高層建筑地下室抗浮設計的幾個問題

陳芝誠

（浙江省天正設計工程有限公司，浙江 杭州 310012）

因為高層建筑可以容納更多的居住人員，能夠緩解城市建設用地緊張的問題，所以近年來高層建筑數(shù)量不斷增加。但是因為高層建筑整體高度較高，且結構較為復雜，必須做好科學的設計工作，特別是在地下室的設計工作中，需要采用科學的抗浮設計技術，明確抗浮設計的關鍵要點，并依據(jù)建筑工程實際情況，準確掌握地下室抗浮設計的注意事項，從而能夠有效提高地下室整體質量，發(fā)揮出地下室的實際作用，進而能夠促進高層建筑整體質量提升。

1 地下室抗浮設計概述

地下室抗浮設計是指以地下水位的高低，確定高層建筑承受浮力大小的設計流程。地下室抗浮設計有利于實現(xiàn)高層建筑自身重量的平衡，同時能夠對地下室承受的荷載進行平衡，使得地下室結構更加穩(wěn)定，同時還能夠提高高層建筑整體穩(wěn)定性。地下室抗浮設計按照結構設計概念以及相關經(jīng)驗，通?？梢苑譃檎w抗浮設計和局部抗浮設計；地下室抗浮設計過程中，地下水浮力是最為重要的影響因素，在對浮力進行計算的基礎上，需要對地下室抗浮結構和功能進行優(yōu)化，確保地下室抗浮設計方案科學性。

2 高層建筑地下室抗浮設計注意事項

地下室水浮力是地下水對建筑物所產生的浮力，地下水浮力大小與地下水位具有直接關系，如果地下水所產生的水浮力較大，則可能會導致建筑物整體上浮，或出現(xiàn)地下室局部結構被浮力破壞的問題，且結構修復難度較大，所以通過降低地下水浮力，對地下室結構設計進行抵抗，是提高地下室抗浮設計科學性的有效方式?，F(xiàn)階段，我國高層建筑地下室一般采用較為傳統(tǒng)的配重法抗浮技術，主要通過對地下室結構進行回填處理，增加地下室整體結構質量，從而使其更好地應對地下水浮力。在對高層建筑地下室進行抗浮設計時，需要注意以下幾點問題：

（1）地下水因素。因為高層建筑地下室結構區(qū)域的地基需要進行夯實處理，經(jīng)過夯實后的地基土層較為密實，區(qū)域內的水只能進入而難以排出，這就會使高層建筑地下室所處區(qū)域的地下水位逐漸提高，從而導致部分地基出現(xiàn)上浮的問題，導致地基平整性較差，最終導致抗浮設計完全失效，進而引起高層建筑地下室結構變形。

（2）外部影響因素。在一些特殊的工況條件下，抗浮樁、抗浮錨桿等會受到高層建筑周圍環(huán)境的物理因素和化學因素影響，從而導致其質量變差，最終引起抗浮結構設計整體失效，抗浮樁、抗浮錨桿等在外力的作用下被破壞，且后期維護難度較大，修復效果不夠理想，高層建筑地下室則無法安全使用。

3 高層建筑地下室抗浮設計存在的問題

3.1 地下水的浮力存在問題

因為缺乏實踐經(jīng)驗，當前部分高層建筑，在抗浮設計過程中，對于地下水的浮力計算存在一定不足，沒有相關的計算參考和標準參數(shù)，這就導致地下室地下水浮力計算結果不夠準確。同時，受到設計人員技術水平的影響，在對地下水浮力進行計算時，無法根據(jù)地下水的實際情況確定具體浮力，以此為基礎設計的抗浮結構難以滿足實際需求，導致地下室抗浮設計不夠合理。地下水浮力作為抗浮設計的核心要素，必須具有明確的標準數(shù)值和計算方法，通過計算得到準確的浮力計算結果，才能夠保證地下室抗浮設計的科學性，但是當前在地下水浮力計算方面依然存在著許多問題。

