建筑基础结构抗浮方案的设计方法研究

夏华祥

（贵州省建筑设计研究院有限责任公司，贵州贵阳 550081）

0 前言

在建筑工程的施工过程中，随着建筑规模的逐渐扩大与建筑高度的增加，建筑基础的埋深也要适当加深。假如基础埋深超出场地地下水的最高水位，就会受到地下水的浮力作用。当建筑结构自身的重力不能全部抵抗浮力时，就会造成地下室梁柱节点破坏、建筑物上浮、基础局部开裂等问题，进而严重影响建筑的安全性与稳定性。因此，在施工与设计建筑基础结构时，要确定科学的抗浮方案，保证建筑的安全。

1 建筑基础结构抗浮方案的工程地质条件与概况

1.1 建筑基础结构抗浮方案的工程地质条件

建筑工程所处地区的地势相对平坦，地质土层根据从上到下的顺序分别是：①素填土。它是由黏性土与泥岩碎块所组成，呈现红褐色，厚度达0.4～2.2m；②粉质黏土。它的颜色是灰黄色，没有摇振和光泽反应，强度与韧性都相对较大，且裂隙发育较好，有少量的铁锰质与钙质结核氧化物，厚度达0.4～1.8m；③卵石层。它的颜色是灰色，卵石直径达2.8～6.9cm，呈现亚圆形，其成分主要是岩浆岩与沉积岩，局部有少量漂石。经实地勘察得出，建筑底层的基础位于地下水位之下，在基础设计时，首先考虑抗浮措施。

1.2 建筑基础结构抗浮方案的概况

在城市建设快速发展的情况下，地下空间的开发受到强烈重视，如：地下商城、地下车库等；大跨度的空间结构，像大型公共体育场馆及建筑等，均存在地下水浮力与大面积区域的平衡问题；尤其是高层建筑通常使用纯地下结构或整体裙房，加深地下室埋深。一些典型的区域地下水变化也是重要的影响因素之一，比如：三峡水库、南水北调等大型水利工程的建设，会使地下水的分布形态发生改变，在地下水的作用下，地下结构的抗浮问题日益突出[1]。

当前存在的主要问题是，人们缺少对地下结构抗浮计算和地下水浮力确定的认识，对已有的规范不太明确，增加了抗浮设计的难度。有些还造成地下室上浮等其他事故。抗浮方法上以压重法为主，近些年建筑企业开始广泛应用抗浮桩，却缺乏对抗浮桩耐久性设计和裂缝控制的重视。抗浮锚杆是新型抗浮手段，具有良好的受力性能，不过建筑企业对抗浮锚杆的构造要求和可靠性认识相对模糊，限制了抗浮锚杆的应用与推广。

2 工程基础抗浮的方案设计

2.1 充分融合防水底板、抗拔桩与承台

2.1.1 平面布置抗浮锚杆

在施工的过程当中，要借助抗浮锚杆抵抗地下水所产生的浮力，确保地下室的底板可以始终处在自然平衡的状态。构建防水底板时是由于自身属于构造底板，并且底板的刚度与厚度都非常小，这时需要充分考虑地下底板自重和底板水浮力等其他力的共同作用。在地下室的施工过程当中，防水底板的厚度大约为3.5cm，板底的相对高度是+6.540～6.660m，抗浮设计水位的要求一定要比地下室底板高10.540～11.550m，在强大的水浮力作用下，底板的压强达到115.4kPa。压强作用与结合力作用CI 所采用满堂的方式布置抗拔锚杆，在这之中，标准柱的跨度为8.5m×8.5m，锚杆间距始终保持1.72m×2.3m。这时，需要使用锚杆产生的抗拔力抵消掉地下水产生的浮力作用，才会让底板处在自然平衡的状态，保证防水底板的厚度与配筋处在经济状态。根据实际规定，要想确保漂浮、倾覆、滑移等其他结果的稳定性，要使用永久性荷载效应对结构的稳定作用，通常情况下这种方式会保证单根锚杆因地下水产生的浮力作用而承担底板抗浮区域的抗拔作用。

2.1.2 优化设置抗浮锚杆

根据抗浮锚杆的计算公式可知，在框架柱底下应该放置两个直径为820 的桩基，确保它能够支撑上部竖向结构。双桩承台的大小为1.9m×4.4m×1.9m，在承台的范围之内还可以取消两根锚杆，也就是说在布置该结构时需要放置18 根承载柱，用该方法布置抗浮锚杆的数量能够有效满足地下水产生的最大浮力，如图1 所示。

