地下工程的抗浮设计和加固措施的探讨

摘 要：本文针对在我国一些地下水位较高的地区，地下水浮力引起的地下工程结构的破坏越来越多的问题，总结了地下工程水浮力计算方法和抗浮设计水位，在工程中常用的抗浮设计措施，及在地下工程结构受地下水作用上浮时常用的控制措施和加固方法。

关键词：地下工程 抗浮设计 加固

中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（a）-0163-01

目前在我国现行的建筑结构规范当中，对于有关浮力问题只有定性的描述，而没有详细的规定，本文主要对地下工程的抗浮设计和加固措施进行一些探讨。

1 地下工程抗浮设计

地下工程抗浮设计可以使用如下公式进行表示：≥。

式中，为结构抗浮力；为结构的自重；为结构的抗浮安全系数，一般取1.05～1.10；为结构的静水浮力。

地下工程的抗浮设计一般要首先进行水浮力的计算，选择合理的抗浮设计水位，然后确定地下工程结构是否满足抗浮要求，对不满足抗浮要求的结构进行结构的抗浮设计。

1.1 水浮力计算和抗浮设计水位

对地下工程而言，水浮力的计算时进行抗浮设计的前提，首先要确定工程的抗浮设防水位，它不是工程所处地理位置的历年最高水位，也不是目前水位，而是综合考虑根据工程的重要性和工程建成之后地下水位的变化而确定的抗浮设计的设防水位。

地下工程所承受的水浮力是作用在工程基础底板上的底板面积和静水压强的乘积，如下式表示：×

式中，为地下工程所承受的水浮力，为作用在基础底板上的静水压强；为基础底板的面积。

一般来说，基础底板的静水压强按照下式计算：×

式中，为水的重度；为抗浮设计水位，一般在设计过程中取：；为地下工程抗浮设防水位标高；为基础底板标高。

从上可以看出，地下工程抗浮设防水位的高低直接决定了水浮力的大小，决定在下面抗浮设计中抗拔桩的数量和基础底板的配筋和厚度。

在实际的工程当中，地下水的作用十分复杂，在不同地基环境当中的水浮力是在不断变化的。当工程位于粉土、沙土、碎石土等地基上时，计算得出的地下水浮力可以不进行折减，当工程底板和岩石地基紧密结合的时候，可以不考虑水浮力的作用。设计人员应根据实际情况，选择合理的设防水位。

1.2 抗浮设计

对地下工程而言，在确定了结构的尺寸、形式和埋深之后，就要根据设防水位，计算地下工程的自重和净水的浮力，判断在结构的施工和使用过程中是否需要进行抗浮设计，采取抗浮措施。根据施工阶段、竣工后工程使用情况的不同，应当进行不同的抗浮设计，采取不同的抗浮措施。

1.2.1 施工阶段抗浮设计措施

地下工程在施工期间，一般顶板的覆土都没有完成，但是底板和外墙都已经完成，地下水的作用下会形成一定的浮力。在水浮力较小时，可以利用集水井、排水明沟等排出基坑内的水，减小结构承受的水浮力。在水浮力较大时，应当在地下工程的底板中设计后浇带，将底板下的块石垫层当做倒滤层，在后浇带里面插入轻型井点立管进行降水。在后浇带的浇筑过程中，应当在井点的立管上焊置环形止水环，继续降水，直到地下工程地下部分顶板及顶板覆土完成，再去掉井点立管。如果设置后浇带比较困难，也可以使用深井点降水的方法，原理和轻型井点立管降水相同。

1.2.2 永久性抗浮设计措施

目前，地下工程的永久性抗浮设计措施主要有：增加自重、锚杆设计和抗浮桩设计等。

增加自重是最传统和可靠的方法，包括顶板压载、边墙压载和基板压载等，增加自重就是要保证结构本身的重力大于地下水的浮力，使得结构不上浮。

锚杆设计就是通过设计抗浮锚杆，利用锚杆的抗浮力抵抗水浮力。即当地下工程建在粉质粘土、风化基岩等适宜钻孔灌浆的土层上时，可以利用这些土层，使用锚杆抗浮。抗浮锚杆易于施工、布置灵活，主要形式有：预应力锚杆和非预应力锚杆两种。但是目前国内对抗浮锚杆的设计没有明确的规范，限制了抗浮锚杆的设计和应用。

抗浮桩设计指通过设计抗浮桩，利用桩体的自重和桩的侧摩擦阻力来抵抗水浮力。目前在我国的抗浮桩设计过程中主要采用经验参数法，即利用桩的侧阻力值导入抗拔系数后作为抗浮桩的侧阻力值，抗拔系数一般取0.5～0.8。抗浮桩按照轴心受拉构件进行承载力计算，桩的配筋要求满足最小配筋率的要求。

2 地下工程抗浮加固措施

2.1 控制结构上浮的措施

地下结构发生上浮事故之后，常用的处置方法有加载、洗砂和排水。

加载就是通过增加结构的自重来抵消水的浮力，最终使得结构回归原位。一般将重物放在上浮量大的地方，但是要注意楼板的极限承载能力。值得注意的是受到淤积在底板和基地间泥沙的影响，加载并不一定能够达到所需的效果。

排水就是通过水泵将结构所在位置的地下水排出，以降低水压力使地下结构回归原位。在地下水头较高且排水量小的地方，要在底板下增加倒滤层，既可以使地下水在水头作用下能够正常流出，还能够保护回填土中的细颗粒不会被冲走流失。

洗砂的方法有两种：一种是利用高压水枪扰动地下结构侧墙边上的土壤，降低它的摩擦力，这种方法容易造成底板下淤泥沉积，不利于后续作业；另一种方法是用高压水枪冲洗基础底板下的泥沙，使结构顺利下沉。总之，洗砂作业之前要事先评估底板下泥沙淤积的范围，耐心观察，持续作业直至结构稳定而缓慢的下沉。

2.2 抗浮加固

当控制住结构物的上浮之后，就要进行结构的抗浮加固，考虑到基础底板上钢筋布置较密，补桩的孔不宜太大，否则会有较多的底板钢筋被截断，而使用钢锚杆在底板上钻孔的直径比较小，能够大大的减少底板钢筋被截断，是工程中首选的加固方法。

抗浮锚杆加固设计计算按照《岩土锚杆技术规程》对锚杆进行计算。

首先确定锚杆的拉力设计值，采用钢绞线（7股）时，取为100 kN。

然后按照下式确定钢索截面积和直径：≥；

式中，为钢索截面积；为钢索直径；为抗拉安全系数；锚杆轴向拉力设计值；为钢绞线轴向拉力设计值。

最后确定锚杆的锚固长度，下面两式中的较大值：

；

式中，为锚杆抗拔安全系数，锚杆轴向拉力设计值，为锚杆锚固段长度，为锚固段注浆体和地层之间的粘结强度标准值，为锚杆锚固段的钻孔直径，为钢绞线的数量，为钢索直径，为界面强度降低系数，为锚固长度对粘结强度的影响系数。

3 结语

随着建筑结构向地下的发展，地下工程抗浮设计和加固将会成为结构设计的一个重要组成部分。地下工程的抗浮设计和加固应当根据具体工程结构的特点、地质条件和环境、施工因素等等，综合考虑选择抗浮和加固措施。在设计和施工当中，选择合理的设计参数，重视结构构造措施，才能使工程安全可靠。

参考文献

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