3.2 地下水的水位確定問題

地下水水位的高低，能夠直接決定地下室浮力大小，所以在進行抗浮結構設計時，需要做好地下水位調查工作，但是在實際設計工作中，因為地質勘察存在的問題，導致地下水水位相關資料較為缺乏，從而難以確定地下水位的準確數(shù)值，對于抗浮設計產生很大負面影響。地下室抗浮設計必須具有明確的地下水位資料，才能夠滿足抗浮設計要求，所以需要通過水文地質勘察工作，得到準確的地下水資料，但是當前在勘察工作中還存在著一些問題，從而導致地下室抗浮設計方案不夠科學。

4 高層建筑地下室抗浮設計的要點

4.1 地下水位取值

在高層建筑地下室抗浮結構設計過程中，必須做好地下水位調查工作，根據(jù)前期勘察資料，明確地下水位的具體數(shù)值，并結合實際情況對其進行計算，從而能夠提高抗浮設計的科學性。首先，如果地下水位高于地下室的基礎底板，需要按照工程所在區(qū)域的地形結構、地下水類型以及地下水位變化情況等，對底板需要承受的荷載進行驗算，確?；A底板抗力荷載超過地下水所產生的浮力。其次，在分析地下水位時，需要結合地下水類型、補給關系以及排泄關系等，對抗浮結構設計的可行性進行評價，從而保證抗浮結構能夠抵抗地下水位產生的水浮力。其三，地下水位計算需要采用數(shù)學模擬軟件，而不能采用估算的方式，必須確保地下水位計算結果的準確性，否則很容易出現(xiàn)抗浮結構與地下水位實際情況不符的問題。地下水位取值工作對于抗浮結構設計具有直接影響，所以需要得到準確的地下水位勘測結果，在對地下水位進行取值的過程中，需要充分考慮到地下水位可能發(fā)生的變化，并根據(jù)歷史資料明確其變化極限數(shù)值，確保地下室抗浮結構能夠在地下水位變化極限數(shù)值范圍內，才能夠提高高層建筑地下室抗浮結構質量。

4.2 整體抗浮與局部抗浮

在高層建筑地下室抗浮設計中，整體抗浮與局部抗浮存在著優(yōu)先關系，首先需要考慮到抗浮結構整體是否能夠滿足要求，再對局部抗浮結構進行分析。在驗證整體抗浮結構時，需要保證所設計的抗浮結構能夠有效應對地下水產生的浮力，確保整體結構具有穩(wěn)定性和安全性；在整體抗浮設計滿足后，對局部抗浮結構進行驗證，需要特別關注承受地下水浮力較大的局部結構，如果存在某些局部不符合設計規(guī)范要求的，需要對其進行優(yōu)化，如果在優(yōu)化設計過程中發(fā)現(xiàn)會對整體抗浮造成影響，那么則需要重新進行整體抗浮設計。由此可見，整體抗浮和局部抗浮存在相互影響、優(yōu)先考慮的關系，是地下室抗浮結構設計中容易被忽視的問題，所以在設計過程中需要重點關注。結合高層建筑以及地下水浮力的具體情況，確保整體抗浮和局部抗浮都能夠滿足《建筑工程抗浮技術標準》3.0.3的要求。

G／Nw，k≥Kw

式中：G——建筑結構自重、附加物自重、抗浮結構及構件抗力設計值總和（kN）；

Nw，k——浮力設計值（kN）；

Kw——抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，按下表1確定。

表1 建筑工程抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)

4.3 合理選擇抗浮措施

在AH市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的一項建筑工程中，該建筑工程主要包括4棟高度分別為48.7 m、48.7 m、47.5 m、49.5 m的高層建筑以及二層地下室構成，主要功能為工業(yè)生產廠房、配套、公共配套以及地下車庫。該工程地基土層質地良好，主要包括全風化、強風化及中風化砂礫巖，可以作為天然持力層。在建筑方案設計中，基坑開挖深度設計為3.5~12.5 m，采用復合土釘墻支護方式，三重管旋噴樁作為封閉式止水帷幕，深度設計進入中風化砂礫巖，降水方案為明排形式。在對其地下室結構設計過程中，為了提高地下水抗浮結構設計的科學性，對地下室抗浮設計方案進行全面分析，經(jīng)過科學的論證，擬采用泄水抗浮技術，通過盲溝施工、集水井施工來收集地下水，將由地勢高度差產生的自然排水接入市政管網(wǎng)。

