高層建筑中地下室的抗浮驗算

(河北建研建筑設計有限公司河北石家莊050021)

摘要：本文結合理論、規范和工程實例，分析在地下水作用下高層結構中地下室所受浮力的成因和一般規律，提出了抗浮驗算的基本內容和基本原則，以及具體的驗算方法，可供廣大工程技術人員參考。

關鍵詞：高層結構；地下室；抗浮驗算

引言

實際工程中，很多地下室未進行抗浮驗算，給結構留下重大的隱患。一九九八年，武漢遭受特大洪水侵襲，導致多個地下室發生不同程度的損壞。筆者結合多年的工作經驗，對如何進行抗浮驗算提出自己的看法，供大家參考。

一、地下水的類型和滲透性

（一）上層滯水

上層滯水是指埋藏在地表淺處，局部隔水透鏡體的上部，且具有自由水面的地下水。它的分布范圍有限，其來源主要是由大氣降水補給。因此，它的動態變化，與氣候、隔水透鏡體厚度及分布范圍等因素有關。

上層滯水地帶只有在融雪后或大量降水時才能聚集較多的水，因而只能被作為季節性的或臨時性的水源。

（二）潛水

埋藏在地表以下第一穩定隔水層以上的具有自由水面的地下水稱為潛水。潛水一般埋藏在第四紀松軟沉積層及基巖的風化層中。

潛水直接受雨水滲透或河流滲入土中而得到補給，同時也直接由于蒸發或流入河流而排泄，它的分布區與補給區是一致的。因此，潛水水位變化，直接受氣候條件變化的影響。

（三）承壓水

承壓水是指充滿于兩個穩定隔水層之間的含水層中的地下水。它承受一定的靜水壓力。在地面打井至承壓水層時，水便在井中上升甚至噴出地表，形成所謂上升泉水。由于承壓水的上面存在隔水頂板的作用，它的埋藏區與地表補給區不一致。因此，承壓水的動態變化，受局部氣候因素影響不明顯。

土透水性的強弱一般由土的滲透系數反映。一般認為，在工程中滲透系數≤10-5cm/sec時，土具有不透水性，密實的粘性土一般能滿足上述要求。具體工程中，應以勘察報告為準。

二、地下水產生浮力的條件

存在于土中的液態水可分為結合水和自由水兩類，結合水與土粒表面牢固地粘結在一起，不能自由移動，不能傳遞壓力，因此，它不含對土粒產生浮力。自由水在土粒影響范圍以外，能傳遞靜力壓力，有溶解能力。其中的重力水可以自由運動，對土粒有浮力作用

因此，只有地下室底板下有重力水，且水位高于地下室底板時，地下室才會受到浮力。當地下水位很低，在地下室底板以下或上層滯水水位較高，在地下室底板處以上時，地下室不會受到浮力，即使地下室底板周圍有地下水，但四周均有不透水土層隔離時，也不會產生浮力。

三、地下室在浮力作用下的應力狀態

建筑物通過地下室將荷載作用于地基上，地基土產生反力，在正常狀態下，兩者保持平衡，結構荷載=基底反力。

當地下水位的上升，地下室底板產生浮力，地基反力減小，根據力學平衡條件，結構荷載=基底反力+浮力。

隨著浮力的增大，基底反力逐漸減小，當浮力＜結構荷載時，結構抗浮滿足要求。當浮力繼續增大，直至等于大于結構荷載時，基底反力等于零，地下室的結構抗浮不滿足要求，需采取其它措施。

四、高層結構的抗浮驗算

高層結構的周圍一般有較低的裙房，當兩者作為一個整體驗算時，高層部分的結構荷載大，基底反力仍然存在，而較低的裙房結構荷載小，基底反力可能為零，甚至存在向上的多余浮力。因此，當裙房為非對稱布置時，整體結構的抗傾震驗算也是重點。

