浅谈地下室的抗浮设计

摘要：地下室的抗浮设计往往被忽略，而导致的不良后果便是地下室浮起、地下室底板裂缝渗水等等，都是直接影响到结构的正常使用甚至是安全的。因此，地下室的抗浮应引起足够重视。本文介绍了抗浮设计中基本概念，并结合工程实例探讨了地下室的抗浮设计。

关键词：地下室;抗浮设计;概念

Abstract: the basement anti-uplift design is often neglected, and lead to adverse consequences is the basement float, basement floor crack ooze water, etc., are directly affect the structure of normal use and even is safe. Therefore, the basement anti-uplift should cause enough attention. This paper introduces the basic concept of basement design, and connecting with the engineering example discusses basement anti-uplift design.

Keywords: the basement; Anti-uplift design; concept

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

地下建筑物的抗浮设计关系到结构设计使用年限内的安全问题, 抗浮设计措施应根据工程地质资料、施工条件、地下结构情况进行周密的设计计算、精心施工, 尤其注意在施工阶段的抗浮问题。设计中应考虑工程造价的合理性, 并尽量利用一些简易的抗浮措施, 以达到降低工程造价的目的。

一、抗浮设计中基本概念

在多个地下室因水浮力作用而引发的工程~故中，我们发现有些设计人员对地下水的作用认识不足，抗浮设计的基本概念不够清晰，常见的有下列几种情况：

1、有些设计人员经常把设计重点放在地下室的梁、板、柱、墙的结构构件设计上，往往忽视整体抗浮验算分析，忽视施工的抗浮措施，总认为具有上万吨自重的地下室是怎么也不可能浮起来。

2、地下室底板裂缝、漏水，甚至成为地下游泳池，实质上大部分是因为地下水的作用远大于设计荷载而造的工程事故，有些设计人员却错误判断为温度应力作用、砼施工质量问题等。

3、对于地下水位高的地下室应进行整体抗浮和局部抗浮验算。对于基底为不透水土层的地基（基岩、坚硬粘土），深基坑支护又采用了止水帷幕或桩、锚、喷射混凝土联合支护，忽视水的浮力。试想万吨级以上大船能在江、河、海中航行，可见水的作用力之大。地下室就像一条“船”，地下室底板和侧墙形成一个密闭的船身，它的水浮力有多少呢，是它浸泡在水中的体积乘以水的容重，可见水浮力之大。地下室的抗浮设计就是要使这个船既不上浮，船身又不破坏，因此，地下室的抗浮设计应进行整体抗浮和局部抗浮验算。

然而有些设计人员对上述最基本的概念还不够清晰，例如，有些设计人员只对地下室底板的梁、板、墙在地下水浮力荷载作用下的强度计算，未做整体抗浮的认真分析，特别是独立地下室、水池等，造成地下室整体上浮，给地下室结构带来严重破坏，难以进行复原处理。又如有些设计人员利用上部结构自重抗浮，只计算上部结构总自重标准值大于总的水浮力设计值，就认为抗浮设计满足要求。既不分析其上部建筑荷载的分布，又未计算局部抗浮，局部范围因抗浮力小于水浮力，底板隆起、造成地下室及上部结构局部范围内大面积破坏。再如，在地下室底板计算中只验算强度不进行变形的裂缝宽度的计算，造成底板产生裂缝，漏水严重，形成“地下游泳池”。

更值得一提的是，有些设计人员和施工人员对地表水作用认识不足，当地下室地基为不透水的岩土层、支护又严密的基坑，一般认为不存在水的浮力，因此造成施工期间或使用期间地下室上浮破坏的盲点，一旦暴雨来临，地面的地表水全流入基坑形成“脚盆”效应，即基坑为“大脚盆”，地下室成为“小脚盆”。施工期间一旦未及时采取降水措施就会将“小脚盆”浮起，使用期间若不将四周的回填土采用粘性土分层夯实形成止水层，也同样会产生“脚盆”效应。

另外，有些设计人员和施工人员忽视施工对地下室抗浮的重要性，设计图纸对施工时抗浮措施的要求只字不提，施工人员在施工过程中不关注降水，没有采取降水措施或在抗浮结构未达到设计预定目标时就停止了降水，导致在施工期间产生地下室整体上浮事件时有发生，产生上述现象的主要原因除经验外，主要是对我国现行的技术规范、规定不了解。例如《地下室防水技术规范》在第10章中明确规定了，“明挖法地下室防水施工时，地下水位应降至工程底部最低高程500mm以下，降水作用应持续至回填完毕”；建设部《建筑工程设计文件编制深度规定》的第4.4.3条第8款中，规定了“地下室抗浮（防水）设计水位及抗浮措施，施工期间的降水要求及终止降水的条件等”应在结构设计说明中明示；这些规定是经验的总结，我们应该严格按照相关规定做好地下室的抗浮设计和抗浮施工。

只要工程地下室基础底板标高低于该场地地下室抗浮水位标高, 设计时应考虑地下室的抗浮问题。我们通常采用两种做法来防止地下室整体上浮，一种为“压”，一种为“拉”。 当采用“压”的做法时，利用建筑的自重（包括结构及建筑装修、上部覆土等，不含楼面活荷载）平衡地下室水的总浮力，当不能平衡时，必须增加“拉”的做法，即采用桩或锚杆等来抵抗地下水的浮力。无论是“压”还是“拉”的做法，都必须进行整体抗浮验算，保证抗浮力（压重+抗拉力）大于水的总浮力。

