高层建筑地下室抗浮设计探讨

摘 要：当前建筑业中对于地下空间抗浮设计，现行规范和各地方规范均没有全面、系统的规定，导致后期工程设计中存在某些问题。笔者认为抗浮设防水位应综合考虑，文中针对抗浮稳定验算的计算式、地下水浮力的分项系数和抗浮稳定安全系数的取值问题，对现行规范进行了对比、归纳和小结，与同行交流学习。

关键词：抗浮；设防水位；稳定验算；分项系数；安全系数

随着我国城市建设的发展，土地资源日趋紧张，以及设计师们对审美的要求，城市高层建筑越来越多，而为了更多的利用空间，增加高层建筑的功能型，一般设计出庞大的地下空间即地下室。高层建筑设地下室有诸多价值，使得目前大面积的、超长的、多层的地下室越来越常见，投资占整个建筑的比重也渐渐增大。高层建筑地下室的层数一、二层至多层，其基础埋深也随着地下室的层数增加而加深。当地下室埋深低于地下水位时，应进行地下室抗浮稳定验算。因此，地下室抗浮设计及抗浮措施显得尤为重要，其建设影响整个建筑的造价以及后期施工问题。

1 现行地下室抗浮设计规范

在高层建筑地下室抗浮设计和抗浮方法上，现行规范均有只规定：

（1）建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算——《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011（以下简称《地基规范》）第3.0.2-6条；

（2）高层建筑地下室设计，应综合考虑上部荷载、岩土侧压力及地下水的不利作用影响。地下室应满足整体抗浮要求，可采取排水、加配重或设置抗拔锚桩（杆）等措施——《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）第12.2.2条；

（3）当地下室所受浮力大于地下室及其上建筑物的荷重时，应进行抗浮设计。对于天然地基，宜设置抗浮桩或锚杆，或采取压重等抗浮措施——《建筑地基基础技术规范》DB42/242-2003（以下简称《地基规范》）第11.4.11-7条。

在当前地下室抗浮设计和抗浮方法上，我国现行的众多规范中并没有较全面、系统的规定，导致在实际的很多高层建筑地下室结构设计时，设计和施工中常常会遇到这些问题，如：如何合理确定抗浮设防水位；如何进行抗浮稳定计算；采取哪种抗浮措施（排水、加配重或设置抗拔桩、抗拔锚杆）更经济、合理，而且业主更能接受等一系列问题，这些都是需要工程设计和施工人员进行探讨和分析的重要问题。

2 关于抗浮设防水位的取值问题

地下水位及其变幅是高层建筑地下室抗浮设计重要依据，在实际的抗浮设计中只考虑正常使用极限状态，对施工过程和洪水期水位认识不足，因此造成后期施工过程中由于抗浮不足而出现局部破坏。因此，如何正确确定抗浮设防水位，十分重要。目前一般按相关规范来确定：

（1）在《地下工程防水技术规范》GB50108-2001（以下简称《地下防水规范》）中规定附建式全地下室或半地下工程的防水设防高度，应高出室外地坪高程500mm。

（2）省《地基规范》）中规定在无动水压力及承压水时，计算浮力的最高水位不宜超过地下室顶板面标高。

（3）《全国民用建筑工程技术措施2009结构（地基与基础）》（以下简称《全国技术措施》中规定：抗浮设防水位应由勘察报告提供。抗浮设防水位的选取应综合考虑。这七条规定很详细、全面。与以下几条规定基本一致。

（4）《岩土工程勘察规范》GB50021-2001（以下简称《岩土规范》）中规定：“对高层建筑或重大工程，当水文地质条件对地基评价、基础抗浮和工程降水有重大影响时，宜进行专门的水文地质勘察”。

（5）《岩土规范》中提出：“对地下水的勘察要求，勘察时的地下水位、历史最高地下水位、近3～5年最高地下水位、水位变化趋势和主要影响因素”。

（6）省《地基规范》中规定：“抗浮设防水位若有长期水文观测资料或历史水位记录时，地下水作用力的计算可采用历史最高水位；若无长期水文观测资料或历史水位记录时，地下水浮力的计算可采用丰水期最高稳定水位”。抗浮设防水位是很重要的设计参数，影响因素众多。不仅与气候、水文地质等自然因素有关，有时还涉及地下水开采等诸多复杂因素。对情况复杂的重要工程，要在勘察期间预测建筑物使用期间水位可能发生的变化和最高水位有时相当困难。

综上所述，抗浮设防水位应参照以上规范各条规定综合考虑。笔者认为，只有根据建筑物的重要性、不同地区的水文地质条件、采取基础抗浮和工程降水措施，确定合理的抗浮设防水位，才能优化地下室抗浮设计，使其具有良好的经济性和合理性。

