數(shù)據(jù)中心園區(qū)抗浮設(shè)計分析

惠麗潔

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司山東分公司，濟南 250010）

1 引言

隨著國家對新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力支持，各地大型數(shù)據(jù)中心也在如火如荼的部署建設(shè)中。數(shù)據(jù)中心園區(qū)主要包括數(shù)據(jù)中心機房、配套建設(shè)的動力中心、室外獨立的地下水池水泵房及專業(yè)設(shè)備的地下隧道等。近年來，媒體報道的因水浮力造成的工程事故較多，數(shù)據(jù)中心作為重要的通信保障建筑，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)設(shè)計中也需重視其抗浮設(shè)計。

對于目前常用的4 層或5 層數(shù)據(jù)中心機房方案，一般只設(shè)置埋深較淺的局部半地下室，其抗浮基本不需專門設(shè)計。而對于配套建設(shè)的動力中心、室外獨立的地下水池水泵房等，為滿足園區(qū)規(guī)劃和設(shè)備專業(yè)的需求，通常設(shè)置埋深較大的地下室，而地上結(jié)構(gòu)重量較輕或沒有地上結(jié)構(gòu)，造成壓重不足，當場地地下水位較高時，極易使結(jié)構(gòu)發(fā)生上浮破壞，因此，對于這些結(jié)構(gòu)需重點考慮抗浮設(shè)計。結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計不足輕則導致地下室底板起拱、裂縫，重則使地下室上浮，結(jié)構(gòu)柱柱頂破壞。對于數(shù)據(jù)中心園區(qū)，地下室基本用于水池、水泵房等。一般土建投資在整個數(shù)據(jù)中心園區(qū)的建設(shè)投資中占比較小，但是一旦結(jié)構(gòu)抗浮失效，會導致地下室漏水甚至破壞，造成的影響卻非常大，因此，數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)工程師須加強抗浮設(shè)計意識，防范技術(shù)風險。

2 抗浮設(shè)計方法

常用的結(jié)構(gòu)抗浮措施有增加壓重和設(shè)置抗浮構(gòu)件兩種方式。抗浮設(shè)防水位，即施工期和使用期內(nèi)滿足抗浮設(shè)防標準時可能遭遇的地下水最高水位[1]，需由勘察單位在勘察報告中明確提出。增加壓重的抗浮措施有增加結(jié)構(gòu)自重、采用重度更大的回填材料、增加底板配重等方式，施工較為簡便，經(jīng)濟性好。當增加壓重不能滿足結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性時，則需設(shè)置抗浮構(gòu)件來抵抗結(jié)構(gòu)所受的浮力，如設(shè)置抗浮錨桿或抗拔樁等。設(shè)置抗浮構(gòu)件往往施工麻煩且造價較高，實際工程中可同時采用增加壓重和設(shè)置抗浮構(gòu)件兩種措施。對于動力中心局部地下室及室外獨立的地下水池水泵房，考慮其規(guī)模較小且增加壓重一般能滿足其抗浮計算，可優(yōu)先采用增加壓重的抗浮措施。

浮力計算的主要原理是阿基米德原理：浸在液體中的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于物體排開的液體所受的重力。工程上可適當簡化計算，根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，基礎(chǔ)抗浮穩(wěn)定性應符合式（1）的要求[2]：

式中，Gk為建筑物自重、壓重及其上覆土荷載之和，kN，為標準值；Nw，k為浮力，kN，為標準值；Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，可根據(jù)JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技術(shù)標準》（以下簡稱《抗浮標準》）表3.0.3 取值。

對于Gk，計算時需區(qū)分結(jié)構(gòu)施工期間和使用期間的荷載，且要考慮《抗浮標準》第6.3.7 條抗浮組合系數(shù)。計算Gk時，基礎(chǔ)上處于地下水位以下的回填材料需考慮水浮力的作用，當采用土作為回填材料時，應取土的有效重度；當采用素混凝土作為回填材料時，素混凝土和基礎(chǔ)可視為一個整體，Gk計算計入混凝土重量，Nw，k計算也考慮素混凝土體積?；靥畈牧系闹囟葢B 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定的較小值，壓密黏土的干重度可按16 kN/m3計算，普通混凝土（振搗或不振搗）的重度可按22 kN/m3[3]。

