浅析地下建筑的抗浮设计

浅析地下建筑的抗浮设计

邓江花

邓江花

浙江省宁海县开发区工程设计所浙江宁波315600

摘要：近年来，随着城市建设的高速发展，地下空间的开发利用成为发展的必然趋势，地下建筑物越来越多，其抗浮问题也日益突出。本文讨论了水浮力以及工程抗浮力的计算问题，分析了地下空间的抗浮设计要点。

关键词：抗浮设计；抗浮水位；抗拔构件；水的浮力

近几年来我国城市化进程发展迅速，地下空间的开发、利用已成趋势。许多较大建筑群都需配置地下车库、人防、水池等地下工程，但是建设地下工程都受到着地下水的浮力作用，设计、施工不合理均易导致建筑底板破坏、梁柱节点处开裂及地下建筑上浮等问题。本文就作者平时工作中所遇到的地下建筑常出现的问题及抗浮设计应注意的几点作以下阐述。

1、存在的问题

地下建筑一般不超过两层多为一层，相对来说平面面积非常大且室内建筑布局较为空旷，地下室处在地下水的浮力作用下设计中只能用自身重量来平衡这种浮力，因此地下建筑的底、侧板受到巨大力的作用，对于层数在2层以下或底板埋深＞6m的地下室来说，永久荷载抗浮安全度往往不够，再加上施工未及时抽水、雨季水位快速上涨等原因导致地下室整体或局部上浮、底板开裂的工程事故时有发生，给业主和施工单位带来极大的损失，随着施工及设计经验的加强，总结了出现以下常见问题的原因：

1.1.1完全没有考虑到地下水浮力的作用或没有对水浮力作用机理有足够的认识，导致在建设地下工程时没有做抗浮验算；

1.1.2没有做好施工现场的地下水勘察工作，导致抗浮设计中地下水水位的取值不当，没有考虑到极端天气下出现的最高水位；

1.1.3设计人员对抗浮计算的概念不强，导致设计不当；

1.1.4施工单位在地下工程建设过程中未按图纸要求及安全施工要求，对地下室没有做到及时降水或在上部覆土未完成时就已经浇完后浇带。

2、地下工程抗浮措施的选择

下水浮力的作用机理，可以采取配重法来平衡水浮力，这种方法简单有效，主要可以通过增加自身的重量来抵御水的浮力；工程上也采用设置抗浮桩的方法解决抗浮问题，其原理和配重法一样，只不过设置抗浮桩是利用桩侧面和土体的阻力来平衡浮力的。

对于配重法，适用范围广，可以将增加的重量设置在底板上，通过抗浮计算得到需要配置的重量，然后再底板上设置回填层，用土、砂、石等密度大的材料进行回填，利用回填物的重量来增加地下工程的总体重量，达到抗浮的目的。有时可以利用底板外挑部分回填一部分配重，达到增加自身重量的目的；对于底板为板柱或梁板结构，可以利用底板柱帽或梁至地坪之间的空间设置回填土，这种方法可以解决地下工程抗浮问题，还可以作为底板的防水处理。综上，配重法作为一种简单可行的方法，不受地理条件、施工环境的影响，不但可以降低造价，还可以解决抗浮问题，常常作为基本方法予以采用。

采用抗浮桩进行抗浮设计，主要是利用抗浮桩侧面与土体的摩擦来抵消地下水浮力的，抗浮桩的效果与桩长、桩径、桩型以及周围的地质条件都有很大的关系，因为制造抗浮桩的造价高，所以一般使用在柱、墙下等抗浮面积较大、受环境条件、施工条件影响大的地方。

抗浮锚杆是利用锚杆与砂浆组成一个锚固体，保证锚固体和岩土层的结合力，可以提高地下建筑的抗浮能力。抗浮锚杆具有造价低、施工方便、受力合理等优点，广泛的用于地下空间抗浮施工。在实际施工中，施工人员要根据地下工程的结构形式、地质条件、浮力大小、施工条件和工期要求等因素确定采用何种抗浮措施。

3、地下工程的抗浮设计

3.1设计流程

对于地下工程抗浮设计总原则，应该满足下式要求：

式中：W为地下建筑自重及其上作用的永久荷载标准值的总和；

F为地下水浮力。

当地下建筑自重及地面上作用永久荷载标准值的总和不满足（1）式要求时，应进行地下建筑抗浮设计。

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

3.1.1当结构重量大于地下水的浮力且满足（1）式时，不必考虑地下水对地下建筑整体浮力作用，但应在设计中提出施工中必须采取隔水或降水措施降低地下水位；

3.1.2当结构重量小于地下水浮力时，地下建筑肯定要设置永久性抗浮构件或采取其他有效措施以平衡地下水对整体结构的浮力；

3.1.3上述两种情况还必须考虑地下水浮力对地下建筑底板的反向作用，保证地下建筑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。