根據(jù)《建筑工程抗浮技術標準》及《巖土工程勘察規(guī)范》的規(guī)定，對場地水文地質條件進行勘測，勘探點間距標準如下表2所示。

表2 勘探點間距標準規(guī)定

本次工程水文體地質條件復雜程度為中等，勘探點間距設計為20 m。該工程內的原始地貌是剝蝕殘丘，下伏基層巖石主要為中風化砂礫巖；填土層為上層滯水；中部為空隙潛水，存在分值黏土和含礫砂巖土層，整體為弱含水層，下方為基巖強風化帶、中風化帶。地下水補充形式主要為自然降水滲透和地下水滲流補給，地下水位受到自然建筑影響顯著。

泄水抗浮技術是指通過盲溝排水，從而達到主動降低抗浮水位、釋放部分地下室水浮力的一種技術方案。在地下室結構設計中應用泄水抗浮技術時，盲溝排水可以采用完全借助地下水靜止水壓力主動排水和借助地下水靜止水壓力集水與人工排水兩種方式，通過將主動排水與被動排水相結合，能夠有效降低地下室所承受的浮力。傳統(tǒng)抗浮技術在現(xiàn)代建筑工程應用過程中，其局限性逐漸體現(xiàn)，難以應對現(xiàn)代化地下室建筑工程的實際需要。為了推動地下室建筑工程發(fā)展，必須對傳統(tǒng)抗浮技術進行創(chuàng)新，經(jīng)過大量的工程實踐，泄水抗浮技術被提出，在實際應用中具有良好的效果。與傳統(tǒng)抗浮技術相比，抗浮結構有效時間更長，能夠全面提高地下室結構質量，且具有廣泛的適用性，適合在多種不同地質環(huán)境、地下水環(huán)境中使用。

經(jīng)過前期計算，需要在該地下室結構中沿著基坑底部三條邊線設置盲溝，盲溝設計坡度為0.5%，組合方式包括三條直徑為300 mm的排水管，盲溝內填料采用土工布包裹碎石；為了防止泥沙、碎石等堵塞盲溝，設計在碎石墊層底部設置一層土工布，具有反濾層的作用；在不設置機械排水設施的條件下，盲溝能夠通過地下水靜止壓力實現(xiàn)集水和排水，并在場地東南一側引入室外排水管；在地下室回填施工中，當基坑降水停止時，地下水開始上升，當?shù)叵滤贿_到盲溝設計標高區(qū)域時，地下水會通過孔洞進入盲溝內部，并集聚到集水井中，從而能夠通過室外排水管排出，最終進入市政雨水排水系統(tǒng)內部。圖1為地下室盲溝結構簡圖。

圖1 地下室盲溝結構簡圖

根據(jù)相關的地質資料和計算結果，在本次地下室工程中，采用泄水抗浮技術，抗浮設計水位標高為+19.2 m，周圍巖土體因為長期抽水引起的最大沉降值為17.6 mm，最大沉降值差異為1.3 mm，滿足相關標準要求，說明泄水抗浮技術在本次工程中具有良好的效果。

4.4 工程效益

通過采用泄水抗浮技術方案，與傳統(tǒng)的地下室抗浮結構設計方案相比，預計能夠節(jié)省投資成本約550萬元，同時泄水抗浮技術能夠有效提高施工效率，不會對原有線路和其他工程施工進度造成影響，具有良好的綜合效益。在本次工程中，通過采用泄水抗浮技術，使得地下室抗浮結構質量得以提升，并結合前期設計方案的優(yōu)化，使得工程成本投入降低，不僅保障地下室抗浮結構質量，同時提升了工程經(jīng)濟效益，說明該抗浮設計方案具有良好的應用效果，希望能夠對同類型高層建筑地下室抗浮結構設計有所幫助。

5 結束語

文章全面闡述地下室抗浮設計的基本概念，并對抗浮設計的注意事項進行分析，同時提出地下室抗浮設計存在的問題，最后提出多項提高地下室抗浮設計科學性的有效措施，并結合具體工程案例對抗浮設計措施進行優(yōu)化，希望能夠對我國高層建筑地下室抗浮設計工作起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高地下室抗浮設計工作質量。