除驗算整體抗浮外，較低的部分還需進行局部抗浮驗算。在浮力的作用下，裙房地下室的受力發生很大的變化，跨度變大，有時甚至成為懸臂結構，因此，局部抗浮不能忽略。

五、地下室抗浮驗算的基本原則

（一）不考慮水浮力的情況

地下建筑物埋于不透水層，周邊填土為密實的不透水土，當場地無積水時，可不考慮水的浮力作用。

（二）地下水最高水位的確定

在計算浮力時，地下水最高水位對浮力的大小起著關鍵作用，其取值原則如下：

①若有長期水文觀測資料或歷史水位記錄時，浮力的計算可取歷史最高水位；若無長期水文觀測資料或歷史水位記錄時，可采用中水期最高穩定水位。

②場地有承壓水且承壓水與潛水有水力聯系時，應按承壓水和潛水的混合最高水位計算。

③在無動水壓力及承壓水時，最高水位不宜超過地下室頂板面標高。

（三）特殊情況下浮力的計算

①對處于斜板上的地下室或其他可能產生明顯水頭差的場地上的地下室，應考慮地下水滲流在地下室底板產生的非均布荷載對地下室底板的影響。

②地下室在穩定地下水位作用下，浮力按靜水壓力計算，臨時高水位作用下的浮力，在粘性土地基中可適當折減，折減系數由勘察部門提出，在砂土不折減。

（四）具體計算中相關的系數取值

①抗浮穩定驗算時，地下室結構自重及頂板上覆土重（有效重度）以其標準值乘以分項系數0.9，水浮力的分項系數取1.0。水的浮托力為10kN/m3×hw1×1.0。

②地下室底板混凝土構件承載力計算時，水浮力的分項系數取1.35，水的浮托力為10kN/m3×hw2×1.35。

式中：hw1—地下室頂板而標高至底板底標高的高度；

hw2—室外場地整平標高至地下室底板底標高的高度。

③單樁抗拔計算時，樁側表面抗拔側阻力取相應的抗拔壓側阻力乘以抗拔系數λ。抗拔系數λ的取值參見JGJ94-94表5.2.18-2砂土λ=0.50～0.70，粘性土、粉土λ=0.70～0.80，樁長L與樁徑d之比小于20時，λ取較小值。

④抗拔樁配筋應按GB50010-2002規范軸心受拉構件驗算裂縫寬度不大于0.2mm。

六、抗浮不滿足時的處理措施

當地下室的抗浮驗算不滿足時，必須滿足相應的措施，這些措施必須根據當地和工程實際情況，滿足安全、經濟和施工簡便的要求，常用的處理措施有：

第一，當持力層為不透水層時，用不透水土回填地下室四周，并采取措施，防止場地積水，根據規范要求，地下室不需考慮浮力作用。

第二，加大地下室上部覆土的厚度，當厚度不能增加時，也可以采用上部壓重，以滿足抗浮要求。

第三，加大地下室底板的挑出長度。采取這一措施時，地基梁的受力將有很大的變化，需進行復核。

第四，在底板下加抗浮樁或錨桿，采取這一措施時，需驗算結構處于正常狀態下的結構受力和變形。

七、工程實例分析

筆者接觸一個工程實例，一幢商住樓，上部15層，下部地下層1層，地下室作為停車場，為滿足結構的整體抗傾覆要求，地下室向一側擴大，基礎采用筏板基礎（梁板式），埋深6米。由于地下室的擴大部分抗浮驗算不滿足，設計人員在相應的柱下加人工挖孔樁，達到相關抗浮要求。但在正常使用的情況下人工挖孔樁會產生很多的隱患，首先，基礎一部分采用筏板基礎，而一部分采用樁基加筏板基礎，不符合規范的要求；其次，高層部分未加樁，為天然地基，而很低的部分下加樁基，如此輕重倒置，必然引起高低部分的不均勻沉降，引起嚴重的后果。后來，抗拔樁取消，采取其它方案達到抗浮的要求。

另外在施工期間應采取可靠措施，防止基坑內積水，使用中應采取措施防止場地積水，這既減少了浮力，對持力層的承載力也有好處。

結語

隨著我國工程建設的發展，高層建筑越來越多，高層結構中一般都有地下室甚至多層地下室，為地下水位較高時，所受的浮力很大，而我國現行的國家地基規范中，并無相關的抗浮驗算要求，因此，在正常使用下（即無地下水時）下對結構產生很大的影響，這必須引起足夠的注意，采取必要措施。

參考文獻

[1]何春寶.降水加固方案在地下室抗浮處理中的應用[J].江西建材，2012(3)58-60.

[2]GB50108-2012，地下抗浮技術規范[S]

[3]地下工程防水技術規范(GB50007-2008)中國建筑工業出版社.2008