对于大面积地下室上建有多栋高层和低层建筑，建筑自重不均匀，当上部为高层或恒荷载较大时，该范围的整体抗浮能力可能较高，但上部没有建筑或建筑层数不多的局部范围，特别应进行分区、分块的局部抗浮验算，例如：柱、桩、墙的压力或拉力能否平衡它所影响区域里的水浮力总值。因此在结构设计中，设计人员除了要进行梁板墙柱结构构件的强度验算、变形验算和裂缝验算，还应进行地下室局部的抗浮验算。

二、工程实例

1、工程概况

某工程地下室一层, 上部由主楼( 17 层) , 附属楼( 4 层) 等两个单体组成, 主楼为钢筋混凝土框架剪力墙结构, 附属楼为钢筋混凝土框架结构。工程所在地区抗震设防烈度为六度, 场地类别为Ⅱ类, 设计基本地震加速度值为0. 05g , 设计地震分组为第一组。地基基础设计等级为乙级, 基础采用钢筋混凝土冲钻孔灌注桩。地下室底板结构平面布置( 见图1) , 地下室剖面简图( 见图2) 。

图1地下室底板结构平面简图

图2地下室剖面简图

2、抗浮设计地下水位标高

确定用于计算地下室水浮力的设计水位, 当有长期水位观测资料时, 场地抗浮设防水位可采用实测最高水位; 无长期水位观测资料或资料缺乏时, 按勘察期间实测最高稳定水位并结合场地地形地貌、地下水补给、排泄条件等因素综合确定, 由地质勘察部门提供, 具体体现在岩土工程勘察报告中。只要工程地下室基础底板标高低于该场地地下室抗浮水位标高, 设计时应考虑地下室的抗浮问题。若地下室自重小于地下水浮力作用, 应设置抗浮锚杆或抗浮桩。

3、抗浮桩的布置

本工程5 轴~ 8 轴间为纯地下室, 两端上部分别有主楼和附楼, 因此两端地下室部分建筑物自重较大, 足以抵抗地下水浮力, 在使用期内靠自重抗浮是没有问题的。而对于纯地下室部分, 建筑物自重较小, 靠自重抵抗地下水浮力不能满足抗浮要求, 所以该工程仅在5 轴~ 8 轴间的纯地下室部分考虑布置抗浮桩。抗浮桩的布置与抗压桩的布置一样要做到结构设计最省, 就要做到力的传递路线最短。常见布桩大致有三种形式: A、柱下承台布桩, B、柱下地梁上布桩, C、板内布桩。本工程按板内均匀布桩, 并在桩位上设置承台与地梁( 如图1) 。这样在水浮力作用下传力比较直接均匀, 且在抗浮桩满足抗浮承载力要求的情况下, 桩与承台可作为地梁的支座, 使得地梁跨度大大减少, 同时地下室底板的跨度也会相应减少, 减少了用钢量, 节省了造价。

4、抗浮桩的验算

抗浮计算无统一的计算公式, 各设计者采用各自的计算公式。该工程笔者抗浮计算按下式:

G+ nR a > 1.1F w式中

G ―― 柱底传来恒载标准值即建筑物自重包括覆土自重( 向下)

N――柱下抗浮桩的桩数

Ra――抗浮桩的单桩抗浮承载力特征值

Fw ――与柱对应的受荷范围内地下水浮力标准值( 向上)

该公式中荷载标准值对应于桩的特征值, 相当于基础地耐力计算式, 概念较为明确, 且在验算建筑物的抗浮能力时不应考虑建筑物上的活荷载。水浮力标准值F w = H w×10× A,H w 为水头高度, 即抗浮设计水位与地下室底板底之间的高度,A 为水浮力的作用面积。因地下室抗浮是一个十分重要的问题, 若考虑不当将会带来严重的后果, 且补救较为困难, 所以抗浮验算时安全系数取1.1。另外在设计中有许多对抗浮有利的因素在公式计算中无法体现, 且均未予以考虑，如粘性土的阻水作用, 地下室侧壁的侧阻作用, 底板与土壤的粘结力和吸力均未记入, 上部建筑物及地下室的整体刚度很大, 上部建筑物的压重在地下室部分的扩散作用均未考虑, 这些有利因素均可作为安全储备。

该工程桩基抗浮验算时分两种情况, 一种为柱下抗浮桩,另一种为非柱下抗浮桩。对于柱下抗浮桩( 取6 轴交F 轴处柱下桩计算) 建筑物自重及覆土自重的标准值G= 1755kN, 而该处承受的向上的水浮力标准值Fw = 1037kN, G > 1.1 Fw , 说明在有柱子的情况下, 建筑物的自重及覆土自重比受到的水浮力大很多, 足以满足抗浮要求而无需抗浮桩。因此, 对于柱下桩可不考虑抗浮要求, 仅需满足竖向抗压承载力就可以了。对于非柱下抗浮桩( 取6 轴~ 7 轴交F 轴~ G 轴中间处非柱下桩计算) , 由于其承受的建筑物自重较小, G= 489kN, Fw =1037kN, G< 1.1Fw 。因此, 非柱下桩必须考虑抗浮要求。根据工程地质勘察报告提供的数据及土层情况, 经计算确定该工程抗浮桩的单桩竖向抗浮承载力特征值Ra= 680kN, 因此,根据上述抗浮计算公式G + nRa > 1.1Fw, 489kN+ 680kN= 1169kN> 1.1×1037kN, 满足抗浮要求。

参考文献：

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