3 工程實例分析

以某數(shù)據(jù)中心的配套動力中心抗浮設(shè)計為例，此動力中心地上結(jié)構(gòu)為1 層，設(shè)局部地下室，其中，地下室基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，非地下室部分基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。地勘報告為：第①層為雜填土（Q4ml），厚2.50～3.50 m；第②層為粉質(zhì)黏土（Q4mh），厚度2.00～2.50 m，地基承載力特征值fak=90 kPa；第③層為全風化砂巖，厚3.00～4.20 m，fak=300 kPa，工程特性較好，性質(zhì)較均勻，可作為基礎(chǔ)持力層；第④層為強風化砂巖，厚2.00～5.40 m，可作為擬建建筑物深基礎(chǔ)持力層，fak=500 kPa；第⑤層為中風化砂巖，未揭穿，可作為擬建建筑物深基礎(chǔ)的持力層，fak=2 000 kPa。場地抗浮設(shè)防水位為-1.450 m（首層室內(nèi)地面標高為正負零），室內(nèi)外高差0.75 m，地下室底板頂標高為-6.400 m，地下室頂板頂標高為-0.800 m。

本工程地下室筏板基礎(chǔ)以第③層全風化砂巖為持力層，筏板厚600 mm，墊層厚150 mm（因地下水具有腐蝕性），基礎(chǔ)平面圖如圖1 所示?？垢≡O(shè)計中，結(jié)構(gòu)施工圖需明確停止降水的時間和條件，本工程需滿足動力中心屋面板施工完畢，地下室頂板采用素土回填至首層地面，基坑采用素土回填至室外地坪，或采取同等措施不令水浮力形成方可全面停止降水。其中，素土重度不小于16 kN/m3，壓實系數(shù)不小于0.94?？紤]動力中心地面設(shè)備管溝較多，地下室頂板上盡量不采用素混凝土回填，若必須采用，回填厚度需根據(jù)管溝深度確定。

圖1 基礎(chǔ)平面圖

3.1 地下室整體抗浮計算

上部結(jié)構(gòu)傳來的恒載=32 502 kN（采用軟件計算結(jié)果）。

筏板基礎(chǔ)及其上恒載（筏板自重＋墊層重量+筏板板面恒載重量+回填材料重量）=18 207 kN，通過計算確定。

根據(jù)《抗浮標準》第6.3.7 條，上述計算中結(jié)構(gòu)填充墻、地下室頂板及側(cè)壁回填素土的荷載組合系數(shù)按0.9 組合系數(shù)考慮。

水浮力作用高度hw=5.95 m，水的重度取10 kN/m3，地下室整體所受水浮力：Nw，k=39 437 kN。

根據(jù)式（1），Kw=Gk(上部結(jié)構(gòu)傳來的恒載+筏板基礎(chǔ)及其上恒載)/Nw，k=(32 502+18 207)/39 437=1.28≥1.05，滿足施工期間抗浮穩(wěn)定性要求，且≥1.1，滿足使用期間穩(wěn)定性要求。

所以，地下室整體抗浮穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。

3.2 地下室局部抗浮計算

地下室不僅需進行整體抗浮計算，局部抗浮同樣需引起重視。對于動力中心，因1 層放柴油發(fā)電機及其基礎(chǔ)，地上結(jié)構(gòu)跨度大，地下室頂板荷載大，一般在地下室內(nèi)部增加結(jié)構(gòu)柱，如圖1 中1/B 軸、1/D 軸上的柱，因柱上端沒有豎向集中荷載傳遞，此位置基礎(chǔ)在地下水作用下有明顯的上浮位移，為局部抗浮最不利處，如圖2 所示。當基礎(chǔ)局部抗浮不滿足要求時，可設(shè)置筏板加厚區(qū)等來滿足抗浮設(shè)計。