3 抗浮稳定验算问题

《全国技术措施》中规定：“建筑物在施工和使用阶段均应符合抗浮稳定性要求”。抗浮设计时，不仅要进行整体抗浮稳定计算，还要进行局部抗浮稳定计算。比如，多栋高层建筑下有一整体地下室，主楼范围整体抗浮稳定验算应满足要求，但主楼之间的地下室就应验算局部抗浮稳定。《建筑结构荷载规范》GB50009-2012（简称《荷载规范》）中规定，“对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，荷载的分项系数应满足有关的建筑结构设计规范的规定”。对于地下水荷载的分项系数，目前我国各地方没有采取统一的系数。对于地下室抗浮稳定性验算，抗浮稳定安全系数，现行国家结构设计规范没有统一规定，国家规范和各地方规范要求各不相同。主要有如下要点：

3.1 抗浮验算公式及抗浮安全系数

（1）《地基规范》中规定：“建筑物基础存在浮力作用应进行抗浮稳定性验算“。应符合下式要求：

Gk/Nw，k≥Kw

式中：Gk——建筑物自重及壓重之和（kN）；

Nw，k——浮力作用值（kN）；

Kw——抗浮稳定安全系数，一般情况可取1.05。

（2）《全国技术措施》中规定：“当建筑物的抗浮验算无明确规定时，宜按下列公式进行抗浮验算：

G/S≥K

式中：G——结构自重及其上作用的永久荷载标准值的总和，不包括活荷载；

S——地下水对建筑物的浮托力标准值；

K——地下结构抗浮安全系数，一般取1.05。

（3）《广东规范》中规定，地下室抗浮稳定性验算应满足下式要求：

W/F≥1.05

式中：W——地下室自重及其上作用的永久荷载标准值的总和（即荷载分项系数为1.0）；

F——地下水浮力的标准值，不需要考虑水浮力作用的荷载分项系数。

（4）《北京市建筑设计技术细则（结构专业）》（简称《北京细则》）中规定：在验算建筑物之抗浮能力时，应不考虑活载，抗浮安全系数取1.0。即满足下式要求：

建筑物重量（不包括活载）/水浮力≥1.0。

建筑物重量及水浮力分项系数取1.0。

（5）《地下防水规范》中规定：“明挖法地下工程的结构自重应大于静水压头造成的浮力，在自重不足时必须采用锚桩或其他措施。抗浮力安全系数应大于1.05～1.10。”

比较以上规范，前三个规范规定总体思路是一致的。《北京細则》抗浮安全系数略低。《地下防水规范》抗浮安全系数稍高。

3.2 水浮力作用的荷载分项系数

（1）《荷载规范》中也有说明：地下水压力作为永久荷载考虑时，由于受地表水位的限制，其分项系数一般建议取1.0。永久荷载一般对结构是有利的，荷载分项系数一般应取小于1.0的值。

（2）省《地基规范》中规定：“地下室在稳定地下水位作用下所受的浮力应按静水压力计算”。地下室顶板面有填土时，填土荷载计算应按两阶段考虑：当为明挖法施工阶段，计算抗浮稳定时，地下室顶面的填土荷载不应考虑；当竣工后使用阶段，地下室顶面的填土荷载应考虑。

3.3 小 结

（1）地下水压力可按永久荷载考虑，其分项系数一般取1.0。

（2）关于抗浮稳定安全系数的取值，应视施工阶段、使用阶段和不同工况取值不同：

①明挖法施工阶段，抗浮安全系数应大于1.05～1.1；

②使用阶段，抗浮安全系数应不小于1.2；

③抗浮设防水位确定为历史最高水位，或抗浮设防水位为室外地面，且室外地面不能积水时，抗浮安全系数不应小于1.1。

4 结 论

高层建筑地下空间的抗浮设防水位应综合考虑，合理确定，必要时进行专门论证。建筑物在施工和使用阶段均应符合抗浮稳定性要求。不仅要进行整体抗浮稳定计算，还要进行局部抗浮稳定计算。如果抗浮稳定性不满足设计要求时，可采取排水、加配重或设置抗拔桩、抗拔锚杆等抗浮措施。另外，地下室抗浮稳定性验算，我国现行国家规范和各地方规范规定大同小异，总体思路是一致的。笔者经过阅读大量文献参考资料，进行对比，作出归纳与总结，与同行交流学习，并希望对今后的建筑工程有一定参考意义。

参考文献

[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010.北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011.北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3]《建筑结构荷载规范》GB50009-2012.北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4]《地下工程防水技术规范》GB50108-2001.北京：中国计划出版社，2001.

[5]《建筑地基基础技术规范》DB42/242-2003.湖北省：湖北省建设厅，2003.

[6]《全国民用建筑工程技术措施2009结构（地基与基础）》.北京：中国计划出版社，2010.

作者简介：王凯（1984-），男，本科，工程师，现主要从事建筑工程管理工作。