地下室结构抗浮设计中常遇问题及解决措施

陈 颖

0 引言

近年来,随着国民经济的发展,人民生活质量的不断提高,这也促进了城市建设的发展,高层及超高层建筑的涌现,基础埋置越来越深,同时作为车库等功能的广场式建筑的纯地下室部分,裙房或相对独立的地下结构物(如下沉式结构,地下车库,地铁,地下商场等)的开发和利用越来越多。由此,地下结构物的防水与抗浮问题日益突出,埋深较大的地下室抗浮问题就显得尤为重要。因为浮力的存在,会对地下结构及上部结构产生破坏:地下室底板隆起,导致底板破坏;地下建筑物整体不均匀浮起,导致梁柱节点处开裂和底板破坏以及建筑物的倾斜等。

如何解决地下结构物的抗浮问题目前已经成为一个经常面临的问题,引起工程师的广泛关注。

1 抗浮水位的选取

建筑设防水位的确定对建筑物的安全和投资有着重要的影响。很多文献指出岩土地基中的地下水浮力的确定不能简单按静水压力公式计算,即地下水的水压力在垂直方向上并非随深度增加而线性增加。《铁路桥涵设计规范》也规定:位于粉砂类土、碎石类土、粘砂土等透水地基上的墩台,当验算稳定时,应考虑设计频率水位的浮力;若持力层为不透水的黏土以及位于岩石(破坏、裂隙严重发育除外)的基础且基础混凝土与岩石接触良好时,不考虑浮力。《岩土工程手册》中提到,当建筑物位于粉土、砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基时,按设防水100%计算浮力;而当建筑物位于节理裂隙不发育的岩石地基时,按设防水位50%计算浮力;当建筑物位于黏土地基时,其浮力较难准确确定,应结合地区的实际经验考虑。《铁道设计规范》条文说明指出:在验算结构抗浮稳定性时,对浮力、抗浮力的计算及抗浮安全系数的取值均需慎重:计算浮力时不能仅仅着眼于根据地质调查取得的当前地下水位,必须估计到将来变化的可能性;在黏性土中水浮力的取值不需折减。从这些规范或手册中的规定可以看出,地下水浮力的作用相当复杂,要准确确定地下水压力的大小最好的办法是实测地下水压力,但费时费力。如文献[1]对抗浮地下水位的取值原则是:取建筑物有效使用期间(包括施工期)可能产生的最高水位,此数据应由工程勘察单位提供。如工程勘察报告中无法提供较准确的科学数据时,地下水位最高水位可计算至建筑物的室外地坪标高,且不应对地下水水头进行折减。抗浮水位的确定直接关系到地下结构防水、防渗设计、外墙及底板结构设计。由此,如何合理确定抗浮水位的取值,应根据工程的特点、地理环境、地质情况及场地条件等因素,还有工程勘察报告中提供场区历年最高水位和近年的最高地下水位,并结合当地的工程经验综合考虑,确定建筑物的设防水位和抗浮设计水位,使设计做到经济、安全。

2 地下结构物抗浮方案的类型及其选择

目前,建筑地基基础规范对建筑地下室抗浮设计只作了概念性规定,并未提出明确的设计标准或设计依据,在具体应用时尚存在很多问题。因此,对地下结构上浮的处理方法研究显得尤为重要。目前针对地下室抗浮问题主要有以下几种方法。

2.1 增加自重法方案

增加自重法包括顶板压载、基板加载及边墙加载等方法,增加地下结构物自身重量(即恒载),使其自身的重力始终大于地下水对结构物所产生的托浮力,确保结构物不上浮。这种方法的优点是:施工及设计较简单;缺点是:当结构物需要抵抗浮力较大时,由于需大量增加混凝土或相关配重材料用量,故费用增加较多。对地下结构物还可能影响室内使用净高。

1)顶部压载措施。

顶部压载措施是将地下结构物顶板的混凝土加厚或增加其他压载材料,使自身重量(即恒载)增加以抵抗地下水的上浮力,但增加的混凝土却占去原有覆土的位置,所以增加的重量仅为混凝土与覆土重量之差。因为混凝土与覆土重量的差距不大,所以此法的效益不大,并且使地下结构与地表的距离拉近,由此减少了地下结构上方覆土厚度。此法一般用于埋深较浅、不需增加太厚压载物且其顶部有条件压载的地下结构物的抗浮,否则,其顶部有条件压载也会增加结构自身造价和基础造价,对规模较大、埋深较深的地下结构物的抗浮不宜采用此法作抗浮措施。

2)基板加载措施。

基板加载措施是将地下结构物底板的混凝土加厚,使自身重量增加以抵抗地下水的上浮力,但在增加混凝土的同时也增加了水的上浮力,所以它增加的重量是混凝土与水的重量之差。因为混凝土与水的重量差距远比混凝土与覆土的重量差距大,所以每增加单位体积的基底板混凝土,其抗浮效益比顶板压载法要大,但会提高工程造价,采用基板加载抗浮措施,不仅在地下室底板需浇筑大量的压载混凝土,在材料上造成极大的浪费,厚板给施工也带来非常大的困难和不便。因压载增加了地下室底板的厚度,造成地下室净空变小,给以后的使用带来不便。此方案造价很高既费钱又费工,此法一般用于埋深较浅、不需增加太厚混凝土的地下结构物的抗浮。

3)侧墙加载措施。

侧墙加载措施是将地下结构物侧墙的混凝土加厚,这种做法虽然增加了水的上浮力,但也由此加宽了地下结构物上方覆土的范围。这种做法虽然也可得到较大的抗浮力,并且不需要加深基坑开挖,但开挖的范围却因此增宽,在地价昂贵的地区,经济效益也将因此折减。此法一般适用于不受场地限制、地价不贵地区的规模较小地下结构物的抗浮。

2.2 设置抗浮桩

目前这是在工程设计中最为广泛使用的一种解决方法。但仔细分析,这种方法也有一定的局限性,因为地下室的抗浮设防水位是根据拟建场地历年最高水位结合近几年的水位变化情况提出来的,即使是经过重新评估后确定的抗浮设防水位,也是按一定的统计规律得出的结论,很显然,这种方法确定的地下水位在一般的情况下是很难达到的,加之设计计算的不精确性也使得抗浮桩都具有一定的安全储备,因此,“抗浮桩”实际上长期起着“抗压桩”的作用,这种“反作用”将阻碍有抗浮要求的地下室的合理沉降,而这种变化将会使不设缝的大底盘地下室在主体结构和裙房之间产生更大的不均匀沉降差,这正是我们在设计中想极力避免的;同时设置抗浮桩后,计算基础底板内力及配筋时应考虑地下水压力,这样也会增加基础底板的荷载。因此,针对抗浮桩的使用时,应该结合工程的实际情况及当地的工程经验。

3 结语

在选择抗浮方案时,可按其经济合理、技术先进、安全可靠和方便施工为原则。还应根据工程特点、地质情况、场地条件、环境和当地当时的情况等因素,综合考虑,因地制宜,选择一个最佳有效的抗浮方案。

[1] 《岩土工程手册》编写委员会.岩土工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1994:128-131.

[2] TBJ 2-85,铁路桥涵设计规范[S].

[3] GB 50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].