圖2 筏板基礎(chǔ)在組合1.0 恒-1.05 浮作用下的位移圖

以1/B 軸為中心，取5.3 m 寬基礎(chǔ)板帶進行計算，核算面積：A1=5.3×22.1=117.13 m2。在此板帶區(qū)域設(shè)置0.2 m 厚的加厚區(qū)，則此區(qū)域筏板厚度為0.8 m。

上部傳來恒載=3 896 kN（采用軟件計算結(jié)果）。

筏板基礎(chǔ)及其上恒載（筏板自重＋墊層重量+筏板板面恒載+回填材料荷載）=3 061 kN。

上述計算中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充墻、地下室頂板及側(cè)壁回填材料重量的荷載組合系數(shù)在計算時按0.9 考慮。

水浮力作用高度hw=5.95 m，水浮力Nw，k=6 595 kN。

Kw=Gk(上部傳來恒載+ 筏板基礎(chǔ)及其上恒載)/Nw，k=6 982/6 537=1.054＞1.05，滿足施工期間抗浮穩(wěn)定性要求。

使用期間：按設(shè)備擺放區(qū)域局部回填土替換為油機基礎(chǔ)及油機設(shè)備自重后另增加重量為：684 kN（僅考慮5.3 m 板帶寬度范圍）。

Kw=Gk(上部傳來恒載+ 筏板基礎(chǔ)及其上恒載)/Nw，k=7 641/6 595=1.15＞1.1，滿足使用期間抗浮穩(wěn)定性要求。

所以，地下室局部抗浮穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。

3.3 設(shè)置抗浮構(gòu)件

當增加壓重不能滿足結(jié)構(gòu)抗浮要求時，需設(shè)置抗浮構(gòu)件來抵抗結(jié)構(gòu)所受浮力，或同時采用增加壓重和設(shè)置抗浮構(gòu)件兩種措施，常用的抗浮構(gòu)件有抗拔樁和抗浮錨桿。設(shè)計抗拔樁或抗浮錨桿時，拉力設(shè)計值為1.35×（水浮力標準值-壓重標準值），地基承載力極限值不小于2×（水浮力標準值-壓重標準值），需注意抗拔群樁或抗浮錨桿的整體破壞。實際設(shè)計中可根據(jù)工程實際進行抗浮方案試算，選擇合理的抗浮措施。

3.4 施工期間抗浮風險提示

抗浮設(shè)計除根據(jù)抗浮設(shè)防水位進行施工期間和使用期間的抗浮計算，還需注意施工期間尤其是雨季施工地表水侵入基坑引起的結(jié)構(gòu)上浮。近期，司法判定的幾起地下室上浮工程事故均為施工期間地下室結(jié)構(gòu)抗浮措施不足，地表水流入基坑引起的結(jié)構(gòu)上浮破壞。對于數(shù)據(jù)中心園區(qū)設(shè)計中的動力中心、室外獨立地下水池水泵房及地下設(shè)備隧道施工過程中基坑開挖較深，基坑回填前均需注意地表水侵入基坑使結(jié)構(gòu)上浮。為此，有圖審機構(gòu)建議結(jié)構(gòu)工程師在施工圖中明確注明：基坑基槽回填前，施工單位應采取防止地表水侵入基坑基槽的措施，避免因地表水侵入基坑基槽導致地下結(jié)構(gòu)上浮，且施工單位應編制地表水侵入基坑基槽的應急處理預案。這對于結(jié)構(gòu)工程師具有重要的借鑒意義。

4 結(jié)語

地下室抗浮是一個勘察階段、設(shè)計階段、施工階段都需要引起足夠重視的問題[4]。數(shù)據(jù)中心因其特殊的工藝需求，結(jié)構(gòu)不同于普通民用建筑，且一旦發(fā)生破壞，后果極為嚴重。作為設(shè)計方，需提高結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計意識，并通過方案比選選擇經(jīng)濟合理、施工簡便的抗浮設(shè)計方案。此外，應在圖紙中明確提示施工單位應采取措施防范地表水和地下水侵入基坑，避免施工期間地下結(jié)構(gòu)上浮，防范技術(shù)風險。