地下室结构抗浮设计分析

文／蔡翊 长沙市规划设计院有限责任公司 湖南长沙 410000

引言：

地下室建设不但能充分利用地下空间，缓解城市土地不足的压力，还能最大限度地满足设计与使用要求，提高高层建筑的抗倾覆能力。近年来，随着城市更新的不断推进，地下室数量快速增长，但是地下室整体上浮、地下室底板开裂、柱位偏移和结构变形等问题时有发生。本文主要从上浮问题出发，通过对地下室结构进行科学的抗浮设计保证其正常使用，发挥地下室结构应有的功能。

1、地下水对地下室结构的破坏

地下水指的是赋存于地面以下岩石空隙中的水，根据含水层性质可以将地下水分为三种，即孔隙水、裂隙水、岩溶水；而根据地下水的埋藏条件也可分为三种，即上层滞水、潜水、承压水。在抗浮设计中，主要研究对象是潜水，它是产生地下室建筑上浮力的主要因素。在建筑施工完成后，地下水开始回流，在建筑物下方的地下水会对建筑产生浮力，当水的浮力大于建筑物的自重时，建筑地下室结构就会受到浮力荷载的作用，从而可能破坏建筑物。

近年来，由地下水上升引起的地下室结构上浮事件屡见不鲜，特别是针对超大、深基坑，处理不当将引起重大工程事故。例如：南昌某学校综合楼人防地下室上浮事故；海口商场地下室上浮事故；湖北保健酒基地工程联合车间地下室上浮事件等，造成很大财产损失及不良社会影响，故应对地下水对地下室结构的破坏给予足够重视。地下水对地下室结构的破坏主要表现为以下几种形式：

（1）整体抗浮失效：此种破坏形式主要是由于地下室结构承受的地下水浮力超过地下、地上建筑总重力，甚至导致建筑整体结构发生偏移的情况。此种情况常发生在强降雨后，地下水位超过地下室结构抗浮设防水位设计值，以至于出现整体抗浮失效的情况。此种情况下，建筑结构整体存在位移，但是结构各个部位互相位移较小。

（2）局部抗浮失效：此种破坏形式主要是由于地下室结构局部承受荷载能力不足，多出现在地下室结构施工阶段或是上部结构施工前。

（3）整体局部抗浮失效：此种破坏形式同时存在整体抗浮失效、局部抗浮失效两种情况，因抗浮失效导致地下室等建筑物上浮，强降雨时期甚至引发底板面裂缝的问题。

现阶段随着我国建筑行业的发展，地下室结构规模越来越大，地下开挖深度不断增加，由此对抗浮设计提出了更高的要求，直接关系到地下室结构运行安全与使用性能的发挥，本文着重围绕此展开详细分析。

2、地下室常用抗浮方法

对于地下水位高于地下室底面的建筑结构，设计人员在设计地下室时，不仅需要考虑基坑稳定性、坑壁土压力，还需要进行抗浮设计。地下室抗浮方法包括：正确选取抗浮设防水位、减小浮力、抵抗浮力，具体分析如下。

2.1 正确选取抗浮设防水位

结合工程实践分析，大多数工程建设场地缺乏长期地下水位观测资料的问题，勘察单位应根据周边环境、水文地质条件、地下水变化参数提供正确的抗浮设计水位和防渗设计要求。

（1）对于岩土渗透性较好的场地和裂隙发育、连通性好的岩石地基，设计人员应根据地下室全使用寿命期间可能遇到的最高水位或长期水位观测资料中的最高水位与设计年限来进行抗浮设计。

