建筑基础抗浮设计中的关键性问题

张忠良

摘要：地下室因水浮力而造成结构整体上浮或地下室底板局部隆起等工程事故频频发生，给人们的经济财产造成了较大的损失。本文对此进行了研究和分析，得出导致事故发生的主要因素，即抗浮设计基本概念不清楚、抗浮水位的确定不清楚、参数选取不正确、锚杆抗浮传力途径不正确以及抗浮施工不正确等。

关键词：主题词：地下室，整体抗浮，局部抗浮，传力途径，锚杆

中图分类号：U455文献标识码： A

随着地下空间的开发与利用，许多建筑物的地下室因地下水的问题处理不当而造成严重工程事故，给我们造成造成了巨大的经济损失。本文就这些事故的原因归纳总结为以下四个方面，希望能抛砖引玉。

一、基础抗浮设计的基本概念

对多个因水浮力作用而引发的地下室工程亊故研究和分析，不难发现有些结构设计人员对地下水的作用认识不足，抗浮设计的基本概念与原理不够清晰。常见的可以归纳为下列几种情况：

1）忽视整体抗浮设计与验算；

2）错误判断裂缝产生原因；

3）错误的采用止水帷幕等支护、降水措施。

水之浮力巨大，万吨级货轮都能在海上、江河中航行。可以把地下室当作一条“船”，地下室底板和侧墙就形成一个密闭的船身，那么水浮力有多少呢？这是一个极其简单的中学物理题，，即是它浸泡在水中的体积乘以水重度。地下室的抗浮设计原则：要使地下室这个船既不上浮，船身又不被破坏。因此，地下室的抗浮设计必须进行整体抗浮、局部抗浮验算、裂缝和挠度验算。

地下室整体抗浮常用做法有三类，一为“压”，二为“拉”，三为“拉压”结合。 保证抗浮力（压重+抗拉力）大于水的总浮力，即

局部抗浮验算、构件的裂缝和挠度验算，应包括：梁板墙柱结构构件的强度验算、变形验算和裂缝验算和局部的抗浮验算。

当有些结构设计人员对上述最基本的概念还不够清晰，可能给地下室结构带来严重的破坏，将难以修复；或者就会出现底板隆起、造成地下室及上部结构局部范围内的破坏；甚至容易造成底板产生裂缝而严重漏水，形成“地下水池”。

更需要注意的是，有些结构设计人员和施工人员对地表水作用认识不足，当地下室地基为不透水的岩土层、而基坑支护又严密的时候，一般认为不存在水的浮力，因此造成施工或使用期间地下室上浮破坏的盲期，一旦暴雨来临，雨水流入基坑形成“脚盆”效应，即基坑是 “大脚盆”，地下室是“小脚盆”。施工期间一旦不能及时采取降水措施就会让“小脚盆”浮起，使用期间若不将基坑四周的回填土采用粘性土分层夯实形成止水层，也同样会出现“脚盆”效应。

另外，有些结构设计人员和施工人员忽视施工对地下室抗浮的重要性，施工设计图纸对施工时抗浮措施的要求不予注明，施工人员在施工过程中没有关注降水，没有采取降水措施或在抗浮结构还未达到设计预定目标时就停止降水，导致在施工期间产生地下室整体上浮事故时有发生，产生上述现象的主要原因除缺少经验外，主要是对我国现行的技术规范与标准，规定不了解。综上所述，结构设计人员在进行工程的抗浮设计时，要做到以下三个步骤：

