数据中心园区抗浮设计分析

惠丽洁

（中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，济南 250010）

1 引言

随着国家对新型基础设施建设的大力支持，各地大型数据中心也在如火如荼的部署建设中。数据中心园区主要包括数据中心机房、配套建设的动力中心、室外独立的地下水池水泵房及专业设备的地下隧道等。近年来，媒体报道的因水浮力造成的工程事故较多，数据中心作为重要的通信保障建筑，结构安全等级为一级，结构设计中也需重视其抗浮设计。

对于目前常用的4 层或5 层数据中心机房方案，一般只设置埋深较浅的局部半地下室，其抗浮基本不需专门设计。而对于配套建设的动力中心、室外独立的地下水池水泵房等，为满足园区规划和设备专业的需求，通常设置埋深较大的地下室，而地上结构重量较轻或没有地上结构，造成压重不足，当场地地下水位较高时，极易使结构发生上浮破坏，因此，对于这些结构需重点考虑抗浮设计。结构抗浮设计不足轻则导致地下室底板起拱、裂缝，重则使地下室上浮，结构柱柱顶破坏。对于数据中心园区，地下室基本用于水池、水泵房等。一般土建投资在整个数据中心园区的建设投资中占比较小，但是一旦结构抗浮失效，会导致地下室漏水甚至破坏，造成的影响却非常大，因此，数据中心结构工程师须加强抗浮设计意识，防范技术风险。

2 抗浮设计方法

常用的结构抗浮措施有增加压重和设置抗浮构件两种方式。抗浮设防水位，即施工期和使用期内满足抗浮设防标准时可能遭遇的地下水最高水位[1]，需由勘察单位在勘察报告中明确提出。增加压重的抗浮措施有增加结构自重、采用重度更大的回填材料、增加底板配重等方式，施工较为简便，经济性好。当增加压重不能满足结构抗浮稳定性时，则需设置抗浮构件来抵抗结构所受的浮力，如设置抗浮锚杆或抗拔桩等。设置抗浮构件往往施工麻烦且造价较高，实际工程中可同时采用增加压重和设置抗浮构件两种措施。对于动力中心局部地下室及室外独立的地下水池水泵房，考虑其规模较小且增加压重一般能满足其抗浮计算，可优先采用增加压重的抗浮措施。

浮力计算的主要原理是阿基米德原理：浸在液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的液体所受的重力。工程上可适当简化计算，根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》，基础抗浮稳定性应符合式（1）的要求[2]：

式中，Gk为建筑物自重、压重及其上覆土荷载之和，kN，为标准值；Nw，k为浮力，kN，为标准值；Kw为抗浮稳定安全系数，可根据JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技术标准》（以下简称《抗浮标准》）表3.0.3 取值。

对于Gk，计算时需区分结构施工期间和使用期间的荷载，且要考虑《抗浮标准》第6.3.7 条抗浮组合系数。计算Gk时，基础上处于地下水位以下的回填材料需考虑水浮力的作用，当采用土作为回填材料时，应取土的有效重度；当采用素混凝土作为回填材料时，素混凝土和基础可视为一个整体，Gk计算计入混凝土重量，Nw，k计算也考虑素混凝土体积。回填材料的重度应取GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》规定的较小值，压密黏土的干重度可按16 kN/m3计算，普通混凝土（振捣或不振捣）的重度可按22 kN/m3[3]。

3 工程实例分析

以某数据中心的配套动力中心抗浮设计为例，此动力中心地上结构为1 层，设局部地下室，其中，地下室基础采用筏板基础，非地下室部分基础采用桩基础。地勘报告为：第①层为杂填土（Q4ml），厚2.50～3.50 m；第②层为粉质黏土（Q4mh），厚度2.00～2.50 m，地基承载力特征值fak=90 kPa；第③层为全风化砂岩，厚3.00～4.20 m，fak=300 kPa，工程特性较好，性质较均匀，可作为基础持力层；第④层为强风化砂岩，厚2.00～5.40 m，可作为拟建建筑物深基础持力层，fak=500 kPa；第⑤层为中风化砂岩，未揭穿，可作为拟建建筑物深基础的持力层，fak=2 000 kPa。场地抗浮设防水位为-1.450 m（首层室内地面标高为正负零），室内外高差0.75 m，地下室底板顶标高为-6.400 m，地下室顶板顶标高为-0.800 m。

本工程地下室筏板基础以第③层全风化砂岩为持力层，筏板厚600 mm，垫层厚150 mm（因地下水具有腐蚀性），基础平面图如图1 所示。抗浮设计中，结构施工图需明确停止降水的时间和条件，本工程需满足动力中心屋面板施工完毕，地下室顶板采用素土回填至首层地面，基坑采用素土回填至室外地坪，或采取同等措施不令水浮力形成方可全面停止降水。其中，素土重度不小于16 kN/m3，压实系数不小于0.94。考虑动力中心地面设备管沟较多，地下室顶板上尽量不采用素混凝土回填，若必须采用，回填厚度需根据管沟深度确定。

