地下水对地下结构浮力作用研究

王嘉昕，兰盈盈，陈经明，王 婷，吴旺军

(南昌工程学院水利与生态工程学院，南昌 330099)



地下水对地下结构浮力作用研究

王嘉昕，兰盈盈，陈经明，王 婷，吴旺军

(南昌工程学院水利与生态工程学院，南昌 330099)

本文就地下水对地下结构的浮托力作用进行研究，对抗浮设防水位的确定、浮托力的计算、抗浮技术措施的选择进行分析与探讨，并提出一定的观点和建议。

地下水；地下结构；浮托力

我国城市建设得到了飞速发展，国内城市大量兴建高层、超高层建筑，地基埋深越来越深，地基基础的勘察、评价和设计问题越来越受到重视[1]。

1 抗浮设防水位的确定

《高规》中抗浮设防水位指地下室抗浮评价所需的、确保抗浮设防安全与经济合理的场地地下水水位[2]。抗浮设防水位是基于施工区下垫面条件确定的场地抗浮设防水位，对于不同水文地质区域的工程建设，考虑到地下水的赋存、排泄和补给条件可能不同，施工时应具体情况具体分析。当有长期水位观测资料时，可采用实测最高地下水水位作为抗浮设防水位；当没有长期水位观测资料时，可采用勘测期间的地下水最高稳定水头并结合施工区的水文地质条件确定抗浮设防水位；当没有长期水位观测资料但是对于多层地下水条件下各种类型的地下水年变幅比较了解时，应先确定不同含水层地下水的最高水位，再确定抗浮设防水位。

2 抗浮力的计算

浮托力指地下建筑结构在静水位或下游水位的作用下其底面所受的分布均匀、方向竖直向上的静水压力[3]，其中静水位指场地抗浮设防水位，而下游水位是指由场地下游江河湖泊水位上涨反托所形成的场地地下水水位[4]。浮托力的计算以阿基米德定律作为基础。阿基米德认为浸在液体中的物体将受到方向竖直向上的力，定义为浮力，并且认为浮力的大小等于物体排出液体的重力的大小。公式如下所示:

F=G排=ρgV排

(1)

因此，地下结构受到的地下水浮托力计算公式为:

F=ρ水gV排=γV排=γhS

(2)

其中V排表示地下结构所排开水的体积，S表示底部总面积，γ表示水的容重，h表示地下结构底板以上的水头高度。

由公式(2)还可知道地下结构单位面积上受到的浮托力大小为:

(3)

然而在实际工程中，从一些实测资料可发现，在很多情况下直接用阿基米德定律计算出的水浮力值与实际测得的水压力值之间存在一定偏差[5]，在计算地下水浮托力时，有必要对浮托力的计算公式进行划分:当土壤为砂土时，地下结构底板受到的浮托力可以直接按照浮力公式计算；而当土壤为粉黏土时，地下结构底板受到的浮托力应根据当地的地下水位、底板位于地下的深度等条件，给计算公式乘以一个合理的折减系数ψ。

王浩等[6]给出了多层地下水条件下，不同埋深的地下建筑所受水浮力的经验折减系数，值得借鉴。归纳总结出为:A.当地下室处于潜水层中，地下室底板处于潜水层上部时，如图1所示，地下室底板受到来自潜水层地下水的浮托力，浮托力公式计算无须乘折减系数。B.当地下室处于潜水层中，地下室底板处于潜水层下部的弱透水层时，如图2所示，地下室底板受到由地下水渗流所产生的浮托力，折减系数ψ取0.7～0.8。C.当地下室处于潜水层中，地下室底板处于潜水层下部的弱透水层中且弱透水层下面还有承压水的含水层时，如图3所示，地下室底板受到由上下层含水层渗流作用以及地下水所产生的浮托力，折减系数ψ取0.5～0.6。D.当地下室贯穿第一层弱透水层，底板处于承压水的含水层时，如图4所示，底板受到由承压水所产生的浮托力，折减系数 取0.7～0.8。

