关于地下室抗浮设计中相关问题的探讨

杨智强 余舒惠

（贵州省建筑材料科学研究设计院有限责任公司 贵州省贵阳市 550007）

引言

随着经济的快速发展，城市化的进程不断加快，城市建设对地下空间的开发利用的力度不断加大，很多居住小区、办公写字楼、城市综合体等建筑均配建大量的地下室作为停车场、人防地下室及各种功能用房使用。其建设的规模也在不断增大，大面积地下室越来越多，地下室层数及深度也不断增加。受周边环境、工程地质条件及水文条件等因素的影响，目前在地下室设计及施工中遇到了许多新的技术问题亟待解决。地下室抗浮问题即是其中之一，众多工程实例表明，如果设计人员不重视地下室抗浮设计，导致其不满足抗浮设计的要求，将会对建筑物的使用造成极大的安全隐患，轻则地下室底板开裂渗水，重则导致地下室上浮倾斜，无论何种情况都会造成巨大的经济损失。本文通过对地下室抗浮设计原理进行简单的分析，以寻求更加合理有效的设计方法。

1 抗浮设计的基本概念

地下室在建设完成时，其底板和侧壁会形成一个封闭体，若地下水位较高，则这个封闭体将承受较大的水浮力，其底板及侧壁的各个区域，也将因受到外部水压力而导致形变。因此，地下室的抗浮设计，应进行整体抗浮验算和局部抗浮验算。

整体抗浮验算即是要求地下室在受水浮力作用下，不会产生上浮导致破坏。为防止地下室整体上浮，我们一般采用两种方式实现：①“压”；②“拉”。所谓“压”就是利用建筑的自重（结构自身重量，不包含活荷载）来抵抗水浮力的作用，当不能满足时，可采用增加结构自重或配重的方式来满足抗浮要求，用此方法的局限在于若地下水浮力较大，超过结构自重较多，则会大大增加材料用量，造成经济性差的问题。这时，我们可以采用另外一种方法，即是“拉”，所谓“拉”就是通过增设抗拔桩、抗拔锚杆等，利用桩或锚杆来抵抗地下水的浮力，以此来满足地下室整体抗浮的要求。无论是“压”还是“拉”的做法，都必须进行整体抗浮验算，保证结构抗浮力（自重+抗浮拉力）大于1.05倍水的总浮力。

验算局部抗浮时，除验算底板和侧壁的强度、变形及裂缝宽度均应满足规范要求外，还应包括验算地下室的局部薄弱范围抗浮要求是否满足，对于大面积地下室上建有多栋高层和低层建筑，建筑自重不均匀，当上部为高层或恒荷载较大时，该范围的整体抗浮能力可能较高，但上部没有建筑或建筑层数不多的局部范围，特别应进行分区、分块的局部抗浮验算。

2 地下室在水浮力作用下的破坏特征及原因分析

在许多因地下水引起的工程事故中，有部分是由于设计人员对上述基本的概念还不够清晰，造成在对地下室进行抗浮验算时有疏漏，导致地下室抗浮能力不足所引起的。例如，有些设计人员只对地下室底板的梁、板、墙在地下水浮力荷载作用下的强度计算，而忽略了地下室的整体抗浮验算，导致整体抗浮能力不够而破坏。有的则是进行了整体抗浮验算后满足要求，即认为没有问题，而忽略了对地下室抗浮力薄弱的局部区域进行验算，导致部分区域因受地下水浮力大于设计荷载造成结构构件破坏，主要表现为底板隆起、相关区域的结构构件受到破坏等。还有的则是在地下室底板计算中只验算强度不进行变形的裂缝宽度的计算，造成底板产生裂缝，漏水严重。

除上述原因外，还有一种情况值得一提，当地下室基层为较严密的不透水层（不透水的硬质岩石或坚硬土层）时，而地下水位又较低，设计人员忽略了地下室受水浮力作用的影响，未进行地下室抗浮验算；施工时又采用严密的基坑支护，一旦暴雨来临，施工单位未能采取有效的降水措施，整个基坑将形成一个大集水坑，从而形成盆池效应，同样对地下室产生浮力造成结构破坏。

因此，在进行地下室抗浮设计时，不仅要做细致全面地验算，既要验算整体由要验算局部，而且还要对地质勘查报告进行仔细研读，同时对现场进场查勘，与地勘单位一起对是否会出现盆池效应进行分析，必要时提出施工期间的降水、抗浮措施和建议。

3 地下室抗浮计算的方法

3.1 抗浮水位的确定

抗浮水位的取值是地下室抗浮设计中一个决定性的参数，是否合理地确定抗浮水位，直接影响水浮力的大小和抗浮计算的准确性。直接关系着结构主体的安全和工程造价。

地下室抗浮设计水位的确定按照现行国家规范的要求，需由岩土工程勘察单位在地质勘察报告中提出。规范明确规定：

（1）当有长期水位观测资料时，场地抗浮设防水位可用实测最高水位，无长期水位观察资料时，应按勘察期间实测最高水位并结合场地地形地貌、地下水补给、排泄条件等因素综合确定。

