地下工程抗浮设计的综合影响因素

周艳，姜晓周

(安徽省地质矿产勘查局313地质队， 安徽六安 237010 )

0 引言

随着城市对地下空间的利用日益增多，不少城市的地下三层或多层纯地下建筑工程已经不少见，工程勘察实践中经常遇到地下建筑进入不透水层，且地下水位变化较大，因此地下工程抗浮问题已是不容忽视的重要课题。不同地区工程地质、水文地质和岩土的差异性对地下工程抗浮设计影响很大。综合考虑地下水的浮力作用对建筑结构安全的影响是工程设计应该考虑的重要影响因素。

1 地下工程抗浮设计的必要性

近年来，有不少地下建筑因地下水的作用而造成工程事故，强大的地下水浮力作用往往会造成地下室底板开裂，严重时影响基础和结构稳定性。地基位于受地下水位影响的地下建（构）筑物设计要考虑抗浮力验算数据。结构抗浮验算与地下水的性状、水压力和浮力、地下水位变化的影响因素及意外补水有关。

在工程实践中，有不少地下建筑因地下水的作用而造成工程事故：

案例一：六安某污水处理站，由于基础坐落在砂层上，常年地下水位较高，结构设计采用为压重抗浮。该地下工程于2017年4月开挖基坑，未进行井点降水，8月份主体完成时正值雨季，施工单位也未采取其它抗浮措施，雨季时整体上浮漂移。

事故原因分析：该工程地处砂层上，常年地下水位较高，加上抗浮措施不到位，雨季积水引起整体上浮。

案例二：安徽某医院基坑深度5.6m。地下稳定水位标高4.1～9.6m，医院基础回填期间一直进行降排水，地下水位稳定于抗浮设计水位以下。回填后停止降排水，导致地下水水位上升，引起底板南侧上浮，不久发现底板大面积开裂。

事故原因分析：设计对抗浮水位取值较低，底板配筋率低，局部抗浮承载力不足，停止降排水后水位上升超过设计抗浮水位，引起底板局部上浮。

类似工程事故在不同地区，不同类型的地下建筑工程中都有发生，有的造成了较大安全隐患，有的造成不同程度的财产损失，也引起社会各界关注和专业部门的研究，相关规范、标准也在补充和完善之中。地下水作用对建筑结构安全的影响是很大的，而场地的水文地质和工程地质情况是不同的、复杂的。所以摸清场地情况，综合研究地下水作用对工程勘察深度和重点提出了新的要求。

2 地下水浮力的形成

2.1 地下水相关概念

（1）上层滞水：是指埋藏他地表浅处，局部隔水透镜体的上部，且具有自由水面的地下水。它的分布范围有限，其来源主要是由大气降水补给。因此，它的动态变化，与气候、隔水透镜体厚度及分布范围等因素有关。

（2）潜水：埋藏在地表以下第一稳定隔水层以上的具有自由水面的地下水称为潜水。潜水的自由表面承受大气压力，受气候条件影响，季节性变化明显。春夏季多雨，水位上升，冬季少雨水位下降。潜水主要分布在地表各种岩、土里，多数存在第四纪松散沉积岩中，坚硬的沉积岩、岩浆岩和变质岩的裂隙和洞穴也有潜水分布。潜水面随时间而变化，其形状随地形的不同而异，此外潜水面的形状也和含水层的透水性及不透水层底板形状有关。潜水面接近地表，可形成泉。当地表河流的河床与潜水含水层有水力联系时，河水可以补给潜水，潜水也可补给河流，潜水是动态变化的。人为因素的影响如新修水利，大面积灌溉和疏干与基坑开挖等都可能改变潜水的动态，掌握动态变化也是工程勘察的任务。

（3）承压水：承压水是指充满在两个稳定的不透水层之间的含水层中的地下水。它承受一定的静水压力，又称自由水。由于地下水限制在两个不透水层之间，因而承压水具有一定压力，特别是含水层透水性愈好，压力愈大，在地面打井至承压水层时，水便在井中上升甚至喷出地表，形成所谓上升泉水。由于承压水的上面存在隔水顶板的作用，它的埋藏区与地表补给区不一致。因此，承压水的动态稳定，受局部气候因素影响不明显。承压水的形成与所在地区的地质构造及沉积条件有密切关系。只要有适宜的地质构造条件，地下水都可以形成承压水（图1）。

图1 地下水示意图Fig.2 Schematic diagram of groundwater

（4）裂隙水：埋藏在基岩裂隙中的地下水叫裂隙水，水位变化较大，这与裂隙发育及其成因有密切关系。裂隙水按照基岩裂隙成因分类有：风化裂隙水、成岩裂隙水、构造裂隙水。

（5）岩溶水：赋存和运移于可溶岩的溶隙溶洞（洞穴、管道、暗河）中的地下水叫岩溶水。在溶岩地区溶岩水对地下工程影响非常大，勘察工作必须弄清溶岩水的分布规律。

2.2 地下水产生浮力的条件

存在于岩土中的液态水可分为结合水和自由水两类，结合水与土粒表面牢固地黏结在一起，不能自由移动，不能传递压力，因此，它不会对土粒产生浮力。自由水在土粒影响范围以外，能传递静力压力，有溶解能力。其中的重力水可以自由运动，对土粒有浮力作用。

