地下建筑结构抗浮设计及措施探讨

凌民亮

【摘要】随着我国地下建筑结构设计的不断发展，有必要研究其抗浮设计及相关措施。本文首先介绍了地下建筑结构抗浮设计的概念及重要性，分析了地下建筑物浮起的机理及基本条件，探讨了建筑抗浮失效的原因，提出了地下建筑结构抗浮技术措施。

【关键词】地下建筑结构；抗浮设计；措施探讨

中图分类号：TU3文献标识码： A

一、前言

作为建筑结构设计中的一项重要工作，地下建筑结构抗浮设计在近期得到了重视。研究地下建筑结构抗浮设计，并提出相应的应对措施，对于提升地下建筑结构的可靠性有着重要意义。本文从介绍抗浮设计相关概念着手本课题的研究。

二、地下建筑结构抗浮设计的概念及重要性

近几年来，有不少地下建筑结构因地下水的作用而造成工程事故，如某医院两层独立地下车库，在施工过程中，出现整体上浮，最大上浮高度达1.42m；又如，某体育中心游泳馆，地下室上浮造成上部结构梁、板、柱产生大量裂缝；再如，某高层建筑地下室底板局部隆起高达350mm，柱间板出现45°破坏性裂缝……诸如此类问题时有发生，造成了财产的损失。所以抗浮设计显得尤为重要。

地下建筑结构抗浮设计就是以地下水位的高低来确定建筑物承受浮力大小的设计过程，地下建筑结构抗浮设计有利于建筑整体自重的有效平衡，同时也有利于分布地下建筑结构所受的压重，在稳定地下建筑结构形态和功能的同时，还有利于实现建筑物整体的稳定。地下建筑结构抗浮设计根据设计面积和经验一般可以分为整体部分或局部的抗浮设计。地下建筑结构抗浮设计过程中地下水的浮力是重要的影响因素，设计地下建筑结构抗浮结构和功能是要展开对浮力的全面计算，进而形成更为有效的地下建筑结构设计方案。

三、地下建筑物浮起的机理及基本条件

众所周知，水对地下建筑物的浮力大小遵循阿基米德原理，水对物体的浮力等于物体排开同体积水的重量。容易引起忽视的是在地下水长期作用下，水的浮力同时也遵循连通管原理，即在地下水长期作用且均匀补给的渗透系数相同的透水土层中孔隙和孔道中的水位等高，地下水位下同一标高孔隙水的压强相等。鉴于实际情况中土的渗透系数不等，特别是水的补给来源不均，补给水量也不等，因此，客观表现的地下水位呈动态变化，在一个场地各点水位往往不相等，上层滞水水位变化更大，但各点水位按连通管原理逐步平衡的趋势是不变的。因此，透水土层在地下水长期浸泡下，地下建筑物与周围岩土介质间因地下水通过大孔道或微小的孔隙渗入达到一定水位时，无论水的性质是潜水、上层滞水或承压水，无论渗入水量的多少，即使岩土介质与地下结构外墙间形成薄层水膜，即可产生强度为γh的浮力(γ为水的重度，h为建筑物基底以上的水深)，当水浮力强度大于地下建筑物单位面积的重量时，建筑物即可浮起，当水不断补充，建筑物将继续上浮。所以，建筑物浮起是一个渐进过程。水位高低是控制建筑物上浮的基本要素，水量的大小控制着建筑物的上浮量，地下建筑的浮起破坏是上述两个因素综合作用的结果，缺一不可。单是水位达到上浮临界水位，建筑物开始微小浮起，此时，如果水未继续补充，或渗入的水量小于基底和周边土的渗出水量时，则建筑物不会继续上浮，地下结构不致破坏，已渗入基底的水在建筑物重量作用下，渗入基底或周边土介质之中，此时人们并未发现地下建筑上浮的危险征兆。这就是许多地下建筑物未采取抗浮措施，也未发现严重浮起的原因。

一个简单的试验可以说明问题，将大小与形状相同的两个碗叠摞在一起，两碗之间的空隙填充砂或土，用滴管向两碗间隙中滴水，由于两碗间的间隙较小，间隙内水位达到临界上浮水位时，虽然滴入的水量远不到碗的重量，但上面的碗已被浮起。

