浅谈地下室抗浮设计中的措施选择

2020-02-20邱慧芳

建材与装饰 2020年12期

邱慧芳

（中国建筑上海设计研究院有限公司上海 200000）

0 引言

随着经济发展，城市不断扩张；随着人民生活水平的不断提高，对居住环境和休闲娱乐环境的要求也越来越高；城市化的不断推进，城市土地更是寸土寸金，无论是高度还是深度都越来越极致。因此城市地下空间正在发挥越来越大的价值，地下室抗浮设计已经成为工程师必须面临的设计问题之一。近年来，因为对地下水浮力的估计不足或施工措施采用不当而引起的地下室抗浮问题屡有出现，因此合理估计抗浮水位，根据实际情况合理准确的进行抗浮设计具有重要意义。

1 地下室抗浮的基本概念

在地下室的抗浮验算中，首先应该根据地勘报告确定合理的抗浮设计水位，如果估计过高，则极易造成工程设计上的浪费，估计过低，则会严重影响建筑物的使用安全。因此在实际工程中，勘察与设计双方应该加强沟通，对变化的地下水位进行全面的考虑，尤其降水较多的雨季更应注意，临近河道的建筑还要考虑河道丰水期河水上涨引发的抗浮水位变化，以及本区域的土层性质等等因素，应该引起设计与勘察人员的足够重视。

针对地下室抗浮设计，国家规范和地方规范均提出了不同的要求，应根据工程所在地及具体情况执行相应的规定。其中，地基基础规范规定建筑物自重和压重标准值需满足1.05倍浮力作用标准值，才能保证结构不发生整体上浮，一般多高层建筑基本满足，而低层建筑和纯地下部分则可能不满足，需要根据计算结果采取相应措施。局部抗浮主要是防水板在水浮力作用下发生较大裂缝或者变形，向上的位移过大而影响结构使用功能或安全。此时可以采取增加结构刚度的措施。

2 地下室抗浮的几种情况

人们通常认为自重动辄上万吨的地下室不可能浮起来，但现实却是每年都存在因为抗浮而引发的工程问题，因此需要引起我们足够的重视。一般情况下，抗浮总体上分三种情况：

（1）施工过程中的抗浮：此时主要是已建成建筑物本身的自重来抵抗向上的水浮力。当结构主体已经完工，但是结构覆土和基坑回填尚未完成时，此时主体结构遭遇较大降水时，因为压重仅为结构自重，缺少覆土，缺少回填土对结构外墙的有效摩擦阻力，极易引发抗浮安全问题，导致地下结构上浮或倾斜。与此类似的情况还有，已完成部分的自重不能完全抵消地下水的浮力时就撤出了降水措施导致地下建（构）筑物的上浮或偏斜。例如，南京某小区一单建式地下室，地下一层，框架结构，在施工过程中，恰逢雨季，虽然地下室顶板已全部施工完毕，但顶板覆土未完成，加上施工过程中施工单位对地下水影响的严重性认识不足，未按设计要求施工而导致地下室上浮，部分柱跨的钢筋混凝土柱产生剪切压弯破坏现象。

（2）建成后的抗浮：其主要考虑建筑物的自重（恒荷载）、有效覆土、使用荷载等作为向下的力能否平衡向上的水浮力，即整体抗浮的问题。此种情况一般在设计时考虑的比较充分，受力也相对明确。关键在于设计中要根据地勘报告和当地工程实际情况来确定合理的设计抗浮水位，同时设计中应全面考虑使用过程中的各种情况，留有一定的抗浮设计余量，满足规范要求。

（3）局部的抗浮：其主要考虑地下室防水板的抗力能否大于浮力产生的效应，即局部抗浮的问题。在水浮力较大处，不能只验算强度而不进行变形裂缝核算，尤其要注意核算防水板的位移裂缝，局部抗浮不足会造成底板裂缝，漏水严重，进而造成破坏，此种情况主要是通过设计计算阶段计算构件配筋来解决。

3 抗浮设计中的主要措施

城市高层建筑附设的大型地下车库、地下商场等都普遍存在抗浮问题，地下室抗浮设计必须满足整体抗浮和局部抗浮，为防止地下室抗浮我们通常采取以下几种做法：

3.1 增加压重

增加压重，顾名思义就是利用建筑物自重来平衡水浮力，一般当自重与水浮力相差较小时多采用，此时可以增加基础底板厚度、通过采用强度等级较低的混凝土来增加配重、将地下室底板向外延伸形成翼板或者增加覆土厚度来保证压重满足要求等方法；可以根据场地规模、建筑埋深、工程量等方面酌情选择合理措施。若自重与水浮力相差较大，此种方法则使结构建筑物显得笨重粗糙，显著增加工程造价，不宜采用。