图1 基础平面图

3.1 地下室整体抗浮计算

上部结构传来的恒载=32 502 kN（采用软件计算结果）。

筏板基础及其上恒载（筏板自重＋垫层重量+筏板板面恒载重量+回填材料重量）=18 207 kN，通过计算确定。

根据《抗浮标准》第6.3.7 条，上述计算中结构填充墙、地下室顶板及侧壁回填素土的荷载组合系数按0.9 组合系数考虑。

水浮力作用高度hw=5.95 m，水的重度取10 kN/m3，地下室整体所受水浮力：Nw，k=39 437 kN。

根据式（1），Kw=Gk(上部结构传来的恒载+筏板基础及其上恒载)/Nw，k=(32 502+18 207)/39 437=1.28≥1.05，满足施工期间抗浮稳定性要求，且≥1.1，满足使用期间稳定性要求。

所以，地下室整体抗浮稳定性满足设计要求。

3.2 地下室局部抗浮计算

地下室不仅需进行整体抗浮计算，局部抗浮同样需引起重视。对于动力中心，因1 层放柴油发电机及其基础，地上结构跨度大，地下室顶板荷载大，一般在地下室内部增加结构柱，如图1 中1/B 轴、1/D 轴上的柱，因柱上端没有竖向集中荷载传递，此位置基础在地下水作用下有明显的上浮位移，为局部抗浮最不利处，如图2 所示。当基础局部抗浮不满足要求时，可设置筏板加厚区等来满足抗浮设计。

图2 筏板基础在组合1.0 恒-1.05 浮作用下的位移图

以1/B 轴为中心，取5.3 m 宽基础板带进行计算，核算面积：A1=5.3×22.1=117.13 m2。在此板带区域设置0.2 m 厚的加厚区，则此区域筏板厚度为0.8 m。

上部传来恒载=3 896 kN（采用软件计算结果）。

筏板基础及其上恒载（筏板自重＋垫层重量+筏板板面恒载+回填材料荷载）=3 061 kN。

上述计算中，结构内部填充墙、地下室顶板及侧壁回填材料重量的荷载组合系数在计算时按0.9 考虑。

水浮力作用高度hw=5.95 m，水浮力Nw，k=6 595 kN。

Kw=Gk(上部传来恒载+ 筏板基础及其上恒载)/Nw，k=6 982/6 537=1.054＞1.05，满足施工期间抗浮稳定性要求。

使用期间：按设备摆放区域局部回填土替换为油机基础及油机设备自重后另增加重量为：684 kN（仅考虑5.3 m 板带宽度范围）。

Kw=Gk(上部传来恒载+ 筏板基础及其上恒载)/Nw，k=7 641/6 595=1.15＞1.1，满足使用期间抗浮稳定性要求。

所以，地下室局部抗浮稳定性满足设计要求。

3.3 设置抗浮构件

当增加压重不能满足结构抗浮要求时，需设置抗浮构件来抵抗结构所受浮力，或同时采用增加压重和设置抗浮构件两种措施，常用的抗浮构件有抗拔桩和抗浮锚杆。设计抗拔桩或抗浮锚杆时，拉力设计值为1.35×（水浮力标准值-压重标准值），地基承载力极限值不小于2×（水浮力标准值-压重标准值），需注意抗拔群桩或抗浮锚杆的整体破坏。实际设计中可根据工程实际进行抗浮方案试算，选择合理的抗浮措施。

3.4 施工期间抗浮风险提示

抗浮设计除根据抗浮设防水位进行施工期间和使用期间的抗浮计算，还需注意施工期间尤其是雨季施工地表水侵入基坑引起的结构上浮。近期，司法判定的几起地下室上浮工程事故均为施工期间地下室结构抗浮措施不足，地表水流入基坑引起的结构上浮破坏。对于数据中心园区设计中的动力中心、室外独立地下水池水泵房及地下设备隧道施工过程中基坑开挖较深，基坑回填前均需注意地表水侵入基坑使结构上浮。为此，有图审机构建议结构工程师在施工图中明确注明：基坑基槽回填前，施工单位应采取防止地表水侵入基坑基槽的措施，避免因地表水侵入基坑基槽导致地下结构上浮，且施工单位应编制地表水侵入基坑基槽的应急处理预案。这对于结构工程师具有重要的借鉴意义。

4 结语

地下室抗浮是一个勘察阶段、设计阶段、施工阶段都需要引起足够重视的问题[4]。数据中心因其特殊的工艺需求，结构不同于普通民用建筑，且一旦发生破坏，后果极为严重。作为设计方，需提高结构抗浮设计意识，并通过方案比选选择经济合理、施工简便的抗浮设计方案。此外，应在图纸中明确提示施工单位应采取措施防范地表水和地下水侵入基坑，避免施工期间地下结构上浮，防范技术风险。