工單位人員聯(lián)合有關(guān)工作者對(duì)損失現(xiàn)象進(jìn)行了一定的分析，認(rèn)為地下車庫(kù)地域溫度變化、地下水浮力、混凝土收縮以及土由于受凍之后發(fā)生膨脹等均可能導(dǎo)致此類現(xiàn)象的發(fā)生，并將所有可能原因一個(gè)一個(gè)進(jìn)行驗(yàn)證。

由于該地下車庫(kù)在冬天做了完好的保溫處理，所以車庫(kù)地域溫度變化以及混凝土由于冬天溫度過低受凍以后發(fā)生膨脹這兩個(gè)原因并不成立。而經(jīng)過與施工材料，施工條件一致的另一區(qū)域?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，溫度引起混凝土收縮變化的原因也不成立。由此便確定是地下水浮力導(dǎo)致此類現(xiàn)象的產(chǎn)生。正是由于地下水浮力的影響，導(dǎo)致地下車庫(kù)的墻、梁、柱等出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象。

2.3 某地下車庫(kù)

2.3.1 地下車庫(kù)建筑特點(diǎn)

與上兩個(gè)案例均不同的是，該地下車庫(kù)做了更為合理的防地下水浮力措施，例如在上部地層的建筑中采用填土和具有不透水性的粘土組成，同時(shí)基抗也保持了一定的干燥。車庫(kù)大小約為長(zhǎng)100米、寬30米、深5.5米的長(zhǎng)方體，并且建筑施工單位還在該車庫(kù)中間部分的頂部和周邊側(cè)墻處設(shè)置了一定的伸縮縫。

但不久地下車庫(kù)就出現(xiàn)中間部分伸縮縫處發(fā)生不規(guī)則的上浮，高達(dá)40㎝，且出現(xiàn)了一定的開裂，建筑物例如柱子等發(fā)生傾斜。同時(shí)通過利用全站儀測(cè)量?jī)x測(cè)量該地下車庫(kù)中間部分以及邊緣部分的建筑高程發(fā)現(xiàn)該地下車庫(kù)出現(xiàn)了與上文大型地下車庫(kù)案例一樣的現(xiàn)象，越靠近車庫(kù)中部的高程越高，反而越靠近車庫(kù)周邊高程越低。于是建筑施工單位立即對(duì)該地下車庫(kù)建筑各部分進(jìn)行了一定的勘測(cè)，結(jié)果顯示在填土層有一定量的地下水。這便證實(shí)了是地下水影響了該地下車庫(kù)建筑，地下水浮力導(dǎo)致了建筑物開裂，上浮等損失現(xiàn)象。

針對(duì)該類損失的發(fā)生，雖然建筑施工單位進(jìn)行了一定的補(bǔ)救措施，例如將地下水排出，將地下填土層再次進(jìn)行夯實(shí)等，但仍不能完全處理好地下水浮力造成的建筑問題，并且由于此次建筑上浮事件的出現(xiàn)該地下車庫(kù)的建筑耐度受到了一定的影響，該地下建筑的排水一直處于薄弱狀態(tài)。

2.3.2 車庫(kù)上浮原因分析

而對(duì)于該地下車庫(kù)上浮事件經(jīng)過一定的勘測(cè)和結(jié)果分析后，得知該地下車庫(kù)上浮的原因就在于建筑施工單位在基坑回填時(shí)沒有夯實(shí)處理，導(dǎo)致地下水以及雨天產(chǎn)生的雨水等滲入到該填土層中，加上黏土層為不透水層，進(jìn)而使水滯留在基抗中，導(dǎo)致地下水浮力大于地下車庫(kù)自身重力，從而導(dǎo)致地下車庫(kù)上浮。

3 減少水浮力的影響措施以及建議

通過上文三個(gè)實(shí)際案例可分析得到當(dāng)?shù)叵滤×Τ龅叵陆ㄖ陨碇亓繒r(shí)會(huì)導(dǎo)致地下建筑在地下水浮力作用下產(chǎn)生隆起變形和地下建筑整體上移的趨勢(shì)，而在周邊擋墻處該上移趨勢(shì)受土體約束，致使各柱、墻豎向變形不一致，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂甚至局部損失[1]。

