大型车库的抗浮措施探讨

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(宜兴市建工建筑安装有限责任公司，江苏 宜兴 214200)

引言

近年来，随着高层建筑的日益增多，地下工程的建筑面积也越来越大。一般的高层住宅区均在若干幢相邻的高层建筑物下面设计一贯通的大型车库。这种地下车库的埋深通常较大，有相当一部分体积要位于地下水位以下，如果在施工和使用期间不采取抗浮措施，在水浮力作用下地下建筑物要向上位移而引起墙体和底板的开裂。因此，抗浮设计对于大型地下工程而言是相当重要的。

1 大型地下工程的抗浮措施及比较

1.1 增加质量法

当地下建筑物的质量小于地下水的浮力时会发生上浮，因此，增重法是最直接的抗浮措施。增重法包括顶板覆土增载、地下车库底板增厚、室内堆载以及边墙加载等方法，这些方法的特点是施工简单，目标明确；缺点是所增大的质量甚至会被增加埋深所引起的浮力抵消。

1.2 截排水法

水浮力是造成地下建筑物上浮的主要因素，因此，采用截排水措施可以有效地排除隐患。如在地下车库的底板上开孔，使地下水及时排出以减小水浮力，或者在地下室周围设计深层搅拌桩、高压旋喷桩等形成截水帷幕，将地下建筑物范围内的地下水与外部的丰富水源切断。这种方法的特点是费用高、施工时间长。

1.3 抬高地下室底板法

抬高底板法分为将建筑物高度整体上移和降低地下室层高两种方法，这两种方法均是通过减少地下建筑物在水中的深度来达到降低水浮力的目的。但是，抬高地下室底板法会影响建筑物的设计功能或增加建筑物的总高，并不适用于所有的工程，因而不具有普遍意义。

1.4 抗浮锚杆或抗浮桩法

抗浮锚杆是抵抗建筑物向上位移的受拉杆件，适用于基岩或土性较好的地段，具有埋深浅、受力合理、造价低廉的优点。抗浮锚杆一般采用高压注浆工艺使浆液渗透到岩土体的空隙及裂隙中，使锚杆侧壁阻力增加。抗浮锚杆自由段的防腐蚀要求较高，且锚杆受力会产生较大的变形，不利于结构稳定。

抗浮桩是一种抗拔桩，桩体承受拉力，受力大小随着地下水位的变化而变化。抗浮桩的形式应视不同的地质条件区别对待，当底板下为淤泥质黏土、黏性土时，可设计沉管灌注桩；当底板下为粉土、砂土或硬可塑类黏土或风化基岩时，可采用人工挖孔扩底桩。当桩底为岩层时，扩底桩能牢固地嵌固在岩石中获得良好的抗浮效果。该方法由于桩与柱子相连，桩的间距较大，需要很厚的底板才能抵抗浮力产生的附加弯矩和剪力，因此费用相对比较高。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

某工程位于苏南某城市的城区，场地拟建8幢高层建筑，周围是多层商业用房，地下车库贯通整个工程。工程总建筑面积约21万m2，地下车库面积为32 500 m2。地下室平面如图1所示。拟建场区下伏的各岩土层以粉质黏土和粉土为主，浅层部位普遍伏有较大厚度的淤泥质黏土等软弱土层，故该场区的地基稳定性较差。

图1 地下室平面图

2.2 地下车库的施工方案

该工程的地下车库为大面积的深基坑。基坑直立开挖至地表以下4.5 m左右，坑壁为密排的混凝土搅拌桩止水帷幕。地下车库净高3.55 m，底板施工时，先铺1层100 mm厚的碎石垫层，然后浇筑400 mm厚的C35钢筋混凝土；顶板为250 mm厚的C35钢筋混凝土，墙柱为C50的钢筋混凝土。

2.3 地下车库的抗浮措施

该工程地下车库的底板基本位于淤泥质黏土中，该层土的含水量较高，淤泥土的下部是渗透性较好的粉质黏土。当地下车库的顶板施工完成后，整个地下箱体部分受到浮力作用后会导致底板开裂。因此，该工程的抗浮问题主要发生在施工期间。上部建筑物完工后，将在建筑物之间的车库顶板上覆盖1.65 m厚的黏土种植树木和花草。由于地下车库以上的建筑物荷载较大，空余地带又覆盖一定厚度的黏土，因此，工程在使用期间一般不会出现大的问题。

通过对常用抗浮方法的对比分析以及现场多次论证后，决定采用排水法和底板抬高法作为该工程的主要抗浮设计方法。

地下室施工期间采取的抗浮措施是：

(1)在地下车库外围四周设置断面为300 mm×250 mm的排水沟，在排水沟中每间隔30 m设置1个300 mm×300 mm×500 mm的集水井。

(2)在地下室的底板上纵横向设计后浇带，后浇带的间隔为30 m，这样底板以下的地下水可以通过后浇带汇集到两侧的集水井中，再用潜水泵抽出。

施工过程中，地下室底板在水浮力作用下不可避免地会产生一些微细裂缝，这些微裂缝是渗水的主要通道。在封堵后浇带之前，施工单位把地下室的底板做成双层结构(如图2所示)，这样地下水就能排到地下室外围的排水沟中，使水浮力减小。