（2）当场地有多层、多类地下水，相对隔水层处于饱和状态并有一定的水力联系时，设计人员可按各层水的混合最高水位进行抗浮设计。

（3）对于地势低洼的、在设计年限内有被洪水淹没的建设场地，抗浮水位可取室外地坪标高。

（4）当场地存在岩溶水和上层滞水以及坑塘时，地下室抗浮设防水位应取一个水文年内坑塘的最高水位。

（5）若场地局部存在上层滞水，水量不大，又无江、湖、河等其他地表水体的分布，当下部持力层为非透水层（为相对隔水层）时，要考虑因肥槽夯填不实，局部地表水或降水渗入而充盈于外墙与基坑壁之间的填土孔隙的情况。若未采取有效的排泄措施，在施工或使用过程中，地表水或降雨渗入将会对地下室底板产生瞬时（或短期）浮力，破坏地下室底板结构。此类场地的地下室底板抗浮设计水头应≥ 1.7m。

2.2 减小浮力方法

地下室结构抗浮设计中，减小浮力方法有多种，常用的主要是排水、泄水以及隔水。此类方法适用于水量较小、操作空间较大的区域，且需要进行长时间维护与观察，不适用于临江、临海以及水量充沛区域。

2.3 抵抗浮力方法

地下室结构抵抗浮力方法主要由抗拔桩（锚杆）、结构抗浮和自重抗浮等，具体需根据抗浮水位、地基情况进行选择，设计人员需要根据不同地下水类型，利用不同的建筑结构形式来设置桩锚或增加配重。

（1）增加配重。设计人员可增加底板压重、加大底板外挑长度、增加覆土厚度等方法来增加荷重。为防止素混土开裂，设计人员可在配重层中添加直径为4mm、双向间距为300mm 的钢筋网来弥补结构层因混凝土收缩引起的裂缝缺陷，从而增加抗浮能力。

（2）设置抗浮锚杆或抗浮桩。目前，常用的抗浮方法是增设抗浮锚杆以提升地下构筑物的抗拔力，其原理是在底板和土层之间设置拉杆或桩身，以增加与周围土层的摩擦力来抵抗水的浮力，保证建筑物的使用安全。抗浮锚杆作用机理如下图1所示，锚杆是由多种材料组成的一个混合体，各材料之间粘结性能，是保证锚杆砂浆、锚杆钢筋、锚杆围岩共同工作的前提。水浮力对底板产生向上的变形，当抗浮锚杆顶端受到由底板变形带来的向上的拉力时，此拉力首先由锚杆筋体传至锚杆砂浆上，紧接着传至浅层基岩上，随着拉力的逐渐增大，慢慢传至深层基岩之中。由此可见，为保证在抗浮工况下锚杆能发挥良好的传力性能，需要有下面四个基本条件予以保证：①锚杆砂浆层与其内部钢筋粘结力大于作用在锚杆上的拉拔力；②砂浆层与围岩之间的粘结力大于作用在锚杆上的拉拔力；③给锚杆提供锚固且需保持足够嵌固能力的基岩，需保持完整性和稳定性；④锚杆钢筋在结构底板内的锚固长度满足规范要求，不出现底板冲切破坏或钢筋在底板内被拔出。此外，我国不同的地区对应的地质情况和气候条件不同。如在地下水很深、水浮力很小且常年降水量很小的地区，进行抗浮设计时需要的抗拔力很小，但若地下室底板下有厚度很大的不透水层，在降水累积作用下，地板底部与地面之间形成水头差，会造成地板隆起破坏。故在不同地区或相同地区不同地质条件和不同气候条件下，建立的抗浮设计标准不同，通过对工程实例的总结形成不同处理方式，可为类似工程提供参考。

图1 抗浮锚杆作用机理

3、案例分析地下室结构抗浮设计要点

3.1 工程概况

本项目为某住宅小区地下室结构补强工程，小区内共计6 栋高层住宅、2 栋多层商业，地下室共二层（局部一层），负一层地下室层高为4.0m，负二层地下室层高为4.0m，总建筑面积为28100m。基础采用旋挖成孔灌注桩，结构安全等级为二级，建筑抗震设防为标准设防类，场地设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第一组，场地类别为二类。

