地下工程抗浮设计分析

李 敏

(上海市城市建设设计研究总院，上海 200125)

近年来，地下工程方兴未艾，设计施工日趋成熟，但上浮事故仍时有发生，抗浮设计作为地下工程设计中的重点，须格外小心。目前各规范对抗浮设计均有叙述，但在个别细节上言之不详，设计中由于各人理解不同，容易产生偏差。

1 抗浮设计之要点

1.1 抗浮设防水位

《建筑地基基础设计规范》［1］3.0.4条规定:“当工程需要时，岩土工程勘察报告应提供用于计算地下水浮力的设防水位”。可见抗浮设防水位应由勘察提出，但作为该数据的使用者，设计人员有必要了解该数据的由来并正确使用。《岩土工程勘察规范》［2］7.1.1 条规定:“岩土工程勘察应根据工程要求，通过搜集资料和勘察工作，掌握下列水文地质条件:1)地下水的类型和赋存状态;2)主要含水层的分布规律;3)区域性气候资料，如年降水量、蒸发量及其变化和对地下水位的影响;4)地下水的补给排泄条件、地表水与地下水的补排关系及其对地下水位的影响;5)勘察时的地下水位、历史最高地下水位、近3年～5年最高地下水位、水位变化趋势和主要影响因素”。规范将抗浮设防水位的影响因素一一列出，但对抗浮设防水位的取值却只字不提。

从上述规范可知，抗浮设防水位与地下水文地质条件息息相关，随季节、气候条件、地形、补给排泄条件变化而变化，须长时间观测方可确认，然而勘察作业时间一般较短，勘察所提数据不免让人心存疑虑。如果勘察单位是当地有经验的单位，一般都对水位变化有所了解，所提抗浮设防水位可以信任;但如果勘察单位非本地单位，且在该地完成的项目不多，就须多个心眼，多咨询一下当地的勘察或设计同行，使设计依据符合实际情况。

1.2 多层地下水

抗浮设计中，设计人员往往根据勘察提供的抗浮设防水位，通过地下结构排开水量进行浮力计算，貌似无懈可击，但在部分地区某些情况下，计算存在偏差。

文献［3］提出在多层地下水情况下，地下室浮力见图1。文献［4］认为“按此模式计算存在弱透水层愈薄，水头衰减得愈快，愈厚则愈慢，似有悖于常理”。

笔者认为图1反映的是一种稳定状态。以下假设②层粘土厚度可变，简述②层厚度变化后，①，③层水压力变化情况。对于有孔隙存在的粘性土层，事实上很难划定界限判断它是含水层还是隔水层;更何况在一定的条件下，隔水层与含水层可以相互转化的［5］。

图1 几层水情况下的孔压与浮力

在弱透水层中，当弱透水层的两个分界面上存在压力水头差，即存在渗流，由于土单位体的体积V上存在与水力梯度i和水的重力密度rw呈正比的渗透力J，J=irwV，故压力水头随渗流减小，最终在某一位置压力水头差归零。

如②层粘土变薄，压力水头损失变小(文献［4］也同意压力水头损失与弱透水层厚度成正比)，潜水1会对潜水2进行补给，潜水1的水位会下降，潜水2的水位上升，重新平衡后，压力水头差将比原先小，而不是固定不变的。如②层粘土变厚，压力水头损失变大，压力水头随深度加大而变小，可能在②层粘土中某一深度为0，然后从此处向下直到②，③层分界面均为0。故此笔者认为文献［3］所提孔压与浮力计算图的原理是正确的，即在含水层中，压力水头为正三角形分布(弱透水层底与下层潜水位之间的非饱和带除外)。同时也要说明的是，图1仅反映在此土层分层、水位情况下的水压力分布，实际有很多种情况，如文献［6］就提到当③层水位位于②，③层分界面以下，③层砂土上部存在非饱和带时，压力水头的分布情况。

