地下建筑物的抗浮设计

【摘要】随着城市建设的快速发展，高层建筑的增多，地下室和地下工程越来越多，地下建筑物抗浮问题也随之越来越引起人们的重视。本文介绍了地下建筑物浮起的基本条件和抗浮水位的确定，地下建筑物的抗浮设计，讲述了抗浮技术措施。

【关键词】地下建筑物；抗浮水位；抗浮设计；抗浮措施

近几年来，随着城市的发展，带有地下室的高层建筑大量涌现，其抗浮问题也就随之而来。因抗浮问题没处理好而引发的质量事故时有发生，有的还在施工阶段出现了地下室底板大面积开裂，底板隆起；有的地下建筑物整体浮起，造成了严重的经济损失。所以城市地下建筑物的抗浮问题是地下结构设计的一个重要课题。

1 地下建筑物浮起的基本条件和抗浮水位的确定

水对地下建筑物的浮力大小遵循阿基米德原理和连通管原理。因此，当地下建筑物与周围介质间存在薄层自由水膜时，无论水的性质是潜水、上层滞水或承压水，即可产生强度为Y•H的浮力(Y为水的重度，H为建筑物基底以上的水深)，当水浮力强度大于地下建筑物单位面积的重量时，建筑物即可浮起，水不断补充时，建筑物将不断上浮。水量的大小控制着建筑物上浮速度和上浮量，水位高低控制建筑物上浮程度。至于地下建筑物基底及周边水在土中的渗流影响是深层次的抗浮机理问题。但可以肯定，只要建筑物周边与土介质之间的水位达到一定高度，且水的补充速度大于水在土的渗流速度时建筑物即可能被浮起。

抗浮水位分为整体稳定和局部稳定的抗浮水位及结构构件设计的抗浮水位。查阅岩土工程勘察规范并未明确抗浮水位的具体确定方法。可见，抗浮水位的确定是一个复杂的问题，抗浮水位的高低与地形地貌、地下水类型、土质、环境情况等多种因素相关，特别是环境及上层滞水的变化更是难以预测。因此，不能简单地取用勘察报告提供的勘察时的混合水位，应该结合当地经验综合各种因素分析确定。

2 地下建筑物的抗浮设计

对地下室抗浮设计的总原则是应满足下式要求：

当不满足上式的要求时，应进行地下室抗浮设计。

在具体设计时当建筑物的地面上结构外边线与地下室外边线基本重叠时，地下室的抗浮设计按以下原则进行：

2.1 当结构重量大于地下水的浮托力且满足上式时，不必考虑地下水对地下室的整体浮托作用，但应在设计中提出施工过程中必须采取隔水或降水措施降低地下水水位。

2.2 当结构重量小于地下水的浮托力时，地下室需要设置永久性抗拔构件或采取其他有效措施（如顶板填土加压等）以平衡地下水对整体结构的浮托力。

2.3 上述两种情况还必须考虑地下水浮托力对地下室底板的反向作用，保证地下室底板构件在地下水反向作用下应具有足够的强度和刚度，并满足构件的上拱抗裂要求。如果底板配筋量过多或截面尺寸过大而造成造价太高或施工困难时，也可考虑在底板中部设置抗拔桩或抗拔锚杆以改善底板的受力状态。

2.4 当建筑物的地下室面积大于地面上结构面积而形成地下室周边外伸时，除满足结构总体重量必须大于水的浮托力外，还需对地下室外伸跨部分构件进行浮力作用下的抗弯及抗剪强度验算，不然会造成地下室底板、梁甚至墙体的开裂。当与高层建筑相连的裙房部分的结构重量不能与地下水的浮托力平衡时，也应考虑此部分结构承受水的浮托力作用而引起的损坏。

3 抗浮技术措施

常用的抗浮方案和措施有以下几种：

3.1 盲沟排水法：适用于常年水位低于地下室底板标高。沿地下室四周和底板下设置滤水层和排水管道，将水引导汇集到排水井内并用水泵抽排，地下水位一直维持至地下室底板下某一标高，使得底板基本不受水浮力，这种方法不仅解决了地下室的整体抗浮问题，同时也解决了底板的局部抗浮，其经济效益明显。

3.2 配重法：抗浮安全度不够最直接的办法是增加结构自重或增加其上恒载，利用底板外伸部分增加回填土重量；如果在底板上增加配重，能同时降低底板的局部有效压力，有利于减小底板和基础梁的尺寸。值得注意的是，增加覆土厚度或增加底板厚度对地下室抗浮有效，但基础埋深势必增加，地下水浮力也相应增加，于是增加结构重量的作用会部分地被增加埋深所引起的浮力抵消，因此，用配重法应认真核算。

3.3 抗浮桩法：抗浮桩利用桩侧阻力起抗浮作用，其抗浮能力与桩型、桩径、桩长及周围地质条件有关。抗浮桩的单桩承载力较大，一般布置在柱、墙下，其抗浮面积较大，受环境条件、施工条件影响较大，造价较高。当按常规布置柱下桩基不能满足抗浮要求时，需要在抗浮底板下增设抗拔桩。《高层建筑岩土工程勘察规程》规定：对地下水水位或使用荷载变化较大的地下室宜选用抗浮桩。抗拔桩的抗拔承载力应通过现场抗拔静载荷试验确定。

3.4 抗浮锚杆法：抗浮锚杆因具有造价低廉、施工方便、受力合理等优点而被广泛使用。但抗浮锚杆的设计、施工和检测还没有专业规范，给抗浮锚杆的应用带来不便。抗浮锚杆分预应力锚杆和非预应力锚杆，普通锚杆只有结构底板发生一定的位移才开始被动受力，适用于水浮力不大且对位移要求低的地下室；当水浮力较大且对位移及渗漏要求较高的地下室应采用预应力锚杆。

4 结语

地下建筑的抗浮设计应根据工程水文地质资料、施工条件、地下结构情况进行周密的设计计算、精心施工。设计中应考虑工程造价的经济合理性，并尽量利用一些简易的临时抗浮措施，以达到降低工程造价的目的。施工中应考虑地下建筑不同工况下的浮力，并采取相应的对策。地下建筑物均为抗渗混凝土结构，除确保其强度要求外还应确保其抗渗要求。

参考文献：

[1]龚昌云等，用扩底桩抵抗地下罐池浮裂的探讨[ J ].建筑技术,2001（11）

[2]岩土工程勘察规范GB50021-2001

[3]张思远，在确定建筑物基础抗浮设防水位时应注意的一些问题[J]．岩土工程技术，2004，18(5)：227―229．

[4]JGJ 72―2004，高层建筑岩土工程勘察规程[S]．

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文