高層建筑地下室抗浮設計探討

摘 要：當前建筑業中對于地下空間抗浮設計，現行規范和各地方規范均沒有全面、系統的規定，導致后期工程設計中存在某些問題。筆者認為抗浮設防水位應綜合考慮，文中針對抗浮穩定驗算的計算式、地下水浮力的分項系數和抗浮穩定安全系數的取值問題，對現行規范進行了對比、歸納和小結，與同行交流學習。

關鍵詞：抗浮；設防水位；穩定驗算；分項系數；安全系數

隨著我國城市建設的發展，土地資源日趨緊張，以及設計師們對審美的要求，城市高層建筑越來越多，而為了更多的利用空間，增加高層建筑的功能型，一般設計出龐大的地下空間即地下室。高層建筑設地下室有諸多價值，使得目前大面積的、超長的、多層的地下室越來越常見，投資占整個建筑的比重也漸漸增大。高層建筑地下室的層數一、二層至多層，其基礎埋深也隨著地下室的層數增加而加深。當地下室埋深低于地下水位時，應進行地下室抗浮穩定驗算。因此，地下室抗浮設計及抗浮措施顯得尤為重要，其建設影響整個建筑的造價以及后期施工問題。

1 現行地下室抗浮設計規范

在高層建筑地下室抗浮設計和抗浮方法上，現行規范均有只規定：

（1）建筑地下室或地下構筑物存在上浮問題時，尚應進行抗浮驗算——《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011（以下簡稱《地基規范》）第3.0.2-6條；

（2）高層建筑地下室設計，應綜合考慮上部荷載、巖土側壓力及地下水的不利作用影響。地下室應滿足整體抗浮要求，可采取排水、加配重或設置抗拔錨樁（桿）等措施——《高層建筑混凝土結構技術規程》（以下簡稱《高規》）第12.2.2條；

（3）當地下室所受浮力大于地下室及其上建筑物的荷重時，應進行抗浮設計。對于天然地基，宜設置抗浮樁或錨桿，或采取壓重等抗浮措施——《建筑地基基礎技術規范》DB42/242-2003（以下簡稱《地基規范》）第11.4.11-7條。

在當前地下室抗浮設計和抗浮方法上，我國現行的眾多規范中并沒有較全面、系統的規定，導致在實際的很多高層建筑地下室結構設計時，設計和施工中常常會遇到這些問題，如：如何合理確定抗浮設防水位；如何進行抗浮穩定計算；采取哪種抗浮措施（排水、加配重或設置抗拔樁、抗拔錨桿）更經濟、合理，而且業主更能接受等一系列問題，這些都是需要工程設計和施工人員進行探討和分析的重要問題。

2 關于抗浮設防水位的取值問題

地下水位及其變幅是高層建筑地下室抗浮設計重要依據，在實際的抗浮設計中只考慮正常使用極限狀態，對施工過程和洪水期水位認識不足，因此造成后期施工過程中由于抗浮不足而出現局部破壞。因此，如何正確確定抗浮設防水位，十分重要。目前一般按相關規范來確定：

（1）在《地下工程防水技術規范》GB50108-2001（以下簡稱《地下防水規范》）中規定附建式全地下室或半地下工程的防水設防高度，應高出室外地坪高程500mm。

（2）省《地基規范》）中規定在無動水壓力及承壓水時，計算浮力的最高水位不宜超過地下室頂板面標高。

（3）《全國民用建筑工程技術措施2009結構（地基與基礎）》（以下簡稱《全國技術措施》中規定：抗浮設防水位應由勘察報告提供。抗浮設防水位的選取應綜合考慮。這七條規定很詳細、全面。與以下幾條規定基本一致。

（4）《巖土工程勘察規范》GB50021-2001（以下簡稱《巖土規范》）中規定：“對高層建筑或重大工程，當水文地質條件對地基評價、基礎抗浮和工程降水有重大影響時，宜進行專門的水文地質勘察”。

（5）《巖土規范》中提出：“對地下水的勘察要求，勘察時的地下水位、歷史最高地下水位、近3～5年最高地下水位、水位變化趨勢和主要影響因素”。

（6）省《地基規范》中規定：“抗浮設防水位若有長期水文觀測資料或歷史水位記錄時，地下水作用力的計算可采用歷史最高水位；若無長期水文觀測資料或歷史水位記錄時，地下水浮力的計算可采用豐水期最高穩定水位”。抗浮設防水位是很重要的設計參數，影響因素眾多。不僅與氣候、水文地質等自然因素有關，有時還涉及地下水開采等諸多復雜因素。對情況復雜的重要工程，要在勘察期間預測建筑物使用期間水位可能發生的變化和最高水位有時相當困難。

綜上所述，抗浮設防水位應參照以上規范各條規定綜合考慮。筆者認為，只有根據建筑物的重要性、不同地區的水文地質條件、采取基礎抗浮和工程降水措施，確定合理的抗浮設防水位，才能優化地下室抗浮設計，使其具有良好的經濟性和合理性。