因此，只要地下工程底板下有重力水，且水位高于地下工程底板时，地下工程才会受到浮力。当地下水位很低，在地下工程底板以下或上层滞水水位较高，在地下工程底板处以上时，地下工程不会受到浮力，即使地下工程底板周围有地下水，但四周均有不透水土层隔离时，也不会产生浮力。

2.3 地下工程在浮力作用下的应力状态

建筑物通过地下工程将荷载作用于地基上，地基土产生反力，在正常状态下，两者保持平衡，结构荷载=基底反力。

当地下水位的上升，地下工程底板产生浮力，地基反力减小，根据力学平衡条件，结构荷载=基底反力+浮力。

随着浮力的增大，基底反力逐渐减小，当浮力小于结构荷载时，结构抗浮满足要求。当浮力继续增大，直至等于大于结构荷载时，基底反力等于零，地下工程的结构抗浮不满足要求，需采取其它抗浮措施才能满足建筑结构安全。

3 地下工程抗浮设计影响因素

为了满足地下工程抗浮设计的要求，使抗浮方案和措施安全可靠、技术先进、经济合理、施工方便，工程勘察工作的深度必须满足抗浮设计要求，必须查清场地：地下水最高水位、地下水的类型和渗透性、岩土特征（产状、岩性等）、裂隙或破碎带特征等水文地质和工程地质情况，为地下工程抗浮设计提供参考。

3.1 地下水最高水位

在计算地下水浮力时，地下水最高水位的确定对浮力的计算起关键作用，直接决定了水浮力的大小，决定了抗浮方案和措施，以及建筑构件局部抗浮时基础底板的厚度和基础梁的规格。在工程勘察实践中地下水位的取值原则依据《高层建筑岩土工程勘察规程》（JGJ 72-2004）规定：“场地地下水抗浮设防水位的综合确定宜符合下列规定：

（1）若有长期水文观测资料或历史水位记录时，浮力的计算可取历史最高水位；若无长期水文观测资料或历史水位记录时，按勘察期间实测最高稳定水位并结合场地地形地貌、地下水补给、排泄条件等因素综合确定，浮力计算可取历史最高水位；

（2）场地有承压水且承压水与潜水有水力联系时，应按承压水和潜水的混合最高水位计算；

（3）只考虑施工期间的抗浮设防时，抗浮设防水位可按一个水文年的最高水位确定；

（4）在无动水压力及承压水时，最高水位不宜超过地下工程顶板面标高。

情况复杂时需要组织专家论证，来确定地下水最高水位。

3.2 地下水类型

上层滞水、潜水和承压水分布特征和渗透性是工程勘察的重要任务，当地下工程结构底板位于潜水层、或穿过不透水层（隔水层）进入潜水层，或穿过不透水层进入承压水层，底板所受的水浮力是不同的。实际中可能出现以下几种情况：

（1）地下工程结构底板位于上部潜水中；

（2）地下工程结构底板位于上部不透水层中；

（3）地下工程结构底板穿过上部潜水层持力于下部不透水层；

（4）地下工程结构底板穿过不透水层位于潜水层中；

（5）地下工程结构底板穿过潜水层持力于不透水层中；

（6）地下工程结构底板穿过潜水层、不透水层持力于下部承压水中。

工程勘察过程中必须搞清楚地下工程所处的地下水类型，准确计算地下水浮力，为设计抗浮方案和措施提供科学依据。

3.3 岩土特征和渗透性确定

（1）岩性特征：坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩等应准确区分、持力层的确定，以及岩土的渗透性确定，也是工程勘察工作的重要任务。

岩土特征是抗拔锚杆的设计类型、有效锚固长度、锚杆间距、锚固锚束等确定的重要依据。

（2）岩土的渗透性：岩土的渗透性是指地下水通过岩土颗粒之间的孔隙流动，土体可被水透过的性质称为岩土的渗透性，不同性质的岩土渗透性是不同的，渗透性的确定是判定是否存在地下渗流作用的依据，如果岩土渗透性好，地下结构底板穿过上部潜水层持力于不透水层必须计算潜水的渗流作用。

3.4 场地的破碎带、裂隙的特征及分布规律

破碎带和裂隙的的存在直接改变地下水浮力的作用一般特征，破碎带和裂隙部位地下水压力大、出水量足，抗浮设计必须设计局部抗浮措施。同时，如果破碎带或裂隙与河湖相通、出露地表，将改变了地下水的补给方式，受季节性降水影响明显，直接影响地下最高水位的确定。因此，破碎带和裂隙分布规律可根据需要在基坑开挖到一定阶段进行补充勘察，最大限度的查明特殊的工程地质条件，为抗浮设计的科学性、经济性决策提供依据。

4 结论

一般情况，某一地区的地下水系统具有一定的规律性，抗浮设计对地下水的最高水位确定的各种规定反应了最高水位的动态变化特点，随着地下工程建筑结构底板的标高不同，场地工程地质的特点不同，以及周边地下（房建、市政）工程的影响，最高水位的确定、局部或整体抗浮方案（措施）等都需要综合考虑各种影响因素，工程勘察工作深度必须满足上述要求。