图2 地下室底板示意图

3 地下车库施工期的抗浮验算

为了减轻水浮力及节约投资，建设单位在与设计、监理单位协商后，把整幢建筑物提高了0.5 m。这样，浸没在地下水中的地下箱体也相应提升了0.5 m，使得水浮力得以大幅度降低。以下是两种方案在施工期间的抗浮对比。

3.1 抗浮设计水位的确定

根据地勘报告，该场区土层中，第1层耕填土含潜水，第5层粉土中含弱承压水，其余各层均为微透水、弱透水或不透水层。场区稳定水位在2.40～2.62 m(黄海高程)之间，随季节动态变化，夏高冬低，历史最高洪水位达到3.40 m。在该工程施工期间，由于基坑的周围设计了密排的混凝土搅拌桩作为止水帷幕，因此，地下水的主要来源是大气降水，施工结束后，雨水通过周围的回填土渗透到地下。综合以上分析，假定该工程的抗浮水位设计值为3.0 m。

3.2 地下车库的抗浮验算分析

3.2.1 地下车库所受到的水浮力

该工程地下车库所受到的水浮力按(1)式计算：

F=γwΔHA

(1)

式中：F——地下水浮力；γw——水的重度；ΔH——地下水位标高与车库基底标高之差；A——地下室底板的面积。

3.2.2 地下车库的抗浮验算

该工程地下车库的抗浮按(2)式验算：

Qw=γGG-γwF

(2)

式中：Qw——抗浮荷载设计值；G——地下车库自重及其他永久荷载的标准值之和；F——地下水浮力标准值；γG，γw——永久荷载及地下水浮力分项系数。

3.2.3 分析与讨论

对于具有稳定水位的透水性地层，地下水浮力可按理论静水压力进行计算，但是地下水的补给和地层的渗透性不同，实际地下水压力可能会低于静水压力值。因此，对于基底下的弱透水性地层来讲，采用排水抗浮设计时，要根据渗流定律对水压力值作适当折减。但是，该工程的地下室外墙回填土是粉质土，透水性高，补充了地下水，因此，水浮力采用静水压力计算还是比较合理的。

GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中未涉及地下水的荷载分项系数，只规定了永久荷载效应对结构有利时分项系数可取1.1。表1是国内外其他规范关于水压力与恒荷的分项系数的取值。

表1 水压力与恒荷的分项系数

3.2.4 抗浮稳定的安全系数

抗浮稳定的安全系数按(3)式计算：

(3)

式中：K——抗浮稳定安全系数；Q——地下车库及永久荷载标准值；F——地下车库所受的水浮力标准值。

3.3 抗浮方案对比

3.3.1 方案1

当地下车库的基底标高为黄海高程-1.25 m时，地下车库自重及其他永久荷载标准值为：

Q=148 009.20(t)

地下水浮力标准值为：

F=163 131.55(t)

抗浮稳定安全系数为：

K=0.91

由上述计算得到的抗浮安全系数<1，表明该地下车库有可能在浮力作用下发生破坏。

3.3.2 方案2

当地下车库的基底标高为黄海高程-0.75 m时，地下车库自重及其他永久荷载标准值为：

G=148 009.20(t)

地下水浮力标准值为：

F=143 477.15(t)

抗浮稳定安全系数为：

K=1.03

因此，把地下室底板抬高0.5 m后，提高了抗浮安全系数，表明方案2是可行的。

4 结语

地下建筑结构的抗浮问题主要与地下建筑的水浮力有关。不同的抗浮方法均有其优缺点和适用性，应根据地质条件、水浮力大小、后期运行条件等选择合理的方法。该工程地下室采用底板抬高的方法来减小水浮力对地下室的影响，同时在施工过程中利用后浇带排除地下水，后浇带密封后又用双层地下结构的方式排出多余的地下水。该方法简便易行且经济、可靠，工程完工至今未出现任何质量问题。

参考文献：

[1] 杨瑞清，朱黎心.地下建筑结构设计和施工设防水位的选定与抗浮验算的探讨[J].工程勘察，2001(1)：43-46.

[2] 柳建国，刘波.建筑物的抗浮设计与工程技术[J].工业建筑，2007，37(4)：1-5.

[3] 贾金青，陈进杰.大型地下建筑抗浮工程的设计与施工技术[J].建筑技术，2002，33(5)：352-353.

[4] 刘云飞，周淑玲.地下工程抗浮设计与施工中问题的讨论[J].工业建筑，2005，35(S0)：595-597.

[5] 魏建军.地下结构抗浮设防水位和浮力计算刍议[J].四川建筑科学研究，2010，36(6)：89-92.