（2）场地有承压水且与潜水有水力联系时，应实测承压水位并考虑其对抗浮设防水位的影响。

（3）只考虑施工期间的抗浮设防时，抗浮设防水位可按一个水文年的最高水位确定。

此外，设计人员对于下列一些特殊情况还应进行必要的分析和论证：①地下水赋存条件复杂、变化幅度大、区域性补给和排泄条件可能有较大改变或工程需要时，应进行专门论证；②对于斜坡地段的地下室或可能产生明显水头差的场地上的地下室进行抗浮设计时，应考虑地下水渗流在地下室底板产生的非均布荷载对地下室结构的影响，不能笼统的采用勘察报告所提供的远高于室外地坪的地下室抗浮水位来进行设计。水是往低处流的，若建筑物一侧或多侧是敞开的，水浮力不可能高出室外地坪；③在有水头压差的江、河岸边，且存在滤水层，应按设计基准期的最高洪水位来确定其抗浮水位；四是对于雨水丰富的地区，尤其应注意因地面标高发生变化后对原勘察报告抗浮水位的修正，防止产生地表水聚集效应对地下室造成破坏。

3.2 水浮力的计算方法

在确定了地下室抗浮水位后，抗浮验算的关键就是准确计算地下室结构所承受的水浮力。该问题可采用阿基米德定律来计算。该定律简要表述如下：

式中：γw为水重度，取10kN/m3；Vw为浸入地下水部分的建筑物的体积，一般情况下按公式（2）计算，当地下室外形较为复杂时，应根据实际情况计算各部分的体积。

式中：Aj为地下室底板面积；hw为抗浮水位高度。

3.3 地下室抗浮验算

建筑物地下室抗浮稳定性应按公式（3）进行验算：

式中：Gk为建筑物自重及压重之和；Nw，k为水浮力作用值；Kw为抗浮稳定安全系数，一般情况下取1.05。

在计算过程中，还应注意以下几个问题：

（1）在建筑物主体完工时，施工单位通常会移除降水设施和设备，不再采取降水措施，Gk若此时地下水位达到高值，就会对主体造成影响。因此，考虑到此不利情况，在计算中对于值应取结构主体构件（梁、柱、墙、楼板等）自重，不应包含装修及后期使用过程中产生的重量。

（2）对于上部建筑重量不均匀的建筑物，如有裙楼的高层建筑或上部建有多栋高层和多层的大面积地下室的建筑，其地下室抗浮验算除对整体进行验算外，还应对抗浮力薄弱的局部区域进行验算，必要时可采用增加局部区域的结构自重和设抗拔桩等方式来增大抗浮能力。

（3）对于地下室底板的计算，除了要满足其使用功能的强度要求外，还应满足其在地下水浮力作用下的强度要求。在计算时，可按“倒楼盖法”进行计算，将地下水浮力直接作用于底板上，此时应不计入结构自重和底板上的附加荷载，底板和地梁的计算结果不仅要满足其在水浮力作用下的承载力要求，更要注意控制其挠度和裂缝，应满足规范的要求。对于地下室侧墙的计算同样要重视控制好裂缝宽度，尽量避免在后期使用过程中出现漏水的情况。

4 地下室抗浮技术措施

4.1 设计阶段可采用的抗浮措施

4.1.1 降低抗浮设计水位

由计算公式可以看出，降低抗浮设计水头高度可减小水浮力。通过结构优化设计，在确保地下室使用净高的前提下减小地下室的埋置深度可实现降低抗浮设计水位的要求。具体可采取如下措施：

（1）若基础形式为筏板基础时，尽量采用平板式筏型基础，该基础形式较梁板式筏型基础梁底标高略有提高。水浮力可相应减小。

（2）顶板设计时应尽量减小梁高或采用无梁楼盖。其中在采用无梁楼盖时，顶板厚度会有所增加，厚顶板不仅增加了结构自重，使结构抗浮力有所增加，而且在保证使用净高的前提下，底板标高可相应抬高，有效降低了抗浮设计水位。