3.2 增加拉力

增加拉力则主要是设置抗拔桩或抗拔锚杆等，强制拉住建筑物防止其上浮；目前设置抗拔桩是工程设计中应用最为广泛的抗浮方案，尤其对于面积较大带上部结构的公共建筑，因为上部有大面积开洞或者影院中庭等结构，导致部分基础底板不仅承受向下的压力，还承受较大向上的水浮力，但究竟压力控制还是浮力控制却根据上部结构位置并不统一，此时抗压抗拔桩就显示出优势，不仅具有较强的抗压强度，还能兼顾抗拔使用。

设置抗浮锚杆能够将结构整体布局进行合理布置，能够防止裂缝现象的出现，并且能够防止底板产生变形情况。与其他抗浮措施相比，此方法具有工期短、造价低、节省材料等优点。但施工过程中由于整体上部结构荷载及变形情况较为复杂，锚杆及上部结构相互作用，实际水浮力进行均匀布置时所用方案过于简单，特别针对大面积地下室且高层塔楼位置较偏的情况，将锚杆进行均匀布置时方法的假设情况与实际设计情况相差较大，所以不能将实际变形情况及受力情况进行准确反映，所以锚杆能否进行较为合理、经济的设置，需要根据工程情况及工程造价全面考量。

3.3 拉压并举

拉压并举则是在增加配重的基础下仍不满足抗浮要求而设置抗拔桩或锚杆的措施。此时一般水浮力非常大，限制于工程实际情况，单一方法无法满足抗浮要求，一般工程中应用较少。

3.4 降水抗浮

降水抗浮指在结构四周及基底预先修建降水盲沟，建筑物投入使用后，地下水由降水盲沟不断流入集水井中被水泵排走的措施。通过降水盲沟的使用，地下水位始终低于能使建筑物浮起来的警戒水位，确保结构不上浮。此种方法虽然施工方便，但在建筑物面积较大时，盲沟数量，埋置深度及日常管理和使用过程中均会产生一定的困难，且本措施在透水率较高的土层中则会因为抽水费用增加成本，因此一般仅应用于施工进行中或者水池等相关建筑物中，不会应用于地下室等建筑物，整体使用范围不够广泛。

3.5 局部抗浮

在抗浮设计中，设计人员需特别注意结构的传力途径，在利用上部结构自重抗浮时，当上部结构自重满足抗浮要求时，不能简单认为此时抗浮设计满足要求，要分析上部自重的传力途径，当局部范围内因水浮力导致底板隆起，甚至造成地下室局部破坏，此时可以采用增强结构强度及刚度的方法来满足抗浮要求，同时还可以不造成严重的浪费。

4 工程实例

以笔者参与的深圳市龙岗区某中学为例，文体中心内部设有篮球场、网球场以及艺术教室，还设有学生餐厅和游泳馆，文体中心屋面设有800厚覆土，兼做运动场地，地下一层地下室，基础底板板厚取500mm厚。根据地勘报告，地下室水头约为4.9m，浮力约为49kPa。在餐厅区域，因为是标准柱跨，地上3层，上有运动场覆土，计算显示完全满足规范的抗浮要求，不需要设置抗浮措施。

在网球场和艺术教室区域，因为地上部分柱子根据房间功能需要取消，地下室部分根据建筑使用功能要求，基础底板需要要降低0.7m，虽然地上仍为3层，但是传递路径发生改变，且水头增加，导致此区域地下室自重标准值不满足抗浮要求，经计算，结构自重约为55.6kPa，此时水浮力约为56kPa，与自重相差不大，底板厚度增加300mm，即满足抗浮安全系数的规范要求。

在篮球场区域，因为篮球场上部空间要求，在2层做开洞处理，面积约为29.6m×61m，地下室底板未降板，结构自重约为46.8kPa，水头约为49kPa，此时水浮力虽大于结构自重，但相差范围仍在可接受范围之内，经计算，底板厚度增加500mm即可满足抗浮安全系数的规范要求。以上区域如果设置抗拔桩或锚杆或其他抗浮措施，不仅会增加施工难度，还会增加工程造价，显然不合理。

但是在游泳馆区域，因为游泳池位于地下一层角部区域，相邻柱跨约为18.5m，且此区域底板顶标高相对地库底板顶标高降低2.2m，浮力增加约22kPa，结构自重约为58kPa，此时水浮力与结构自重相差过于巨大，通过增加结构配重已经不能满足水浮力的基本要求，考虑设置抗拔锚杆或抗拔桩，因为周围中小学单体采用抗拔桩，笔者将两种方案同甲方及工程协商，最终考虑到施工情况及经济效益和施工进度等因素，结合当地情况选择游泳池区域同中小学单体一致，采用抗拔桩来解决抗浮问题。