四、建筑抗浮失效的原因分析

在地下建筑抗浮失效中，主要原因在于不良地下水。具体来说，在工程工勘的过程中，没有进行抗浮评价，也没有提出抗浮水位以及抗浮设计参数。GB50021—2001《岩土工程勘察规范》中明确要求要对地下水作用及影响进行正确评价，针对地下结构物、基础以及挡土墙，要按照设计水位进行浮力的计算。一般的场地地下水类型属于上层滞水，存在于上部杂填土之中，在勘察期间，地下水的水位埋深为1.23m到4.30m。此类地下水容易受到季节气候的影响，而其场地中的软岩在受到大气降水的影响下会出现松散、膨胀以及软化蚀变的问题。

1.由于工程施工期周期长，也加重了地下水的破坏性，具体来看，一般的基坑开挖如果经历了两次大气降水丰水期，在基坑形成之后，大气降水的大量渗入导致坑内、外土层吸水饱和，滞水转变为孔隙潜水。

2.周边道路基础土层经过高强度夯实之后形成阻水隔水边界，导致孔隙水只进不出，使地下水位不断的抬高，形成承压水。而在地下建筑设计的过程中，没有进行相应的抗浮设计。

3.在地下室施工的过程中，底板基础以下缺乏物理力学强度好的隔水岩土层，加之地下室部分基础处于下伏层，这就违反了相关的抗浮规定，最终使得地下室底板持力层以及变形速度在不良地下水的活动下破坏越来越严重。

4.如果工程部分地段使用了毛石砼换填法，使得其在地下水的反复影响下，基础持力层也反复的隆起、沉降，进而使得地下室地面反复隆起、沉降，对地上建筑物造成了极限破坏。

五、地下建筑结构抗浮技术措施

1.盲沟排水法

这种方法适用于常年水位低于地下室底板标高。沿地下室四周和底板下设置滤水层和排水管道，将水引导汇集到排水井内并用水泵抽排，地下水位一直维持至地下室底板下某一标高，使得底板基本不受水浮力，这种方法不仅解决了地下室的整体抗浮问题，同时也解决了底板的局部抗浮，其经济效益明显。

2.配重法

抗浮安全度不够是由于结构自重小于地下水对结构上浮力而造成，最直接的办法是增加结构自重或增加其上恒载，利用底板外伸部分增加回填土重量；如在地下室顶板上覆土，既解决了建筑绿化问题，同时又能增加恒载来提高结构的抗浮能力。如果在底板上增加配重，能同时降低底板的局部有效压力，有利于减小底板和基础梁的尺寸。值得注意的是，增加覆土厚度或增加底板厚度对地下室抗浮有效，但基础埋深势必增加，地下水浮力也相应增加，于是增加结构重量的作用会部分地被增加埋深所引起的浮力抵消，因此，抗浮设计使用配重抗浮技术措施时应认真核算。

3.抗浮桩法

抗浮桩利用桩侧阻力起抗浮作用，其抗浮能力与桩型、桩径、桩长及周围地质条件有关。抗浮桩的单桩承载力较大，一般布置在柱、墙下，其抗浮面积较大，受环境条件、施工条件影响较大，造价较高。当按常规布置柱下桩基不能满足抗浮要求时，需要在抗浮底板下增设抗拔桩。《高层建筑岩土工程勘察规程》中规定：对地下水水位或使用荷载变化较大的地下室宜选用抗浮桩。抗拔桩的抗拔承载力应通过现场抗拔静载荷试验确定。

4.抗浮锚杆法

抗浮锚杆因具有造价低廉、施工方便、受力合理等优点而被广泛使用。但抗浮锚杆的设计、施工和检测还没有专业规范，给抗浮锚杆的应用带来不便。抗浮锚杆分预应力锚杆和非预应力锚杆，普通锚杆只有结构底板发生一定的位移才开始被动受力，适用于水浮力不大且对位移要求低的地下室；当水浮力较大且对位移及渗漏要求较高的地下室应采用预应力锚杆。预应力锚杆初始预加力增加了桩基的负荷，预应力的张拉也须结构达到设计强度后方能进行。

六、结束语

通过对地下建筑结构抗浮设计及措施的相关研究，我们可以发现，引起地下建筑抗浮失效的原因是多方面的。有关人员应该从这些不同方面的原因出发，结合建筑结构的客观实际，研究制定最为科学合理的抗浮技术措施，以提升建筑的稳定性。

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