文献［4］提到“由于场地钻探、开挖和桩基施工的影响，建筑场地内各层地下水在今后使用过程中，事实上是连通的，因而基底所受浮力应以“场地抗浮设防水位”为起始点开始计算，而不宜仅以基底下地下水所在层的最高水位计算。”笔者认为该观点有待商榷。首先文献［2］的9.1.2条明文规定，钻孔、探井和探槽完工后应妥善回填;当然不按照规范做的情况也是屡见不鲜，但部分未回填的勘探孔在施工前是否能保存完好而不塌孔，桩基与周边土是否会完全分离，形成过水通道，这些也无法确定;同时地下结构施工完成后，大部分勘探孔及所有桩基应在地下结构平面内，地下结构底板下各水层与其上各水层由于地下结构的阻隔，是不连通的;且地下结构底板范围外的勘探孔如果不是特别多的话，就好比一大盘水，盘子下有几个小孔，要漏光所有的水，亦需一定时日，而地下结构抗浮设防水位取自丰水期(暴雨期)，其持续时间有限，在此期间，如地下水下渗能力有限，降水还会通过蒸发、地表径流、地下径流等途径流失，故认定地表处第一潜水层水位与地下结构底板下水层水位一样，不得不令人存疑。

从目前披露的地下结构抗浮事故来看，大部分为开挖10 m范围内的地下1层～2层结构，而开挖超过10 m的地下结构抗浮事故则罕有听闻，是否意味着地下浅层不存在多层地下水问题，水浮力符合阿基米德原理，与设计常规计算相符，如发生与设计设定的不同工况，将导致抗浮不满足;而较深地下存在多层地下水问题，水浮力较按照排出水体积的浮力计算值小，人为制造了一定的安全储备，故出现事故的几率相对降低。

1.3 基坑对抗浮的影响

地下结构的永久抗浮也需要考虑基坑开挖方法及围护结构的影响。如图2所示，当基坑为无支护开挖，回填土透水，回填不密实时，地下结构底板处水浮力应按地表水水位计算;当回填土不透水，且回填密实时，地下结构底板水浮力计算须考虑地下水在不透水层中的渗流，选取合理的压力水头，而不能简单按照地表水水位计算。

图2 放坡开挖地下结构

如图3所示，围护为地下连续墙，地下结构采用全包防水，地下连续墙与内侧设置的钢筋混凝土内衬墙不承受剪力，为复合墙形式。当地下连续墙深入不透水层时，有些设计人员认为无须再考虑结构的抗浮问题。笔者认为该观点有待商榷，理由有三:1)地下结构防水层与地下连续墙完全密贴较难实现，降雨时，地面水可以通过防水层与地下连续墙的间隙补给到底板下;2)当底板下土体压力水头远小于承压水头，且两者间的不透水层不够厚，承压水通过渗流也会补给到底板下;3)我们在基坑开挖中，经常会遇到地下连续墙接缝渗漏，故可以推测出，在底板底至不透水层顶的范围内，地下连续墙接缝存在渗漏可能。

图3 以地下连续墙为围护的地下结构

2 抗浮设计过程中应注意事项

1)当工程特别重要，抗浮设计对工程造价影响较大时，如有条件，应根据场地工程地质与水文地质条件、围护与地下结构的隔水特性等，建立三维地下水渗流模型进行分析，参照分析结果选取合理的抗浮设计方案。

2)设计须明确施工方在满足何种条件下方可停止降水，明确回填材料特性及回填要求。

3)抗浮最不利时间点一般为地表水位最高时，如暴雨期，而这一时间窗口一般不会太长，地表水位是否能完全转化为地下结构底板处的水压力，这与很多因素有关，如地下结构底板上土层、地表水的蒸发及地表径流等，须找出主要因素，确定地下结构的水浮力。

3 结语

1)只有通过对项目所在地水文地质条件长时间的观测，才能给出符合实际的抗浮设防水位。

2)对文献［3］所提多层地下水的水压力分布曲线进行了分析，认为其所提图为某一种情况下水压力的正确表示，其余情况亦可根据此原理推断。

3)简要分析了基坑对地下结构抗浮的影响。

由于笔者精力与资源有限，对一些问题只提出了个人设想，而未予以试验证实;同时对引述文献的理解可能有误，所提讨论意见亦可能不妥，欢迎同行前辈批评指正。

［1］GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范［S］.

［2］GB 50021-2001，岩土工程勘察规范(2009年版)［S］.

［3］李广信，吴剑敏.浮力计算与粘土中的有效应力原理［J］.岩土工程技术，2003(2):63-66.

［4］张旷成，丘建金.关于抗浮设防水位及浮力计算问题的分析讨论［J］.岩土工程技术，2007(1):15-20.

［5］高广运，顾中华.对《关于地下建筑物的地下水扬力问题分析》一文的商榷［J］.岩土工程技术，2003(2):69.

［6］周载阳.多层地下水的水头分布［J］.岩土工程技术，2003(2):67-68.