浅谈地下室抗浮设计与抗浮措施分析

摘 要：随着我国城市化进程的快速发展，对地下空间的开发力度日益增大，需要设置超深超大面积地下室的工程项目越来越多。受周边环境、工程地质与水文地质因素制约，目前地下室设计及施工中遇到了许多新的技术问题亟待解决，地下室抗浮问题即是其一。众多工程实例表明，一旦抗浮不满足设计要求，轻则引起地下室底板局部隆起或者开裂需进行加固处理，重则引起建筑物倾斜甚至丧失使用功能，无论何种情况都造成巨大的经济及社会效益损失。因此进行地下室抗浮设计并采取必要的抗浮措施十分必要。

关键词：地下室；抗浮设计；抗浮措施；复位；

1、地下室抗浮失效问题分类及其破坏特征

地下室抗浮失效问题分为整体抗浮失效和局部抗浮失效两大类。

整体抗浮失效是指当建筑物的自重不能够克服地下水浮力，建筑物发生整体上浮位移或倾斜。其失效形式与地下室结构刚度关系密切，若地下室结构刚度小，可能会出现局部上浮或倾斜，刚度大则可能整体向上浮移。局部抗浮失效是指水浮力不超过建筑物的总重量，但

局部自重小于水浮力，造成抗浮承载力不均衡。其失效形式使得地下室产生裂缝，部分结构上浮。由于受周边墙体以及内部框架柱、墙的制约，裂缝一般分布于底板或地梁跨中，且其分布范围广并具有一定规律性。

2、地下室抗浮计算理论依据

2.1 浮力的计算方法

地下室抗浮验算的关键是准确计算地下室结构所承受的水浮力。该问题可采用阿基米德定律来计算。该定律简要表述如下：

F浮=ρw V w g （1）

式（1）中，ρw 为水的密度，一般取 10 KN/m?；V w为建筑物浸入地下水部分的体积；g 为重力加速度。在实际抗浮计算中，V w按式（2）计算：

V w=A j h w （2）

式（2）中，h w 为抗浮设计水位高度，A j 为建筑物底板面积。

由浮力计算公式可以看出，确定抗浮设计水头高度是抗浮设计至关重要的一步。

2.2 地下室结构抗浮设计水位的合理取值

地下室抗浮设计水位的确定按照现行国家规范的要求，需由岩土工程勘察单位在地质勘察报告中提供。规范明确规定：

1）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时按勘察期间实测最高水位并结合场地地形地貌及地下水补给条件确定；

2）场地有承压水且与潜水有水力联系时应实测水位并考虑对抗浮设防水位的影响。

3）只考虑施工期间的抗浮设防时水位可按一个水文年的最高水位确定。

勘察资料未提供抗浮设计水位时， 应取建筑物设计基准期内可能产生的最高水位。 当地下水赋存条件复杂变化幅度较大， 区域性补给和排泄条件可能有较大变化或者工程需要时应进行专门论证提供抗浮设防水位的咨询报告。

2.3 地下室抗浮稳定性验算

建筑物基础应满足抗浮稳定性验算如式（3）所示：

（3）

式中：Gk为建筑物自重及压重之和；N w，k为浮力作用值，Kw为抗浮稳定安全系数，一般情况下可取 1.05。

3、地下室抗浮措施

3.1 无抗浮构件作用下的抗浮措施

3.1.1 压重抗浮

当不满足抗浮稳定性验算时，对于不采用抗浮构件作用的地下结构，可采用增加自重的方式来满足抗浮要求。

1）增加地下室结构自重，如适当增加顶板或底板的厚度。

2）增加结构层数，如增加设备层，非使用空间等。

3）用大容重材料对地下室地面进行回填。

4）在地下室顶板增加覆土厚度。

3.1.2 降低抗浮设计水位

由浮力计算公式可以看出，降低抗浮设计水头高度可减小水浮力。通过结构优化，在确保地下室使用净高的前提下减小地下室的埋置深度可实现降低抗浮设计水位的要求。 具体可采取如下措施：

