建筑物抗浮设防水位及浮力的计算

王利刚 翟 勇 张维秀

中国石油集团东北炼化工程公司吉林设计院 吉林 132002

建筑物抗浮设防水位及浮力的计算

王利刚*翟 勇 张维秀

中国石油集团东北炼化工程公司吉林设计院 吉林 132002

高层建筑地下停车场、地下商店、下沉式广场以及城市公共管廊等近年来在城市中大量兴建，其特征是“超补偿式基础”，建筑面积大，基坑开挖深，挖土卸载大，而结构自身荷载相对较小，在地下水位较高时，抗浮成了重要问题。而抗浮设计是一个复杂的综合性课题，国家标准对如何确定抗浮设防水位的规定是原则性和指导性的，其取值过高或过低将直接影响地下工程的经济性和安全性[1,2,3]。本文对几本标准对地下水抗浮计算原则、地方标准抗浮设防水位确定方法进行阐述和对比，结合一些学者的研究成果和观点对抗浮设防水位的确定方法及水头折减等问题进行探讨。

抗浮 设防水位 浮力计算

1 国家标准对地下水位的规定

(1)《高层建筑岩土工程勘察规程》定义的“抗浮设防水位”：“地下室抗浮评价计算所需的保证设防安全和经济合理的场地地下水位”。该规程第8.6.2条：有长期观测资料时，抗浮设防水位可取实测最高水位；无长期观测资料时，抗浮设防水位按勘察期实测最高稳定水位并结合地形地貌、地下水补给、排泄条件等因素综合确定。第8.6.5 条：稳定地下水位作用下的浮力应按静水压力计算，在粘土地基中临时高水位浮力可按当地经验适当折减。条文说明指出：因为地下室所受浮力是永久荷载，不因粘土渗透性差而减小，既使底板与基岩直接接触的情况下，由于节理裂隙的存在及基础与基岩间也存在微裂隙，静水压力也不宜折减。

(2)《岩土工程勘察规范》第4.1.13条：对重要工程需论证使用期间地下水位变化，需提出抗浮设防水位时应进行专门研究。第7.3.2条条文说明：静水环境中可用阿基米德原理计算。在透水性较好的土层或节理裂隙发育的岩基中，计算结果即为浮力；对渗透系数低的粘土，上述原理也是适用的，但由于渗透过程的复杂性，粘土中基础所受浮力往往小于水柱高度。

(3)《建筑地基基础设计规范》第3.0.4条：岩土工程勘察报告应提供地下水埋藏情况、类型、水位变化幅度及规律，需要时应提供计算地下水浮力的设防水位。第5.4.3条及说明：简单浮力作用情况浮力可采用阿基米德原理计算，抗浮安全系数可取1.05。

2 地方标准对地下水位的规定

(1)《南京地区建筑地基基础设计规范》第4.5.1条：应提供稳定的地下水位及变化幅度，需进行抗浮验算时尚应提供抗浮水位。第9.2.4条：浮力按岩土工程勘察报告抗浮设计水位计算，地下室抗浮验算最小抗浮安全系数取1.0。

(2)《辽宁省建筑地基基础设计规范》第4.7.7条第4款：应结合工程条件和水文地质条件提供抗浮设防水位。一般潜水可取历史最高水位，承压水取实测水头，上层滞水、岩石裂隙水应根据排泄、补给条件综合确定。第5.4.4条及说明：浮力应按静水压力计算，在粘土地基或岩石地基的情况下也不宜折减，因为地下水浮力是永久荷载，不因粘性土或岩石的渗透性差而减小，抗浮安全系数取1.05。

(3)《广东省建筑地基基础设计规范》第5.1.4条：抗浮设防水位应取设计使用期内可能产生的最高水位。条文说明：勘察报告未提供地下水的最高水位时，设防水位可取建筑物室外地坪标高。第5.1.4条：不应对地下水水头进行折减；基底承受的水压力应按全水头计算。第5.2.1条：抗浮安全系数取1.0。

可见，国家规范对抗浮设防水位的规定是原则性和指导性的，未明确给出抗浮设防水位取值依据。地方规范对抗浮设防水位的确定存在着较大差别，尤其是《广东省建筑地基基础设计规范》明显高于其他规范。这就要求工程技术人员以区域水文地质条件为基础，根据地下水类型、水位及其变化、补给和排泄条件等因素进行综合评价，提供安全合理的抗浮设防水位。因此讨论抗浮设防水位如何取值、存在多层地下水时如何取值以及抗浮水头能否折减等问题，对工程经济安全性意义重大。