3.2抗浮设计应进行以下验算

3.2.1施工阶段，使用阶段及特殊情况下地下建筑整体及局部抗浮稳定验算。

明挖法施工的地下建筑，在施工阶段发生浮起的事故较为常见。当施工阶段建筑物自重及抗拔力不足以平衡水的浮力时，应提出施工中排水或其它抗浮措施。在施工阶段及使用阶段，地下建筑物的整体及局部抗浮稳定均必须得到保证，设计中往往忽略了局部稳定要求，但在墙体活荷载较少的部分建筑物荷载不能平衡水的浮力，此时地下建筑物局部浮起，使结构应力重分配，造成部分结构受损或破坏。再如为了平衡水的浮力，将地下室底板外挑，以外挑部分的上覆土重增加稳定力，此时如果地下结构面积较小刚度很好时，可以起到作用，反之也将造成结构的受损或者破坏。特殊情况下的整体及局部抗浮稳定验算指的是水池、游泳池及其它储仓等，当换水、检修需要减少稳定荷载时也应考虑此工况的抗浮稳定性。

3.2.2地下建筑物的外墙、底板等构件的强度及抗裂验算。

在抗浮整体及局部稳定得到保证的前提下，才能进行地下建筑结构的验算，验算中外墙应按静止土压力考虑水、土压力，同时应考虑超载的影响。底板的荷载组合较为复杂，对构造底板尚应计及由于基础沉降引起地基对底板的反力，这个反力一般取建筑物竖向荷载总值（扣除水的浮力）的10%~15%。与此同时尚应计及水对构造底板的浮力。底板有荷载组合时，应考虑两种不利情况：（a）不考虑浮力及板底土反力只考虑板自重及板上荷载。（b）考虑力、板底土反力、底板自重及板上荷载的组合。

3.2.3抗拔构件的抗力及强度验算。

当建筑物重量不能平衡水的浮力时，需要设置抗拔力构件如抗拔桩及锚杆等。抗拔构件的抗力应通过抗拔试验确定，不能以估算值为依据。在抗拔试验的基础上尚应对抗拔构件的强度及抗裂进行验算。抗拔构件中的抗裂验算较为复杂，当采用预应力管桩作抗拔桩时如何考虑截桩后的预应力损失、抗拔计算及连结构造等尚应进一步研究。

3.3抗浮设计

3.3.1施工阶段的抗浮措施。地下建筑物若处于透水系数比较大的粉质粘土、粉土、砂土中，由于正值施工期间，地下建筑的顶板和覆土尚未完成，此时底板和外墙已施工完成。在地下水的作用下，形成了水浮力，当浮力不大时，可以利用排水明沟、集水井进行排水，以减少水浮力；当土质的渗透系数大，应在地下建筑底板中设置后浇带，利用板下的垫石作为倒滤层，排除水后，直到地下建筑底板的水排干净后，浇筑后浇带的混凝土；

3.3.2永久性抗浮措施。在上面提到利用配重法、抗浮桩法、抗浮锚杆等来平衡地下水浮力，工程中常用的永久性抗浮措施：抗浮锚杆，由于粘质粉土、硬塑状粘土或风化基岩适宜钻孔注浆，若地下建筑底板下是这些土层，可以利用注浆锚杆法。抗浮锚杆具有良好的底层适应性，易于施工，锚杆布置非常灵活，锚固效率高。由于其单向受力特点，抗拔力及预应力易于控制，有利于建筑构件的应力与变形协调，降低结构造价，在许多条件下，优于配重法和抗浮桩法。

4、结论

地下室的抗浮设计是结构设计中的一个重要组成部分。设计人员应根据地下工程具体情况进行认真分析，正确计算水浮力与抗浮力，处理好工程整体抗浮与局部抗浮的关系，选择合理的抗浮措施，既保证地下工程的安全，又节省投资。

参考文献：

[1]张海欣.地下建筑抗浮设计水位取值与浮力折减分析-勘擦科学技术.2004（2）.

[2]陶熙.地下建筑结构抗浮设计及措施探讨-工程技术.2015（2）.

[3]建筑地基基础技术规范GB50007-211.

作者简介：

邓江花（1979年-）女江西南昌人本科工程师主要从事结构设计工作。