地下室抗浮设计方法研究

陈志龙

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361015)

地下室抗浮设计方法研究

陈志龙

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361015)

随着地下空间资源不断开发利用，地下室因抗浮不足而造成的工程事故时有发生。文章通过简要分析两个工程案例的事故原因及处理办法，阐述地下室的整体抗浮和局部抗浮的重要性。简要介绍施工阶段及设计阶段的几种抗浮措施及其适用条件。

地下室；抗浮水位；整体抗浮；局部抗浮；抗浮桩；抗浮锚杆

0 引言

改革开放以来，随着经济的快速发展，城市化进程加快，城市地下空间资源的开发利用越来越受重视，很多住宅小区、办公楼区均有修建地下车库以及各种平战结合的人防工程，以及独立的地下商城等。抗浮应引起重视，因为抗浮不足，重则引起建筑物整体上浮，影响结构安全，轻则底板开裂等，后期加固需要很大的代价。本文通过结合工程实例分析，简单的阐述地下室抗浮设计重要性及工程中具体采用的抗浮措施。

1 抗浮不足引起工程事故的实例

1.1 案例一概况

某办公楼地下室面积约28 800m2，3层地下室，建筑物埋深约为12m，上部由一栋塔楼和裙楼组成，结构体系采用框架-剪力墙结构。裙楼部位由于整体抗浮考虑不足，裙楼局部范围整体上浮，引起地下室底板开裂、地下室墙体以及梁柱交接位置的梁端产生45°角裂缝、楼板也产生大量的放射状新裂缝。地下室平面示意图及现场照片如图1～图2所示。

图1 地下室平面示意图

(a)底板开裂(b)柱脚裂缝(c)墙体45°角裂缝(d)梁端裂缝 (e)打孔泄压图2 现场照片

事故原因一：该工程位于临近海边，由于施工期间正值雨季，多日的大雨导致地下室水位不断上升达到历史最高防洪水位，且地表水排水不畅倒灌地下室。在地下室顶板覆土尚未完成回填的情况下，即停止了降水，导致压重不足，雨水倒灌未及时排水，导致浮力上升过快。

事故原因二：抗浮设计时，未根据当地的地理环境及水文条件考虑按历史最高防洪水位来做抗浮设计，尚未留有余量。

处理办法：根据现场观察，不断有新的裂缝产生，而且裂缝拓展速度很快。根据多方讨论方案后，处理办法采用先“放”后“抗”。在地下室底板开孔泄压，泄压后底板面的水深达100mm左右，水压高度达10m之高，泄压后，建筑物开始慢慢沉降，最大沉降约10cm，沉降稳定后，观察底板及梁裂缝开始愈合。为增加整体的抗浮能力，待沉降及结构裂缝稳定后在底板上重新增补锚杆，底板增厚200mm做成叠合底板、增加内防水处理等技术措施加固结构到达“抗”的目的。经加固处理后目前使用情况良好。

1.2 案例二概况

某小区地下室面积约18 000m2，1层地下室，建筑物埋深约4.2m，上部由5栋塔楼组成。由于底板局部抗浮不足造成底板开裂，底板渗水严重，影响了正常功能的使用。地下室平面示意图及现场照片如图3～图4所示。

图3 地下室平面示意图

图4 底板裂缝

事故原因一：该工程底板采用筏板基础，柱底自重大于水浮力产生浮力(1.05倍的设计抗浮水位的浮力标准值)，设计上能满足整体抗浮验算，由于设计人员考虑到整体抗浮满足要求，在计算底板刚度、配筋时未进行水浮力的组合计算，仅考虑上部荷载的工况计算。经复核，底板跨中位置的水浮力大于基底反力，因此造成底板跨中局部位置出现裂缝，引起渗水。

事故原因二：地下室主体施工完成后，由于业主某些原因，该工程停止施工，基坑周边停止降水，后浇带封闭后导致地下室水压超过设计预期，地下室底板隆起开裂。

处理办法：底板裂缝宽度约为0.05mm～0.45mm，根据底板裂缝宽度不同采取不同的处理措施，底板裂缝宽度小于0.2mm且有渗水的裂缝区域，采用改性环氧树脂高压注浆。底板裂缝宽度大于0.2mm且渗水严重的区域，沿裂缝长度方向开U型或V型的槽，预埋灌浆嘴，U型或V型槽用速凝水泥抹平后再用配制好的灌浆料进行高压注浆以封闭裂缝。裂缝区域表面均涂刮渗透结晶体防水材料一遍。

2 抗浮设计中的两个基本概念

通过上述两个案例中发现，在考虑地下室抗浮设计时，一是计算的地下室整体抗浮应满足要求；二是计算的地下室局部抗浮应满足要求。

验算整体抗浮时，一是从整个地下室范围内总恒荷载(包括自重和配重)应大于1.05倍的地下室总水浮力，从宏观上考虑地下室是否满足整体抗浮要求。二是柱或剪力墙的受荷面积范围的恒荷载应大于此范围内的1.05倍的水浮力[2]。当不能满足要求时，需要增加自重或增加配重来满足整体抗浮要求，或是通过设置抗拔桩、抗拔锚杆等措施来满足整体抗浮要求。考虑地下室的整体抗浮，需结合工程实际情况，采取有效、经济的抗浮措施，即应满足结构安全，也应兼顾经济性。