4.1.2 增加结构自重

当结构整体不满足抗浮稳定性验算，但结构自重与水浮力相差不大时，可采用增加结构自重的方式来满足抗浮要求。可采取的措施有：

（1）增加地下室结构自重，如适当增加顶板或底板的厚度。

（2）用较大容重材料对地下室地面进行回填或适当增加地下室顶板覆土厚度。

（3）在条件允许的情况下，可采用适当增加层数等办法来增加结构的自重，以抵抗地下室水浮力的作用。

4.1.3 设置抗拔桩

当地下水位较高，地下水浮力远远大于结构自重时，就应设置相应的抗浮构件以抵抗水浮力的作用，抗拔桩就是其中一种形式，抗拔桩是通过桩与土之间摩擦力及桩身自重来抵抗浮力的，可均匀布置于筏板下，也可集中布置在柱及剪力墙下，同时也可将建筑物的桩基础兼做抗拔桩，抗拔桩的抗拔力一般较大，也较容易受环境及施工条件等影响，造价较高。设置抗拔桩时，应注意验算桩身的裂缝宽度，其最大裂缝宽度不大于0.2mm。同时应根据地下水的腐蚀性对桩身采取相应的防腐措施。

设置抗拔桩时的抗浮计算按以下公式进行计算：

式中：Gk为建筑物自重及压重之和；Nw，k为水浮力作用值；n为抗拔桩的数量；Nk为桩抗拔力标准值；Kw为抗浮稳定安全系数，一般情况下取1.05。

抗拔桩按成桩方式的不同，主要分为现场灌注桩和预制桩。灌注桩除常规的等截面形式外，还包括扩底灌注桩和后注浆灌注桩等。灌注桩作为抗拔桩时，桩身要求通长配筋，钢筋锚入承台的长度一般要求大于40d。预制桩作为抗拔桩时，应尽量采用单节桩；若需要接桩，应采取可靠的措施保证接头的连接质量，还应注意桩顶与承台的连接构造处理。

4.1.4 设置抗浮锚杆

抗浮锚杆是依靠坚硬土层或岩土体与锚杆之间的粘结力提供抗拔力。抗浮锚杆因施工周期短、施工方便、造价较低、受力合理、布置灵活等优点而被广泛使用，即可在设计、施工阶段使用，也可用于因抗浮不足引起的工程事故中的加固处理。

抗浮锚杆可按以下公式进行计算：

式中：Rt为锚杆抗拔承载力特征值；ξ为经验系数，对于永久性锚杆取0.8；f为砂浆与岩石间的粘结强度标准值；μr为锚杆周长；hr为锚杆锚入岩层中的长度，当长度超过13d（d为锚杆直径）时，按13d进行计算。

地下室底板抗浮锚杆的布置一般有点、线、面等3种形式：

（1）当自重与浮力相差不大时，可采用集中点状布置。一般布置于柱和剪力墙下，可考虑结构自重平衡一部分水浮力。底板应按水浮力作用下进行强度和配筋计算，一般底板配筋会较大。

（2）当底板采用梁板结构体系且自重与浮力相差不大时，可采用线状布置。锚杆布置于地下室底板地梁下，该布置方式锚杆沿地梁较集中地布置，具有较强的抗拔力，同时降低了底板防水施工难度和底板渗水风险。该布置方式对于底板同样应按水浮力作用下进行强度和配筋计算，底板配筋也会较大。

（3）当自重与浮力相差较大时，可考虑面状均匀布置，即在地下室底板下均匀布置。由于上部结构构件如柱、墙等与底板下均布的锚杆是点（线）与面的关系，非柱、墙范围内的锚杆不能充分利用上部荷载平衡水浮力，这就需要底板的刚度足够大，同时还要通过倒置楼盖的假定计算，才能使上部结构构件与均布锚杆共同抗浮。该布置方式的优点在于底板受力均衡，钢筋用量小。缺点在于底板防水施工难度大。

综上所述，工程设计中应根据实际情况选用合适的布置方式，在达到抗浮要求的同时，降低施工难度和工程造价。

4.2 施工阶段可采用的抗浮措施

根据多个工程的实际案例调查，不少的抗浮事故原因是发生在施工阶段对抗浮未引起重视或未采取有效的抗浮措施。例如：部分工程地下室覆土未完成或上部塔楼建设未达到设计要求可停止降水的层数时即停止降水，极易引起上浮事故。特别应注意的是暴雨时的地表水对基坑的倒灌，形成“盆池”效应，若不及时采取降水措施，易引起地下室结构因抗浮不足而引发的工程事故。因此施工期间，主要通过设置降水井等措施把基坑内的水位降至底板以下。地下室结构施工完成后，基坑四周应采用粘性土及时回填并分层夯实，可形成止水层，可有效地防止施工阶段地表水倒灌。待满足停止降水的条件时方可停止降水。

5 结论

地下室的抗浮设计是一个非常重要的问题，必须予以重视。地下室抗浮设计的关键在于设计人员在设计过程中应充分结合场地特点和区域工程地质、水文地质以及周边环境确定合理的抗浮设计水位，并通过认真细致的计算，提出相应的抗浮措施，在保证工程结构安全的情况下，尽量做到科学经济、合理可行。同时施工阶段应采取有效的抗浮措施，防止施工期间发生上浮事故。