3 专家观点

(1) 张思远指出：当基底位于台地潜水、层间潜水或承压水土层中，浮力直接由该层地下水最高水位标高确定，当基底位于两含水层间的弱透水层时，浮力应根据上下层最高水位衰减到达基底标高后的水位确定。以勘察期最高水位与年变幅及由意外造成的地下水位上升之和作为抗浮设防水位。提出对施工开挖造成各层地下水连通，可通过对肥槽处理等措施加以解决[10]。

(2) 张旷成、丘建金认为：受钻探、开挖、回填的影响，场地各层地下水实际已经连通，因而场地抗浮设防水位是唯一的，应按最高水位来确定抗浮设防水位。多层地下水情况下，层间潜水和承压水一般不超过第一潜水层的最高水位，可以第一潜水层最高水位作为抗浮设防水位。砂石等强透水层中以静水压力计算浮力，在渗透系数≤0.5m/d的弱透水层应根据渗流分析进行折减[11]。

(3) 周笑认为：无论基底处于含水层还是隔离层，由于钻探和施工原因，各层地下水存在着水利联系，应按各层混合最高地下水位作为场地最高水位，再酌情考虑抗浮设防水位[12]。

(4) 李广信认为：地下室在浮力作用下向上、挡土墙在水土压力作用下向前的位移趋势会产生负超静孔隙水压力，使孔压值低于静水压力[13]。

(5) 黄志仑、马金普等提出：不存在唯一的场地抗浮设防水位，基底位于哪一层地下水中，该层地下水的最高水位就是该建筑物的抗浮设防水位[14]。

(6) 何翠香认为：在多层地下水情况下应分层考虑抗浮设防水位。在渗透过程中地下水要消耗一定的水力梯度；在存在多层地下水的情况下，由于渗流场竖向渗流分项的存在，水压力沿深度方向的增量是非线性的，一般过高计算了基底水压力。地基所受浮力远小于静水压力，其折减系数可高达0.65[15]。

(7) 田微认为：对于渗透性好的土层可采用静水压力，对于渗透性差的土层可以折减，并根据土层给出了0.5-1.0的折减系数[16]。

(8) 张维秀、姜洪波等认为：在分项系数取值上，不应简单地按可变荷载或永久荷载。当采用最高水位和静水压力计算浮力时，荷载分项系数取1.0是经济合理的[17,18]。

(9) 魏建军针对地下水与基底相对位置，分别分析计算每层地下水作用水头[19]。

4 抗浮设防水位的确定

4.1 上层滞水浮力问题

上层滞水为包气带中局部隔水层之上积聚的具有自由水面的重力水。分布不稳定，具有不连通性，没有明确的含水层，不具备连续的自由水面，是暂时性水。由于上层滞水的上述特点，不应以上层滞水最高水位作为场地抗浮设防水位，不考虑上层滞水浮力。但当上层滞水遍布整个场地，面积很大时应考虑其浮力作用。特别是当部分建筑基坑施工完成后，因未经过有组织的侧壁回填，会形成上层滞水与潜水面之间的水利联系。对于老城区内存在季节性补给源的上层滞水，一旦与下部潜水形成径流联系，抗浮设计应采用上层滞水的水位值。

4.2 某层地下水最高水位的确定

某层地下水最高水位为勘察期该层地下水最高水位与其年变幅和意外补给上升值之和：

h=h1+h2+h3

(1)

式中,h为某层地下水最高水位，m；h1为勘察期该层地下水最高水位，m；h2为该层地下水位的年变化幅，m；h3为意外补给上升值，m。

4.3 具有多层地下水时抗浮设防水位的确定[20]

建筑场地存在多层地下水情况下，抗浮设防水位取决于基底地下水最高水位，按公式(1)分别确定各层地下水最高水位后，按表1确定基底抗浮设防水位。为防止各层地下水串通，需对肥槽采取碾压回填粘性土等措施进行处理。

表1 基底与各层地下水的关系

注：(1)编号3中公式符号说明：h为设防水位水头，m；h1为承压水水头，m；H1为基底至下部承压水顶距离，m；H为隔水层厚度，m。

(2)编号5中公式符号说明：h为设防水位水头，m；h1为潜水水头，m；h2为承压水水头，m；H1为基底至潜水层顶距离，m；H为潜水层厚度，m。取二式计算结果的较大值。