验算局部抗浮时，验算底板的强度、变形及裂缝宽度，均应满足规范要求，而且还应包括验算地下室局部薄弱范围，如多层的裙房部位等，因为大多数的地下室上部有高层塔楼和多层的裙房等组成，因此验算裙房范围的抗浮能力尤为重要。

3 抗浮设防水位的合理取值

抗浮设防水位的取值是地下室抗浮设计中一个决定性的参数，如何合理地取抗浮水位，直接影响水浮力的大小，直接关系着结构主体的安全和工程造价[4]，因此需要对抗浮设防水位认真研究。选取合理的抗浮设防水位，从以下4个因素综合考虑[1]：

(1)主要根据地勘报告。一般地勘报告会提供稳定水位、历史最高水位及建议的抗浮水位。根据地勘报告提供的数据，然后结合工程是否考虑有人防要求。考虑人防要求时，取稳定水位进行人防组合。不考虑人防时，应取历史最高水位或建议的抗浮水位。两者比较后，取不利情况来考虑抗浮计算。

(2)由于场地一般都会有多种土层，有强透水、弱透水、不透水等土层，综合考虑场地的承压水、孔隙水、潜水之间的联系，并通过实测承压水水位考虑其对抗浮设防水位的影响。

(3)当建筑物处于斜坡地段，应区分高地段和低地段的抗浮水位差。

(4)当建筑物处于海边等易受洪水影响的地段，应考虑其历史最高的防洪水位。

4 抗浮技术措施

整体抗浮或局部抗浮验算不满足要求时，可采取相应有效的抗浮措施。

4.1 施工阶段的抗浮措施

根据几个工程的实际案例调查，不少的抗浮事故原因是发生在施工阶段对抗浮未引起重视或未采取有效的抗浮措施。比如：纯地下部位覆土未完成、或上部塔楼未到设计要求可停止降水的层数时即停止降水，极易引起上浮事故。特别应注意，暴雨时的地表水对深基坑的倒灌，形成“脚盆”效应，若未及时采取降水措施，易引起地下室结构抗浮不足而引发的工程事故，应引起足够重视。因此施工期间，主要通过降水井等措施把基坑内的水位降至底板底。地下室结构施工完成后，基坑四周应采用粘性土及时回填并分层夯实，可形成止水层，可有效地防止施工阶段地表水倒灌。待满足停止降水的条件时方可以停止降水。

4.2 设计阶段的几种抗浮措施及适用条件

4.2.1 释放水浮力法

在地下室底板下及四周设置纵横连通的排水盲沟，将基底下的压力水通过释放层中的透水系统(过滤层、导水层)汇集到集水系统，并导流至出水系统后进入水箱或集水坑内，达到预定水位时，再抽出水箱或集水坑内的水，从而释放部分水浮力，以满足地下室整体抗浮及局部抗浮验算。

此方法具有较高的经济效益，但该方法主要适用于抗浮水位较低、地下室底板位于不(弱)透水层，且土质较坚硬的土层。

4.2.2 压重法

增加恒荷载的重量，包括结构的自重和配置。自重可通过增加板厚等自身结构构件的尺寸；配重可通过增加底板上配重材料(可采用低标号混凝土、铁屑混凝土等重材料)、增加底板外伸部分的回填土重量，增加地下室顶板上覆土。在条件允许的情况下，可采用适当增加层数等办法来增加结构的自重以抵抗地下室水浮力的作用。

该方法较适合于建筑物的自重与浮力相差不大时。

4.2.3 设置抗拔桩

抗拔桩是通过桩土之间摩擦力及桩身自重来抗浮，主要布置在柱及剪力墙下兼做抗压桩，抗拔桩的抗拔承载力一般较大，也较容易受环境及施工条件等影响，造价较高。当柱及剪力墙下的抗拔兼抗压桩不满足抗拔要求时，可在抗浮底板下增设纯抗拔桩。设置抗拔桩时，应注意验算桩身的裂缝宽度，其最大裂缝宽度不大于0.2mm 。根据不同场地的腐蚀性，应对桩身采取防腐措施。

设置抗拔桩时的抗浮计算[6]

