地下室抗浮設計方法研究

陳志龍

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361015)

地下室抗浮設計方法研究

陳志龍

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361015)

隨著地下空間資源不斷開發利用，地下室因抗浮不足而造成的工程事故時有發生。文章通過簡要分析兩個工程案例的事故原因及處理辦法，闡述地下室的整體抗浮和局部抗浮的重要性。簡要介紹施工階段及設計階段的幾種抗浮措施及其適用條件。

地下室；抗浮水位；整體抗浮；局部抗浮；抗浮樁；抗浮錨桿

0 引言

改革開放以來，隨著經濟的快速發展，城市化進程加快，城市地下空間資源的開發利用越來越受重視，很多住宅小區、辦公樓區均有修建地下車庫以及各種平戰結合的人防工程，以及獨立的地下商城等。抗浮應引起重視，因為抗浮不足，重則引起建筑物整體上浮，影響結構安全，輕則底板開裂等，后期加固需要很大的代價。本文通過結合工程實例分析，簡單的闡述地下室抗浮設計重要性及工程中具體采用的抗浮措施。

1 抗浮不足引起工程事故的實例

1.1 案例一概況

某辦公樓地下室面積約28 800m2，3層地下室，建筑物埋深約為12m，上部由一棟塔樓和裙樓組成，結構體系采用框架-剪力墻結構。裙樓部位由于整體抗浮考慮不足，裙樓局部范圍整體上浮，引起地下室底板開裂、地下室墻體以及梁柱交接位置的梁端產生45°角裂縫、樓板也產生大量的放射狀新裂縫。地下室平面示意圖及現場照片如圖1～圖2所示。

圖1 地下室平面示意圖

(a)底板開裂(b)柱腳裂縫(c)墻體45°角裂縫(d)梁端裂縫 (e)打孔泄壓圖2 現場照片

事故原因一：該工程位于臨近海邊，由于施工期間正值雨季，多日的大雨導致地下室水位不斷上升達到歷史最高防洪水位，且地表水排水不暢倒灌地下室。在地下室頂板覆土尚未完成回填的情況下，即停止了降水，導致壓重不足，雨水倒灌未及時排水，導致浮力上升過快。

事故原因二：抗浮設計時，未根據當地的地理環境及水文條件考慮按歷史最高防洪水位來做抗浮設計，尚未留有余量。

處理辦法：根據現場觀察，不斷有新的裂縫產生，而且裂縫拓展速度很快。根據多方討論方案后，處理辦法采用先“放”后“抗”。在地下室底板開孔泄壓，泄壓后底板面的水深達100mm左右，水壓高度達10m之高，泄壓后，建筑物開始慢慢沉降，最大沉降約10cm，沉降穩定后，觀察底板及梁裂縫開始愈合。為增加整體的抗浮能力，待沉降及結構裂縫穩定后在底板上重新增補錨桿，底板增厚200mm做成疊合底板、增加內防水處理等技術措施加固結構到達“抗”的目的。經加固處理后目前使用情況良好。

1.2 案例二概況

某小區地下室面積約18 000m2，1層地下室，建筑物埋深約4.2m，上部由5棟塔樓組成。由于底板局部抗浮不足造成底板開裂，底板滲水嚴重，影響了正常功能的使用。地下室平面示意圖及現場照片如圖3～圖4所示。

圖3 地下室平面示意圖

圖4 底板裂縫

事故原因一：該工程底板采用筏板基礎，柱底自重大于水浮力產生浮力(1.05倍的設計抗浮水位的浮力標準值)，設計上能滿足整體抗浮驗算，由于設計人員考慮到整體抗浮滿足要求，在計算底板剛度、配筋時未進行水浮力的組合計算，僅考慮上部荷載的工況計算。經復核，底板跨中位置的水浮力大于基底反力，因此造成底板跨中局部位置出現裂縫，引起滲水。

事故原因二：地下室主體施工完成后，由于業主某些原因，該工程停止施工，基坑周邊停止降水，后澆帶封閉后導致地下室水壓超過設計預期，地下室底板隆起開裂。

處理辦法：底板裂縫寬度約為0.05mm～0.45mm，根據底板裂縫寬度不同采取不同的處理措施，底板裂縫寬度小于0.2mm且有滲水的裂縫區域，采用改性環氧樹脂高壓注漿。底板裂縫寬度大于0.2mm且滲水嚴重的區域，沿裂縫長度方向開U型或V型的槽，預埋灌漿嘴，U型或V型槽用速凝水泥抹平后再用配制好的灌漿料進行高壓注漿以封閉裂縫。裂縫區域表面均涂刮滲透結晶體防水材料一遍。