那么對(duì)于地下水浮力應(yīng)該采取什么樣的措施來抗水浮力的影響呢？在這里也做出一定的優(yōu)化建議。

3.1 在建筑施工前對(duì)水位進(jìn)行一定分析

建議在對(duì)區(qū)域進(jìn)行建筑施工開始前，建筑設(shè)計(jì)人員對(duì)該區(qū)域地下水位做出實(shí)地研究，并對(duì)于研究得出的地下水位嚴(yán)格按照水浮力計(jì)算方法計(jì)算出水浮力取最大值，并進(jìn)行一定的修正后用于計(jì)算相應(yīng)的地基承載力。將計(jì)算出得地基承載力以及地下水浮力作為參照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)想要施工的區(qū)域進(jìn)行能否施工的判斷。在計(jì)算過程中也要注意當(dāng)年該區(qū)域的水位變化，將連續(xù)暴雨，洪水爆發(fā)等突發(fā)事件考慮進(jìn)去。如果當(dāng)年該區(qū)域水位處于一個(gè)和往年相比比較正常的范圍內(nèi)，可以就計(jì)算結(jié)果進(jìn)行建筑施工;如果當(dāng)年水位變化與該區(qū)域往年水位大不相同，并有超過往年最高水位，那么對(duì)于該區(qū)域的地下建筑施工還需做進(jìn)一步研究。

3.2 增加地下建筑抗浮力

在上文夢(mèng)幻園案例中該地下建筑受到水浮力影響就存在建筑師認(rèn)為建筑施工材料混凝土自身重力遠(yuǎn)大于浮力，從而忽略水浮力也會(huì)對(duì)地下建筑造成不利影響的原因。那么在減少地下水浮力對(duì)地下建筑影響上，就可以增加地下建筑材料的自重也就是常所說增加結(jié)構(gòu)自重以及地下建筑邊界墻與土的摩擦力進(jìn)而達(dá)到抗浮的要求。而抗浮的方法還有很多，包括設(shè)計(jì)抗水板，在抗水板上規(guī)則布置抗浮錨桿等，在錨桿的設(shè)計(jì)中也需要注意錨桿長(zhǎng)度、錨桿間距、錨桿直徑等內(nèi)容。

3.3 減少地下水浮力

類似的，也可以盡力減小地下水的浮力大小或者減少地下水與地下建筑的接觸。這就體現(xiàn)在采用一系列防滲水措施，以達(dá)到減少地下水與地下建筑的接觸;例如采用集水坑降水法，井點(diǎn)降水法等降低地下水的水位，使其處于一個(gè)安全范圍;同時(shí)在地下建筑的過程中也可以采用一些不透水性的建筑材料，多層建筑地下建筑物，均可以達(dá)到減少地下水浮力的作用。

4 總結(jié)

通過對(duì)三個(gè)實(shí)際建筑受地下水浮力影響案例的研究發(fā)現(xiàn)，地下水浮力對(duì)地下工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的主要原因是建筑設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)抗浮力考慮不周[2]。

即建筑施工時(shí)忽略了地下水浮力的影響。即使考慮到了地下水浮力的影響，在地下建筑的抗浮設(shè)計(jì)上也缺乏一定的經(jīng)驗(yàn)。于建筑設(shè)計(jì)時(shí)沒有對(duì)需要施工的建筑區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)科學(xué)的水位計(jì)算等。地下水浮力會(huì)導(dǎo)致地下建筑在地下水浮力作用下產(chǎn)生隆起變形和地下建筑整體上移的趨勢(shì)，而在周邊擋墻處該上移趨勢(shì)受土體約束，致使各柱、墻豎向變形不一致，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂甚至局部損失。

隨著時(shí)代的前進(jìn)，在城市地下房屋建筑逐漸發(fā)展的情況下，21世紀(jì)已發(fā)展為一地下空間世紀(jì)。地下建筑的開發(fā)越來越頻繁，由于忽略水浮力而引起的建筑事故也不斷發(fā)生，這也讓建筑上不得不重視水浮力這一因素?，F(xiàn)今針對(duì)于地下建筑中水浮力的研究還很少，在未來地下建筑的施工過程中，地下水浮力的相關(guān)計(jì)算以及地下結(jié)構(gòu)抗浮能力還需要進(jìn)一步的提高和完善，才能減少地下水浮力導(dǎo)致的建筑事故發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1] 簡(jiǎn)斌，盧鐵鷹，李少巍，陰可.地下水浮力對(duì)地下建筑結(jié)構(gòu)安全的影響[J].土木建筑與環(huán)境工程，2010，32（01）：56-60.

[2] 郝艷娥，蘭永強(qiáng).水浮力對(duì)地下工程結(jié)構(gòu)的影響及預(yù)防措施探討[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2014（05）：29，31.

（西華大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039）