图1 抗浮锚杆

每个抗浮方法都有自己的适用性与优缺点。可以调整基础底标高，把基底放置在弱透水层或抬高基础，从而达到减少地下水浮力的目的，不过受到建筑物使用功能的制约，通常很难实现；通过帷幕阻隔地下水或地基处理，均受到地质条件的限制，费用高昂且不保证效果；通过护坡桩拉结和底板悬挑等方法的局限性比较大，影响范围十分有限，只能作为辅助方法实施；使用压重的方法，比如：增加结构自重，会牺牲建筑物的使用面积，采用钢渣、加大基础厚度、增加覆土厚度等高重度材料压重的方法，会增加地下水浮力与基础埋深，提高抗浮力的幅度有限，另外还增加了土方和基坑的施工费用，主要适合抗浮力不大的情况；抗浮桩锚方法是一种主动抗浮设计，施工的费用比较高，不过后期维护相对简单，结构受力合理，不影响建筑物的功能[2]。

2.1.3 依据标准要求设置特高浮力区抗浮锚杆

底板的厚度大约在3.5cm，如果不研究建筑物的上部结构活荷载只研究结构自重所产生的作用，综合竖向导荷的作用，购物中心框架柱水浮力标准值的大概范围在-320～-6366kN 之间，差异比较大。因此可以得出，水浮力的最大框架存在以下两种情况，正负零标高之上，受中庭部分开洞，影响了地下室框架柱和被抽调的框架柱。这种框架的地下室只有三层，并且地面上没有建筑物。基于这两种情况下，由于框架柱受到比较小的荷载，但地下水产生的浮力比较大，按照最大的地下水浮力-6366kN 为标准开始计算，同时用满堂布置抗浮锚杆的方式进行工作，确保锚杆间的距离始终在1.66m×2.2m，不同的框架柱下一共能够放置抗浮锚杆20 根。在实际建设的过程当中，放置的抗浮锚杆数量可以承受地下水所产生的最大浮力。

抗浮锚杆应对建筑物抗浮问题是非常有效的手段，它具有良好的地层适应性，便于施工，锚杆的布置十分灵活且锚固效率高，因为它具有单向受力的特点，方便预应力和抗拔力的控制，有助于协调建筑结构的变形和应力，降低结构造价，大多数条件下要优于抗浮桩与压重方案。

2.2 确定抗浮水位

在建筑基础结构抗浮方案设计方法中，容易把“抗浮设计水位”与“防水设计水位”两个概念混淆。抗浮设计水位，主要适用于地下室结构构件的设计和结构的整体稳定性验算，是影响地下结构经济性的重要指标之一，也是结构设计最密切的指标；防水设计水位，通常用于确定基础的混凝土抗渗等级、地下水建筑外防水设计、地下室外墙抗渗等级，通常只涉及地下室防水设计的标准问题，和结构构件的设计没有关系。针对设计、勘察建筑基础抗浮设计水位的工作人员，必须《建筑工程抗浮技术标准》JGJ 476—2019 的相关标准进行分析与勘察[3]。确定地下水抗浮设计水位必须要符合：①如果有长期水位勘测资料，那么场地抗浮设计水位要用实测的最高水位，没有长期水位勘测资料，可根据勘察期间测量的最高水位同时综合场地排泄条件、地貌地形、地下水补给等其他因素确定；②场地和潜水和承压水有水利联系的情况下，必须按照实测的承压水位综合考虑抗浮设计水位的影响；③处在施工期间的抗浮设防，抗浮设计水位可以依据最高水位确定。

2.3 实际案例分析

某三层地下室，地上的建筑为A（24 层）、B（15 层）、C（32 层）三栋高层办公楼和一栋三层的商业楼。基础是平板式筏板，其厚度为800mm，底标高-15.7，室内的覆土为900～1200mm。抗浮设计水位-4.9，抗浮水头高度达10m。

以三层商业楼整体的抗浮稳定为例，其上部结构自重约165258.9kN，基础覆土和自重为32058.7kN，水浮力约为175469.1kN，水浮力和总自重的比值1.06 满足整体稳定的要求。

A、B 两栋高层建筑物之间的地下室是三跨，两侧高层恒载可以确保整体不上浮，没有整体上抬失稳的问题。在水浮力的作用下，使用桩土、上部结构、基础共同作用计算出模型，能够清楚看到这部分的上浮变形为8mm，最大配筋量是27cm2，配筋率达到0.44%。使用倒楼盖模型时，忽视了该处的整体弯曲，只考虑到局部弯矩，使配筋量仅达7cm2，存有安全隐患。

3 结论

综上所述，在建筑基础结构抗浮方案的设计方法当中，既要求设计工程师的专业程度，还要求施工人员、勘察人员的通力配合，同时其他工作人员在工作上也要认真、精心、细致。另外，当前有关建筑基础结构抗浮设计的法规文件，尚未明确规定抗浮设计方案设计中的抗浮水位。因此，在抗浮方案设计的工作人员不断努力的同时，还要加强相关部门法规条款上的监督与约束。