3.2 地下室上浮问题

此小区上浮区域地下室于2018年9月5日开始土方开挖及破桩头，地下室后浇带于2019年3月5日施工完成，但地下室顶板没有及时按设计要求进行覆土。2019年6月施工单位发现6#楼北侧地下室上浮导致与主楼交界处开裂以及地下室部分梁、墙体开裂、框架柱上部产生裂缝。

针对此小区地下室上浮情况，首先进行紧急排水泄压处理，在地下室底板合适的位置用钻机凿孔来排出地下水。室内排水不能通过重力流正常排出，增设集水井通过排水泵排出，以降低水压力使地下结构回归原位，减小结构的上浮趋势，避免结构的进一步破坏。在保证结构安全的基础上进一步开展抗浮加固设计工作。

3.3 抗浮锚杆设计

由于地下室柱沉降超过20mm，视为桩抗拔完全失效，需要增设抗浮锚杆。13 轴右侧区域地下室变形较严重，抗浮锚杆设计时该区域桩抗拔力按完全失效考虑。综合本小区实际情况抗浮设计水位按17.00m 进行抗浮验算。

（1）单位面积水浮力F=70.10kN；

（2）地下室顶板覆土后，结构自重计算（单位面积混凝土梁、柱自重为2.00kN）G=51.10kN；

（3）单位面积抗浮锚杆所受的抗拔力特征值为：70.1—51.1=19kN。

根据上述计算的锚杆抗拔力，在此小区地下室底板增设永久抗浮锚杆，抗浮锚杆大样如图2所示。岩石锚杆锚固体抗拔安全等级为I级，锚杆锚固体抗拔安全系数为2.2。锚杆锚入卵石层深度不得小于5.0m，且锚杆长度不小于16m，单根抗浮锚杆抗拔设计值为350kN。抗浮锚杆设置时必须待覆土及抗浮加固完成后方可停止施工降水，确保地下水位在底板以下0.5m。

图2 抗浮锚杆大样

3.4 结构加固设计

（1）本项目地下室底板增设现浇混凝土叠合层，增加底板压重，提高底板的承载力、刚度和整体性，底板叠合层加固大样如图3所示。

图3 底板叠合层加固

（2）由于原地下室上浮造成一些构件不同程度的损坏，对混凝土构件采取加大截面加固设计方法。钢筋混凝土梁、柱裂缝宽度0.2 ～1.5mm 范围内或裂缝贯穿底板位置的构件，设计采用裂缝封闭+灌浆法处理方法，如下图4、5 分别是贴碳纤维布修补地下室顶板裂缝、地下室顶部截面修补裂缝示意图。针对剪力墙和梁柱等构件中出现的裂缝宽度较大和其他损伤，经现场实测及计算分析，该部分构件混凝土强度均已无法满足设计强度的要求，已超过构件承载能力，需对这些构件截面尺寸及时进行修复处理。

图4 贴碳纤维布修补地下室顶板裂缝示意图

图5 地下室顶部截面修补裂缝示意图

3.5 地下室结构抗浮效果

此小区地下室结构通过增设抗浮锚杆加固以及在地下室底板新增叠合层以增加结构自重共同抵消地下水浮力。底板下采用压力注浆，以避免泄压后无法恢复至原位形成空洞，同时有效提高了地基的承载能力。此小区完成抗浮加固和受损构件修复后，经过几个丰水期的观察，未发现地下室出现上浮、变形、裂缝及渗水等现象，加固效果良好，有较为显著的工程成效，能够满足建筑物永久抗浮和安全使用的要求，取得了较好的经济和社会效益。

结语：

综上所述，伴随我国城镇化的快速发展，地下空间开发力度逐步加大，由此带来的地下结构物抗浮问题也越来越多。为了有效提高地下室工程的建设水平与建设质量，必须不断总结经验，科学开展地下室结构抗浮设计工作，包括正确选取抗浮设防水位、采用多种设计抗浮措施（减小浮力、抵抗浮力），通过合理设计与布置优化，切实达到抗浮设计方案安全适用、技术先进、经济合理、确保质量的目标。