1）仔细研读地勘报告；

2）进行整体抗浮和局部抗浮验算，并提出施工的抗浮措施和降水措施；

3）对存在“脚盆”效应的结构进行分析，并有相应措施。

二、抗浮水位的确定

地勘单位在提供的地勘报告中，地下室的抗浮水位不严谨，而结构设计人员又缺乏对地勘报告的认真研读和分析，表现出如下四种：

1）地勘报告未明确抗浮水位，只描述钻孔时的可见水位；

2）临近江河且又具有透水层的建筑场地，只按一般场地提出抗浮水位，未考虑设计使用年限的江河最高洪水位的影响。

3）根据业主节约投资的需要，或者业主要求增设地下室后，原地勘报告无抗浮水位的参数，又未进行补勘，就随意修改或确定抗浮水位。

4）对于坡地建筑，提供抗浮水位远高于设计的地坪标高，结构设计人员未进行认真分析而造成浪费。

在四种情况中，前3种情况会导致地下室因抗浮能力不够而使结构破坏，第4种会导致不合理设计，增大工程投资成本，造成不必要的资源浪费。

此外，结构设计人员对如下特殊情况还应进行必要的分析和论证：

（1）地下水条件复杂、变化幅度大、排泄条件和区域性补给可能有较大改变或工程需要时，应进行专门论证；

（2）斜坡地段的地下室或可能产生明显水头差的场地地下室进行抗浮设计时，应考虑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，不能笼统的采用地勘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。水往低处流，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位置；

（3）在有水压差的江、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抗浮水位；

（4）雨水丰富的南方地区，尤其应注意因地面标高发生变化后对原地勘报告抗浮水位的修正，防止产生地表水聚集效应而造成地下室的破坏。

三、基础抗浮验算参数的选取

浮力的分项系数和抗力的分项系数，以及抗浮锚杆抗拉工作条件系数、抗拉设计强度如何取值等，目前在地下室抗浮设计中是没有统一确定的观点。

1. 我国众多规范对水浮力和抵抗力的分项系数取值各有不同，造成结构设计人员取值混乱。

2. 锚杆抗浮系数和锚杆钢筋取值

抗浮锚杆钢筋截面面积计算在现行的规范中无明确规定，因此设计院就不同的方法，主要有以下两种设计公式。

第1种，采用《钢筋混凝土结构设计规范》正截面受拉承载力计算公式：

第2种，采用《建筑边坡工程技术规范》锚杆钢筋截面面积的计算公式：

四、抗浮锚杆验算传力途径的设计

目前地下室采用锚杆抗浮设计主要有下列2种方法：

1）上部结构自重不满足整体抗浮要求，采用锚杆抗浮。其计算公式为：。具体做法：底板下（连柱底或砼墙下）满铺锚杆，水浮力全部由锚杆承担，不考虑上部建筑自重和地下室自重，保守且不经济。

2）利用上部结构自重和锚杆共同抗浮，其计算公式为：。具体做法：将锚杆均匀分布在底板下（包括柱底或砼墙下），锚杆间距依据底部面积除所需锚杆根数来确定。

上面两种抗浮设计方法，都有传力途径不清晰的错误。从理论上说，不管采用“压”还是“拉”的方法抵抗水浮力，水的浮力是均匀作用在基础底板上，而结构抗浮力作用（除底板自重外）是不均匀性，在整个地下室底板区域不均匀分布，可能是集中在一点上（即柱、桩和锚杆）或一条线上（即墙、梁），因此，分析传力途径极为重要。

正确做法是：抗浮力与水浮力平衡计算应分为两种区域：柱、墙、梁影响区域与底板抵抗区域。纯底板抵抗区域的计算公式：；而柱、墙、梁影响区域应充分利用上部结构自重进行抗浮，验算传递的上部结构自重是否能平衡该区域的水浮力，此外，还应验算在水浮力作用下梁强度、裂缝和挠度能否满足要求。

计算方法可分解为以下四个方面：

1）在柱、墙、梁影响区域中：。

2）靠近梁、墙的第一排锚杆：锚杆的从属宽度b0应是梁、墙传递建筑自重影响区域的宽度b，因为每根锚杆的抵抗面积有限，当上部自重较大时，为了充分利用该部分自重，可以加密靠近地梁第一排锚杆的间距。

3）纯底板抵抗区域的计算方法是：。

4）第一排锚杆和第二排锚杆的间距。

参考文献：

[1]朱炳寅.建筑地基基础设计方法及实例分析[M].中国建筑工业出版社.2007-12

[2]郭继武.建筑地基基础设计及工程应用[M].中国建筑工业出版社 .2008-08

[3]沈小克.地下水与结构抗浮[M].中国建筑工业出版社 .2013-11