工程的抗浮措施和抗浮设计

摘要：地下水对埋置于岩土体之中或之上的地下结构会产生浮托力。为避免结构发生上拱或上浮而产生失稳破坏，需根据具体情况对地下结构物进行针对性的抗浮设计。本文从地下建筑物浮起原因出发，对常用的几种抗浮措施及其适用场合进行了探讨和总结，对工程抗浮设计要点和流程进行了阐述，并结合工程实例进行了抗浮设计分析应用。研究成果可为不同条件下各种地下工程的抗浮设计提供参考。

关键词：地下结构物；抗浮措施；抗浮设计

中图分类号：TU94+3.1 文献标识码：A 文章编号：

Anti-floating measures and design of underground structures

Abstract: Underground structures embedded in or above of the rock and soil suffer uplift from groundwater. In order to avoid the buckling failure of underground structures caused by upwarp or floating, it is necessary to do specific anti-floating design according to the specific conditions. In this paper, float reasons, common anti-floating measures and their application occasions were discussed and summarized. Besides engineering anti-floating design elements and process were described. Also anti-floating design application of project example was done. Research results can provide references anti-floating design for various projects at different conditions.

Keywords: underground structures; anti-floating measures; anti-floating design

随着我国城市建设进程的不断发展，城市地下空间的开发利用逐渐引起政府的重视[1]。在高层建筑不断涌现，基础埋置越来越深的同时，为充分利用地下空间，作为车库等功能的广场式建筑的纯地下室部分，裙房或相对独立的地下结构物的开发和利用越来越多[2]。因地下水浮力作用或抗浮措施设置不当而引起地下工程的破坏时间，在国内已屡见不鲜。地下结构物的抗浮问题已引起了工程师的广泛关注。本文从地下建筑物浮起原因、常用工程抗浮措施及其适应条件、工程抗浮设计的角度对地下工程抗浮设计环节进行探讨，并结合工程实例进行了应用实践。

1.引起建筑物浮起的因素

土体的空隙及岩体的裂隙中存在大量的地下水，地下水对埋置于岩土体之中和之上的地下结构会产生浮托力。当结构自重小于地下水浮托力时，结构将发生上拱或上浮失稳破坏，影响结构的正常使用。然而我国目前并无规范严格规定抗浮计算如何进行，仅在《岩土工程勘察规范》(GB50021–2001)、《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)和《全国民用建筑工程设计技术措施》(结构)中对浮力有关问题进行了定性的描述。由于对地基土中地下水浮力机理认识不清，工程上重视不够，出现了引起建筑物上浮的各种问题。概括起来，引起地下结构物浮起的因素包括以下几点：对地下结构物受水浮力作用的机理认识不清，未进行抗浮验算；抗浮计算失误，地下水位取值不当；抗浮措施不合适；重视度不足等[3-4]。

2.工程抗浮措施及选择

地下工程抗浮方法有很多，如增加自重法、抗拔桩法、锚杆加固法、泄水减压法等。这些抗浮加固措施又可分为临时性和永久性两大类。临时性抗浮措施确保结构物尽快恢复原位，防止其倾斜；永久性抗浮措施彻底解决浮起问题[3]。

2.1临时性抗浮措施

临时性抗浮针对于非承压水引起的结构物上浮。地下水位下降后，结构物自重大于或等于地下水对其的浮力时，结构物就不会上浮。一般采用的抗浮措施是降水和排水。降水和排水分为在室内和室外两种。室内排水是指在结构物室内底板上钻孔至土层，底板下的积水在压力作用下自动从孔内排出，使地下水位降低，浮力减小，建筑物慢慢回落至原位。室外排水是在建筑物室外四周开挖排水井，直接把水从排水井内抽走，降低地下水位，减少浮力。

2.2永久性抗浮措施

永久性抗浮措施主要有增加自重法、锚杆（索）加固法等。

（1）增加自重法

增加自重法原理是：增加地下结构物自身重量，使其自重始终大于地下水对其产生的浮力。增加自重法包括顶板压载、基板加载及边墙加载等方法。顶板压载措施效益不大，一般用于埋深较浅、不需增加太厚压载物且其顶部有条件压载的地下结构物的抗浮。基板加载措施抗浮效益比顶板压载法大，但会提高工程造价，一般用于埋深较浅、不需增加太厚混凝土的地下结构物的抗浮。边墙加载措施可得到较大的抗浮力，并且不需要加深基坑开挖，但开挖的范围增宽，适用于不受场地限制、地价不贵的地区的规模较小地下结构物的抗浮。

（2）抗浮锚杆（索）法

抗浮锚杆（索）法利用锚杆(索)将结构锚固在稳定地层上，依靠锚杆周围地层的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开挖面自身的稳定。与增加自重法相比，该方法具有工期短、造价低、节省材料等优点。但应注意锚杆自身的防腐问题、所用钢筋与混凝土底板的止水问题和抗浮锚杆施工时机等问题。

（3）泄水减压法

泄水减压法通过在结构物四周及外墙处钻取泄水孔，使的地下水很难渗入到地下结构底板周围，同时将地下水位降至始终低于能使结构物浮起的水位，确保结构物不上浮。这种方法施工较方便，所需机具、设备少，工期短，造价低，对既有建筑物的破坏小，比锚杆有优势。缺点是排水沟和泄水设施要进行定期维护，营运费用较高。泄水减压法适用于地下水为上层滞水，透水率较低的土层。