2 抗浮設計中的兩個基本概念

通過上述兩個案例中發現，在考慮地下室抗浮設計時，一是計算的地下室整體抗浮應滿足要求；二是計算的地下室局部抗浮應滿足要求。

驗算整體抗浮時，一是從整個地下室范圍內總恒荷載(包括自重和配重)應大于1.05倍的地下室總水浮力，從宏觀上考慮地下室是否滿足整體抗浮要求。二是柱或剪力墻的受荷面積范圍的恒荷載應大于此范圍內的1.05倍的水浮力[2]。當不能滿足要求時，需要增加自重或增加配重來滿足整體抗浮要求，或是通過設置抗拔樁、抗拔錨桿等措施來滿足整體抗浮要求。考慮地下室的整體抗浮，需結合工程實際情況，采取有效、經濟的抗浮措施，即應滿足結構安全，也應兼顧經濟性。

驗算局部抗浮時，驗算底板的強度、變形及裂縫寬度，均應滿足規范要求，而且還應包括驗算地下室局部薄弱范圍，如多層的裙房部位等，因為大多數的地下室上部有高層塔樓和多層的裙房等組成，因此驗算裙房范圍的抗浮能力尤為重要。

3 抗浮設防水位的合理取值

抗浮設防水位的取值是地下室抗浮設計中一個決定性的參數，如何合理地取抗浮水位，直接影響水浮力的大小，直接關系著結構主體的安全和工程造價[4]，因此需要對抗浮設防水位認真研究。選取合理的抗浮設防水位，從以下4個因素綜合考慮[1]：

(1)主要根據地勘報告。一般地勘報告會提供穩定水位、歷史最高水位及建議的抗浮水位。根據地勘報告提供的數據，然后結合工程是否考慮有人防要求。考慮人防要求時，取穩定水位進行人防組合。不考慮人防時，應取歷史最高水位或建議的抗浮水位。兩者比較后，取不利情況來考慮抗浮計算。

(2)由于場地一般都會有多種土層，有強透水、弱透水、不透水等土層，綜合考慮場地的承壓水、孔隙水、潛水之間的聯系，并通過實測承壓水水位考慮其對抗浮設防水位的影響。

(3)當建筑物處于斜坡地段，應區分高地段和低地段的抗浮水位差。

(4)當建筑物處于海邊等易受洪水影響的地段，應考慮其歷史最高的防洪水位。

4 抗浮技術措施

整體抗浮或局部抗浮驗算不滿足要求時，可采取相應有效的抗浮措施。

4.1 施工階段的抗浮措施

根據幾個工程的實際案例調查，不少的抗浮事故原因是發生在施工階段對抗浮未引起重視或未采取有效的抗浮措施。比如：純地下部位覆土未完成、或上部塔樓未到設計要求可停止降水的層數時即停止降水，極易引起上浮事故。特別應注意，暴雨時的地表水對深基坑的倒灌，形成“腳盆”效應，若未及時采取降水措施，易引起地下室結構抗浮不足而引發的工程事故，應引起足夠重視。因此施工期間，主要通過降水井等措施把基坑內的水位降至底板底。地下室結構施工完成后，基坑四周應采用粘性土及時回填并分層夯實，可形成止水層，可有效地防止施工階段地表水倒灌。待滿足停止降水的條件時方可以停止降水。

4.2 設計階段的幾種抗浮措施及適用條件

4.2.1 釋放水浮力法

在地下室底板下及四周設置縱橫連通的排水盲溝，將基底下的壓力水通過釋放層中的透水系統(過濾層、導水層)匯集到集水系統，并導流至出水系統后進入水箱或集水坑內，達到預定水位時，再抽出水箱或集水坑內的水，從而釋放部分水浮力，以滿足地下室整體抗浮及局部抗浮驗算。

此方法具有較高的經濟效益，但該方法主要適用于抗浮水位較低、地下室底板位于不(弱)透水層，且土質較堅硬的土層。

4.2.2 壓重法

增加恒荷載的重量，包括結構的自重和配置。自重可通過增加板厚等自身結構構件的尺寸；配重可通過增加底板上配重材料(可采用低標號混凝土、鐵屑混凝土等重材料)、增加底板外伸部分的回填土重量，增加地下室頂板上覆土。在條件允許的情況下，可采用適當增加層數等辦法來增加結構的自重以抵抗地下室水浮力的作用。

該方法較適合于建筑物的自重與浮力相差不大時。

4.2.3 設置抗拔樁

抗拔樁是通過樁土之間摩擦力及樁身自重來抗浮，主要布置在柱及剪力墻下兼做抗壓樁，抗拔樁的抗拔承載力一般較大，也較容易受環境及施工條件等影響，造價較高。當柱及剪力墻下的抗拔兼抗壓樁不滿足抗拔要求時，可在抗浮底板下增設純抗拔樁。設置抗拔樁時，應注意驗算樁身的裂縫寬度，其最大裂縫寬度不大于0.2mm 。根據不同場地的腐蝕性，應對樁身采取防腐措施。