5 工程实例[10,19]

某工程为地上五层，地下四层建筑。勘察处于丰水期。该场地有三层地下水：第一层台地潜水水位标高h1为29.25～35.82m，年变幅h2为2～3m；第二层层间潜水水位标高h1为21.12～23.40m，年变幅h2为1～2m；第三层承压水水位标高h1为16.43～19.12m，年变幅h2为4～5m。台地潜水层与层间潜水层之间以及层间潜水层与承压水层之间均存在有厚度大于5m的弱透水层。建筑物基底标高19.50m，坐落在层间潜水层。场地地面标高36～37m，场地地下水历年最高水位为35.50m。因勘察处于丰水期，偏于安全取半个年变幅。根据观测资料，最不利情况该区域水位意外补给上升近4 m，层间潜水取承压水水位增幅的一半，台地潜水增幅为0。场地各层地下水最高水位如下：

台地潜水：

35.82+3÷2+0=37.32 m

层间潜水：

23.40+2÷2+2=26.40 m

承压水：

19.12+5÷2+4=25.62 m

该工程基底与地下水层关系符合表1中的编号1，水头不应折减，抗浮设防水位即为潜水最高水位26.40m。而若简单取历年最高水位35.5m为抗浮设防水位将造成不必要的浪费，并给工程设计带来巨大的困难。

6 结语

(1)上层滞水是地表水和地下水的过渡带，不具备连续自由水面，是暂时性水，分布不稳定，一般不应以上层滞水的最高水位作为场地抗浮设防水位。当上层滞水面积很大，遍布整个场地，应考虑其浮力作用。

(2)某层地下水的最高水位为该层地下水勘察最高水位与年变幅及意外补给上升值三者之和。

(3)存在多层地下水时应分别确定各层地下水最高水位，抗浮设防水位由各层地下水最高水位经渗流计算到达基底处的最大值确定。

(4)对于浮力计算，在分项系数取值上，不应简单地按可变荷载或永久荷载。当采用静水压力和最高水位计算浮力时，分项系数取1.0是比较经济合理的。

(5) 对多层地下水情况，按综合确定抗浮设防水位进行设计时，应对肥槽进行处理，防止各层地下水串通造成隐患。

1 王宇阳，王宁伟. 地下车库上浮失稳研究与加固[J].水利与建筑工程学报，2014(2).

2 敖国碧. 某工程施工期地下室上浮破坏的处理措施研究[J].西部探矿工程，2014(4).

3 梁俊勋. 卢玉南等.南宁市某地下车库上浮开裂原因分析[J].施工技术2014(6).

4 JGJ 72—2004，高层建筑岩土工程勘察规程[S].

5 GB 50021—2001，岩土工程勘察规范(2009版)[S].

6 GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].

7 DBJ/J.12-2005，南京地区建筑地基基础设计规范[S].

8 DB21/T 907-2015，辽宁省建筑地基基础设计规范[S].

9 DBJ 15-31-2003，广东省建筑地基基础设计规范[S].

10 张思远. 在确定建筑物基础抗浮设防水位时应注意的一些问题[J].岩土工程技术，2004(5).

11 张旷成, 邱建金. 关于抗浮设防水位及浮力计算问题[J].岩土工程技术，2007(1).

12 周笑. 浅谈抗浮设防水位[J].福建建筑，2013(3).

13 李广信. 浮力计算与粘土中的有效应力原理[J]. 岩土工程技术，2003(2).

14 黄志仑,马金普等. 关于多层地下水情况下的抗浮水位[J]. 岩土工程技术，2005(5).

15 何翠香. 如何确定北京地铁工程的抗浮设防水位[J].工程勘察，2010(1)增刊.

16 田微. 地下结构水浮力的受力机理与计算方法研究[J].建筑技术，2013(6).

17 张维秀、王雪飞等.地下水位与结构计算[J].工程建设，2009(1).

18 张维秀.姜洪波等.地下水位与结构计算存在的问题[J].石油化工设计，2008(2).

19 魏建军.地下结构抗浮设防水位与浮力计算诌议[J].四川建筑科学研究，2010(6).

20 张维秀.朴东杰等.抗浮设防水位问题的探讨[J].石油化工设计，2016(4).

2017-02-16)

*王利刚：高级工程师。1992年毕业于中国地质大学(武汉)水文地质与工程地质专业。一直从事勘察设计与环保科研工作。 联系电话：(0432)63985115，Email：jly_wlg0436@petrochina.com.cn。