图1-图4 不同条件压力分布图Fig.1-Fig.4 Pressure distribution under different conditions

3 当前抗浮技术措施

3.1 压载抗浮技术

当地下结构的重量小于底板受到的地下水浮托力时，地下结构就可能发生上浮。因此，增加地下结构重量是最直接的抗浮方法，通常以加大底板厚度的方式来增加结构重量。但由于压载抗浮技术通常采用降低底板的标高在上面填土或增大底板的厚度来增加自身重量抵抗浮力[7]，使得地基基础只能往更深层次进行开挖，反而增大了水浮力，必须在降低底板标高或增大底板厚度的基础上再降低底板标高、埋土和增大底板厚度，直到重力和浮力二者平衡。因此，压载抗浮技术适用于水浮力不大、地基土壤承载能力较好的情况。

3.2 抗浮桩技术

抗浮桩技术指利用桩体自重和桩侧摩阻力提供抗拔力[8]。抗浮桩与一般的基础桩在性质上有很大不同，基础桩承受的是自上而下的上部结构压力，而抗浮桩则起着抗拔的作用，受拉力作用。虽然抗浮桩承载能力强、施工技术成熟，但施工周期长、难度大、费用较高，并且施工过程中易产生废弃泥渣污染环境。

3.3 抗浮锚杆技术

抗浮锚杆的作用类似于抗浮桩。它是指将埋入土层中的锚杆与地下结构的底部相连，通过杆体与周围土层发生相对位移时产生的摩擦力提供抗拔力[9]。抗浮锚杆可以看成是小型的抗拔桩，但间距比抗浮桩小，布置密集，底板上不会产生较大剪力，因此不需要将底板设计的太厚，可以控制成本。另外，抗浮锚杆工艺简单、施工方便，工期短。

3.4 降排截水技术

降排截水技术指通过降水、排水、截水的方法降低地下水水位，从而减小地下水浮力，达到抗浮的目的。与压载抗浮技术相比，虽然降排截水技术工程造价也偏低，但由于降排截水技术需要一直使用，因此需要消耗更大的工程量，维护费用较高。另外，如只使用降排截水技术，若排水设施出现故障，导致地下水回灌、水位回升，那么抗浮效果很可能失效，并带来安全隐患，因此，降排截水技术通常与其他抗浮措施联合使用。

4 结语

地下结构对地下水的抗浮设计问题是由抗浮设防水位的确定、浮托力的计算、抗浮技术措施的选择等多个方面共同组成，对这些方面进行深入了解、仔细总结极为必要，这对今后开展与地下结构抗浮设计的相关研究也非常有意义，它为地下结构的抗浮设计提供了一定的理论依据，对抗浮技术措施的合理选择、节省资金投入、确保施工安全等方面具有实际的应用空间。

[1] 高海.地下水对某已建地下结构的浮起作用分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2010.

[2] JGJ72-2004，高层建筑岩土工程勘察规程[S].

[3] GB/T 50279-98，岩土工程基本术语标准[S].

[4] 张旷成.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，2007，21(01):15-20.

[5] 熊欢.地下结构抗浮设计中浮力的研究[D].长沙:中南大学，2013.

[6] 王浩.地下室结构的抗浮设计与分析[D].合肥:合肥工业大学，2013.

[7] 张同波，于德湖，王胜，等.岩体基坑地下室抗浮问题的分析[J].施工技术，2008，37(09):19-22.

[8] 熊勃.地下结构抗浮设计中抗拔桩的应用研究[D].长沙:中南大学，2006.

[9] 蒋继宝.抗浮锚杆力学特性研究与工程应用[D].贵州:贵州大学，2015.

Study on buoyancy effect of groundwater on underground structure

WANG Jia-xin, LAN Ying-ying, CHEN Jing-ming, WANG Ting, WU Wang-jun

(College of Water Conservancy and Ecological Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China)

With the development of underground space, the problem of the buoyancy of groundwater in engineering has become increasingly prominent.In this paper, the relevant groundwater buoyancy effect of underground structure was studied. Some opinions and suggestions are put forward on water level for prevention of up-floating determination, calculation of uplift pressure and technical measures to resist uplift pressure.

Groundwater; Underground structure; Uplift pressure

2017-03-04

国家级大学生创新创业训练计划(201511319002)

王嘉昕(1995-)，男，学士。

兰盈盈(1979-)，女，博士，讲师。

TU46

A

1674-8646(2017)10-0140-02