1）采用平板式筏板基础，较梁板式筏板基础梁底标高略有抬高，水浮力相应减小。

2）顶板采用宽扁梁或无梁楼盖 ，厚顶板不仅增加了结构自重，而且在保证使用净高的情况下，底板标高可相应抬高，有效降低了抗浮设计水位。

3.2 设置抗浮构件作用下的抗浮措施

3.2.1 设置抗拔桩

通过抗拔桩本身自重和与周边土的摩擦力实现与水浮力相抗衡的抗拔力，可均匀布置于筏板下，也可较集中地布置于柱、墙下。

设置抗拔桩时的抗浮计算

（4）

式中：Gk为建筑物自重及压重之和，N w，k为浮力作用值，Kw为抗浮稳定安全系数， 一般情况下可取 1.05，n 为抗拔桩的根数，N k为按荷载效应标准组合计算的基桩拔力。

基桩抗拔力 N k应按照规范第 5.4.5 条同时进行群桩基础呈整体破坏和呈非整体破坏时的抗拔承载力验算。

3.2.2 设置抗浮锚杆

1）抗浮锚杆的计算

抗浮锚杆通过在底板与其下坚硬土层或岩土体之间设置锚杆和砂浆组成的锚固体建立抗浮力，因其布置灵活、受力合理、造价低廉等优点而得到广泛应用。

抗浮锚杆可根据规范第 6.8.6 条进行计算：

Rt= ξf u r h r（5）

式中：Rt为锚杆抗拔承载力特征值，ξ 为经验系数，对于永久性锚杆取 0.8，f 为砂浆与岩石间的粘结强度特征值，ur为锚杆周长，hr为锚杆锚固段嵌入岩层中的长度，当长度超过 13 倍锚杆直径时，按 13 倍锚杆直径计算。

2）抗浮锚杆的布置

抗浮锚杆可采用面式、线式或点式等 3 种形式布置，其各自优缺点比较如表 1 所示。

3.2.3 永久性降低地下水水位

通过设置永久性降水井或者其他措施根据设计要求动态抽水防止地下水水位上升也可降低地下水浮力。该方法用于常规方法无法满足抗浮要求的情况，如无锡崇安寺一期工程地下室抗浮设计即采用人为控制地下水水位的方法，具有一定的经济效益。

优点：（1）上部结构通过柱、墙向下传递荷载，锚杆在这些点下布置可充分抵抗浮力作用；（2）因锚杆布置具有局部密度大的特点，故锚杆荷载可相互协调，对个别锚杆承载力不足的情况具有一定的相互补偿性。

缺点：（1）侧壁摩阻力较小地层如软岩或土体等不适用；（2）地下室底板钢筋用量大。

4、地下室整体复位技术简介

地下结构上浮后须采取相应措施使其复位， 目前常用措施有以下几种。

4.1 结构加压

增加结构自重可以快速有效地使已上浮的结构沉回原位， 即可通过在地下室底板或上部结构上放置密度较大的重物，此时应注意校核结构承载力，防止加压过程中引起结构破坏。

4.2 降低地下水水位

采用抽水的方法降低地下水位以减少浮力，从而防止地下室进一步上浮。抽水过程中需加强水位监测，根据出水情况及结构下沉情况及时调整设备的出水量。但是仅通过降低地下水水位的方法不能使结构完全复位，必要时需配合其他措施综合处理。

4.3 释放地下水压力

地下室上浮后地下水一般在底板下形成较大浮托力，通过在底板适当位置布置压力释放孔，有组织地引导地下水排出并及时抽排到场地以外，也可使地下室复位。

5、结语

1）地下室的抗浮设计是一个非常重要的问题，须予以重视。

2）地下室抗浮设计的关键在于选择合理的抗浮设防水位，设计人员在设计过程中应充分结合场地特点和区域工程地质、水文地质以及周边环境选择合理的抗浮设计水位。

3）不满足抗浮要求的建筑物务必采取抗浮措施 ，抗浮措施应结合工程实际在保证工程安全的情况下，尽量做到科学经济、合理可行。

4）若因设计不合理而导致地下结构上浮后，应尽早采取有效措施，使上浮结构复位。并加固处理已变形或损伤的结构构件，使其达到承载能力的要求。

参考文献：

[1]GB 50007-2011 建筑 地 基基础 设计 规范[S].北 京 ：中国建筑工业出版社，2011.

[2]JGJ94-2008 建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3]GB 50009-2012 建筑结 构 荷载 规 范[S].北京 ：中国建筑工业出版社，2012