3 抗浮穩定驗算問題

《全國技術措施》中規定：“建筑物在施工和使用階段均應符合抗浮穩定性要求”。抗浮設計時，不僅要進行整體抗浮穩定計算，還要進行局部抗浮穩定計算。比如，多棟高層建筑下有一整體地下室，主樓范圍整體抗浮穩定驗算應滿足要求，但主樓之間的地下室就應驗算局部抗浮穩定。《建筑結構荷載規范》GB50009-2012（簡稱《荷載規范》）中規定，“對結構的傾覆、滑移或漂浮驗算，荷載的分項系數應滿足有關的建筑結構設計規范的規定”。對于地下水荷載的分項系數，目前我國各地方沒有采取統一的系數。對于地下室抗浮穩定性驗算，抗浮穩定安全系數，現行國家結構設計規范沒有統一規定，國家規范和各地方規范要求各不相同。主要有如下要點：

3.1 抗浮驗算公式及抗浮安全系數

（1）《地基規范》中規定：“建筑物基礎存在浮力作用應進行抗浮穩定性驗算“。應符合下式要求：

Gk/Nw，k≥Kw

式中：Gk——建筑物自重及壓重之和（kN）；

Nw，k——浮力作用值（kN）；

Kw——抗浮穩定安全系數，一般情況可取1.05。

（2）《全國技術措施》中規定：“當建筑物的抗浮驗算無明確規定時，宜按下列公式進行抗浮驗算：

G/S≥K

式中：G——結構自重及其上作用的永久荷載標準值的總和，不包括活荷載；

S——地下水對建筑物的浮托力標準值；

K——地下結構抗浮安全系數，一般取1.05。

（3）《廣東規范》中規定，地下室抗浮穩定性驗算應滿足下式要求：

W/F≥1.05

式中：W——地下室自重及其上作用的永久荷載標準值的總和（即荷載分項系數為1.0）；

F——地下水浮力的標準值，不需要考慮水浮力作用的荷載分項系數。

（4）《北京市建筑設計技術細則（結構專業）》（簡稱《北京細則》）中規定：在驗算建筑物之抗浮能力時，應不考慮活載，抗浮安全系數取1.0。即滿足下式要求：

建筑物重量（不包括活載）/水浮力≥1.0。

建筑物重量及水浮力分項系數取1.0。

（5）《地下防水規范》中規定：“明挖法地下工程的結構自重應大于靜水壓頭造成的浮力，在自重不足時必須采用錨樁或其他措施。抗浮力安全系數應大于1.05～1.10。”

比較以上規范，前三個規范規定總體思路是一致的。《北京細則》抗浮安全系數略低。《地下防水規范》抗浮安全系數稍高。

3.2 水浮力作用的荷載分項系數

（1）《荷載規范》中也有說明：地下水壓力作為永久荷載考慮時，由于受地表水位的限制，其分項系數一般建議取1.0。永久荷載一般對結構是有利的，荷載分項系數一般應取小于1.0的值。

（2）省《地基規范》中規定：“地下室在穩定地下水位作用下所受的浮力應按靜水壓力計算”。地下室頂板面有填土時，填土荷載計算應按兩階段考慮：當為明挖法施工階段，計算抗浮穩定時，地下室頂面的填土荷載不應考慮；當竣工后使用階段，地下室頂面的填土荷載應考慮。

3.3 小 結

（1）地下水壓力可按永久荷載考慮，其分項系數一般取1.0。

（2）關于抗浮穩定安全系數的取值，應視施工階段、使用階段和不同工況取值不同：

①明挖法施工階段，抗浮安全系數應大于1.05～1.1；

②使用階段，抗浮安全系數應不小于1.2；

③抗浮設防水位確定為歷史最高水位，或抗浮設防水位為室外地面，且室外地面不能積水時，抗浮安全系數不應小于1.1。

4 結 論

高層建筑地下空間的抗浮設防水位應綜合考慮，合理確定，必要時進行專門論證。建筑物在施工和使用階段均應符合抗浮穩定性要求。不僅要進行整體抗浮穩定計算，還要進行局部抗浮穩定計算。如果抗浮穩定性不滿足設計要求時，可采取排水、加配重或設置抗拔樁、抗拔錨桿等抗浮措施。另外，地下室抗浮穩定性驗算，我國現行國家規范和各地方規范規定大同小異，總體思路是一致的。筆者經過閱讀大量文獻參考資料，進行對比，作出歸納與總結，與同行交流學習，并希望對今后的建筑工程有一定參考意義。

參考文獻

[1]《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010.北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2]《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011.北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3]《建筑結構荷載規范》GB50009-2012.北京：中國建筑工業出版社，2012.

[4]《地下工程防水技術規范》GB50108-2001.北京：中國計劃出版社，2001.

[5]《建筑地基基礎技術規范》DB42/242-2003.湖北省：湖北省建設廳，2003.

[6]《全國民用建筑工程技術措施2009結構（地基與基礎）》.北京：中國計劃出版社，2010.

作者簡介：王凱（1984-），男，本科，工程師，現主要從事建筑工程管理工作。