式中：GK为建筑物自重及压重之和，n为抗拔桩的根数，NK为标准组合计算的基桩抗拔力，NW,K为浮力作用值，KW为抗浮稳定安全系数，一般情况下可取1.05[2]。

抗拔桩按成桩方式的不同，主要有现场灌注桩和预制桩。灌注桩除常规的等截面形式外，还有扩底灌注桩和后注浆灌注桩等。扩底灌注桩和后注浆灌注桩能大幅提高抗拔承载力，适宜于深开挖条件的结构抗浮。灌注桩作为抗拔桩时，桩身要求通长配筋，钢筋锚入承台的长度一般要求大于40d。预制桩作为抗拔桩时，尽量采用单节桩；若需要接桩，应采取可靠的措施保证接头的连接质量，还应注意桩顶与承台的连接构造处理。

抗拔桩作为一种有效的抗浮措施，适用于大部分的地下工程，通常采用点式布置，布置于柱及剪力墙下。抗拔桩主要通过桩土摩擦力提供抗拔力，因此应保证桩基的有效桩长，特别注意采用泥浆护壁的灌注桩时应对其抗拔力进行折减。根据地勘报告选择合理有效的抗浮桩型。

4.2.4 设置抗浮锚杆

抗浮锚杆因施工周期短、施工方便、造价较低、受力合理等优点而被广泛使用，即可用于设计、施工阶段使用，亦可用于因抗浮不足引起的工程事故中的加固处理。

抗浮锚杆依赖于土层与锚固体之间的粘结强度提供抗拔承载力。抗浮锚杆的设计包括承载力计算、杆体截面面积、锚杆数量的计算。对此，可参照文献[3]中详细的计算过程。

抗浮锚杆根据是否施加预应力分为全长粘结型非预应力抗浮锚杆、部分粘结型预应力抗浮锚杆。设计抗浮锚杆需注意的使用条件及构造要求可参考文献[3]。

地下室底板抗浮锚杆的布置一般有3种形式：

(1)当自重与浮力相差不大时，可采用集中点状布置。一般布置于柱、墙下，可考虑上部的自重平衡一部分浮力。纯底板区域应按防水板要求计算强度、配筋，一般底板配筋会较大。

(2)当底板采用梁板结构体系且自重与浮力相差不大时，可采用集中线状布置。锚杆布置于地下室底板梁下，在上部自重受力范围内可考虑自重平衡一部分浮力。纯底板区域应按防水板要求计算强度、配筋，一般底板配筋会较大。

(3)当自重与浮力相差较大时，可考虑面状均匀布置，在地下室底板下均匀布置。由于上部建筑物自重与底板下均布的锚杆是点(线)与面的关系，如何能使点的荷载与面上的荷载共同作用，一是需要底板的刚度足够大，而是通过倒置楼盖的假定计算，才能使上部自重荷载与均布锚杆共同抗浮。而实际大部分工程中，很难达到点(线)与面上的受力能变形协调。因此，对于面状均匀布置的锚杆合理做法应区分两种抗浮区域：一是柱、墙、梁影响区域，充分利用上部建筑物自重进行抗浮。二是纯底板抵抗区域，仅考虑纯底板区域的底板自重及配重进行抗浮。否则，当浮力大于中间纯底板区域的自重时，则因锚杆布置不足导致该区域的锚杆先破坏和失效然后导致自重影响区域范围内的锚杆破坏和失效，而引发上浮事故。

综上，一是自重与浮力相差不大时优先选择集中线状布置，有更好的经济效益[5]；二是自重与浮力相差较大时应区分自重影响区域的抗浮和纯底板区域的抗浮，选择面状均匀布置。

5 结语

地下室整体抗浮或局部抗浮不足引起的地下室工程事故时有发生，设计阶段应结合地勘资料、实际工程的场地条件、当地的环境条件等综合因素考虑地下室抗浮设计及措施，选择合理、经济的抗浮方案。施工阶段应采取有效的抗浮措施，防止施工期间发生上浮事故。

[1]JGJ72-2004高层建筑岩土工程勘察规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[2]GB50007-2011 建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3] 全国民用建筑工程设计技术措施一结构(地基与基础)[M].北京：中国计划出版社，2010．

[4] 李旭平.地下室抗浮设计水位到底如何确定[J].建材世界，2006，27(4)：144-145.

[5] 于岷红，梁立，马志林．某地下室抗浮设计[J]．建筑结构，2012，42(12)：139-142．

[6] 秦海兰，姜善华．地下室抗浮设计与抗浮措施研究综述[J]．江苏建筑，2013(6)：64-65.

Elementary introduction to anti-floating design method of basement

CHENZhilong

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Corp.,Ltd, Xiamen 361004)

With the continuous development and utilization of underground space resources, Because of the lack of anti floating basement, engineering accidents happen frequently.This paper briefly analyzed the accident causes and treatment methods of two engineering cases.The importance of integral anti floating and local anti floating of basement resistance was expounded; Several anti floating measures and their applicable conditions during construction stage and design stage were briefly introduced.

Basement；Anti- floating water level；Whole anti -floating；Local anti- floating；Anti-floating pile；Anti-floating anchor

陈志龙(1982.12- )，男，工程师。

E-mail:512983457@qq.com

2017-05-25

TU318

A

1004-6135(2017)09-0040-04