2.3工程抗浮措施选择

上述抗浮方案各有利弊和优劣，选择的原则是安全可靠、经济合理、技术先进和方便施工。此外，还应根据工程特点、地质情况、场地条件和环境等因素，综合考虑，因地制宜。

3.工程抗浮设计

3.1设计流程

地下工程的抗浮设计，采用安全系数法，计算公式为：

（1）

式中：——地下结构荷载重量；——抗浮力(覆土重量)；——静水浮力；——抗浮安全系数，一般取1.05 ~ 1.10。

工程抗浮设计流程如下：

（1）结构自重、水浮力计算；（2）静水浮力计算；（3）判断是否满足抗浮要求；（4）满足抗浮要求的工程进行施工图设计；不满足抗浮要求的工程，首先选择合适的抗浮措施进行抗浮设计，直至满足抗浮验算满足要求后再进入施工图设计阶段。

目前在进行抗浮验算时，多数设计院均按承载能力极限状态考虑，取建筑物荷载的分项系数为0.9，浮力的分项系数为1.2。对于抗浮稳定性计算，可采用总安全系数法[3]：

（2）

式中：各参数意义同式（1）。

3.2水浮力计算

地下水浮力计算是抗浮设计的前提，需要正确合理地确定设防水位。由于地下水作用的复杂性，准确确定地下水压力是比较困难的。已有文献表明，在不同的地基环境中地下水浮力是变化的。《岩土工程手册》规定：当地下工程位于粉土、粘土、砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基时，地下水浮力按设防水位100%计算；地下工程位于节理裂隙不发育的岩石地基时，按设防水位50%折减；当地下工程底板与岩石地基紧密结合时，可不考虑浮力。《铁路桥涵设计规范》规定：验算位于透水地基上墩台的稳定时，应考虑设计频率水位的浮力；若持力层为不透水的粘土以及位于岩石(破坏、裂隙严重发育除外)的基础且基础混凝土与岩石接触良好时，不考虑浮力。因此，在实际工程中，要综合考虑各种因素选定。

3.3 抗浮设计

在确定了结构形式、尺寸、埋置深度等参数后，根据设防水位，分别计算工程自重和静水浮力，并判断是否需要采取抗浮措施。需要采取抗浮措施的根据前述原则选择适宜的抗浮措施，进行抗浮设计。

4.实例应用

4.1工程概况

乾道•时代天骄拟建场地位于南充市嘉陵区嘉南路，2#、3#楼、4#、5#楼及地下室部分平面图见图1，拟建物工程特性详见表1。该工程重要性等级为一级，场地等级为二级，地基等级为二级。根据现场勘探及已有地质勘察资料，构成场地的地层为：第四系全新统人工填土层，第四系全新统冲洪积层粉质粘土、粉土、细砂和卵石层，侏罗系中上统蓬莱镇组泥岩。场地地下水主要赋存于地基下部卵石层中，为第四系松散岩类孔隙潜水，主要接受地下水侧向径流及大气降水补给，由于砾石颗粒间充填泥质，其透水性及富水性较差，水量较少。

图1 建筑平面图

拟建建筑物特性一览表表1

4.2抗浮设计

场地内地下水主要为赋存于卵石层中的孔隙潜水，勘察期间所测的水位埋深约在地表下9.1～9.6m左右。设计时应考虑地下室部分、地下室裙楼与主楼的交接部位的抗浮问题，抗浮验算所需场地的地下水最高水位绝对高程取263.80m。根据抗浮设计流程，不能满足抗浮要求，可采取抗浮锚杆、抗浮桩等抗浮处理措施。而桩基础造价较高，且施工时较难解决降水和穿透局部坚硬层等因素，故不宜选用。而抗浮锚杆施工简单快捷，效果较好，降水到位后无较大的施工难度。具体参照《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS22：2005)进行设计。

本工程中，主楼楼层较高（2#、5#楼高81m，3#、4#楼高91m），桩压重已经能够抵抗浮力，因此只需考虑底板抗浮；车库裙楼只有两层，上层压重不足以抵抗地下水引起的浮托力，因此，桩和底板都要考虑抗浮。本例中，裙楼部分利用屋面的1.5m厚的种植覆土，在此基础上，经过抗浮验算认为满足要求，也可以不考虑抗浮，因此只需考虑底板的抗浮问题；主楼部分筏板厚1.4m，裙楼部分筏板厚为0.8m，通过0.6m的高差填土，既可节约混凝土和钢材，又对裙楼部分筏板提供了0.6m的填土压重，这是一个经济适用的抗浮措施。

图2不同厚度筏板交接处示意图

5.结论

地下结构物的抗浮设计是结构设计的重要的组成环节。应根据实际工程结构特点、地质条件、施工环境等因素，综合选择适合的抗浮措施使工程的抗浮设计更加合理可靠，做到在满足基础工程设计要求的同时，可以取得比较好的经济效益。

参考文献

[1] 袁正如.地下工程的抗浮设计[J].地下空间,2004,24(1):41-43

[2] 刘文珽,尤天直,张涛.大型地下停车库的抗浮设计[J].建筑结构,2011,41(增刊):1326-1330

[3] 孙梅英.既有地下结构物抗浮加固措施[D].武汉,华中科技大学,2007

[4] 王建英,佘广洪,程学军.建筑物抗浮设计中几个问题的分析[J].建筑技术,2005,7(36): 544-545