設置抗拔樁時的抗浮計算[6]

式中：GK為建筑物自重及壓重之和，n為抗拔樁的根數，NK為標準組合計算的基樁抗拔力，NW,K為浮力作用值，KW為抗浮穩定安全系數，一般情況下可取1.05[2]。

抗拔樁按成樁方式的不同，主要有現場灌注樁和預制樁。灌注樁除常規的等截面形式外，還有擴底灌注樁和后注漿灌注樁等。擴底灌注樁和后注漿灌注樁能大幅提高抗拔承載力，適宜于深開挖條件的結構抗浮。灌注樁作為抗拔樁時，樁身要求通長配筋，鋼筋錨入承臺的長度一般要求大于40d。預制樁作為抗拔樁時，盡量采用單節樁；若需要接樁，應采取可靠的措施保證接頭的連接質量，還應注意樁頂與承臺的連接構造處理。

抗拔樁作為一種有效的抗浮措施，適用于大部分的地下工程，通常采用點式布置，布置于柱及剪力墻下。抗拔樁主要通過樁土摩擦力提供抗拔力，因此應保證樁基的有效樁長，特別注意采用泥漿護壁的灌注樁時應對其抗拔力進行折減。根據地勘報告選擇合理有效的抗浮樁型。

4.2.4 設置抗浮錨桿

抗浮錨桿因施工周期短、施工方便、造價較低、受力合理等優點而被廣泛使用，即可用于設計、施工階段使用，亦可用于因抗浮不足引起的工程事故中的加固處理。

抗浮錨桿依賴于土層與錨固體之間的粘結強度提供抗拔承載力。抗浮錨桿的設計包括承載力計算、桿體截面面積、錨桿數量的計算。對此，可參照文獻[3]中詳細的計算過程。

抗浮錨桿根據是否施加預應力分為全長粘結型非預應力抗浮錨桿、部分粘結型預應力抗浮錨桿。設計抗浮錨桿需注意的使用條件及構造要求可參考文獻[3]。

地下室底板抗浮錨桿的布置一般有3種形式：

(1)當自重與浮力相差不大時，可采用集中點狀布置。一般布置于柱、墻下，可考慮上部的自重平衡一部分浮力。純底板區域應按防水板要求計算強度、配筋，一般底板配筋會較大。

(2)當底板采用梁板結構體系且自重與浮力相差不大時，可采用集中線狀布置。錨桿布置于地下室底板梁下，在上部自重受力范圍內可考慮自重平衡一部分浮力。純底板區域應按防水板要求計算強度、配筋，一般底板配筋會較大。

(3)當自重與浮力相差較大時，可考慮面狀均勻布置，在地下室底板下均勻布置。由于上部建筑物自重與底板下均布的錨桿是點(線)與面的關系，如何能使點的荷載與面上的荷載共同作用，一是需要底板的剛度足夠大，而是通過倒置樓蓋的假定計算，才能使上部自重荷載與均布錨桿共同抗浮。而實際大部分工程中，很難達到點(線)與面上的受力能變形協調。因此，對于面狀均勻布置的錨桿合理做法應區分兩種抗浮區域：一是柱、墻、梁影響區域，充分利用上部建筑物自重進行抗浮。二是純底板抵抗區域，僅考慮純底板區域的底板自重及配重進行抗浮。否則，當浮力大于中間純底板區域的自重時，則因錨桿布置不足導致該區域的錨桿先破壞和失效然后導致自重影響區域范圍內的錨桿破壞和失效，而引發上浮事故。

綜上，一是自重與浮力相差不大時優先選擇集中線狀布置，有更好的經濟效益[5]；二是自重與浮力相差較大時應區分自重影響區域的抗浮和純底板區域的抗浮，選擇面狀均勻布置。

5 結語

地下室整體抗浮或局部抗浮不足引起的地下室工程事故時有發生，設計階段應結合地勘資料、實際工程的場地條件、當地的環境條件等綜合因素考慮地下室抗浮設計及措施，選擇合理、經濟的抗浮方案。施工階段應采取有效的抗浮措施，防止施工期間發生上浮事故。

[1]JGJ72-2004高層建筑巖土工程勘察規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2004.

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

[3] 全國民用建筑工程設計技術措施一結構(地基與基礎)[M].北京：中國計劃出版社，2010．

[4] 李旭平.地下室抗浮設計水位到底如何確定[J].建材世界，2006，27(4)：144-145.

[5] 于岷紅，梁立，馬志林．某地下室抗浮設計[J]．建筑結構，2012，42(12)：139-142．

[6] 秦海蘭，姜善華．地下室抗浮設計與抗浮措施研究綜述[J]．江蘇建筑，2013(6)：64-65.

Elementary introduction to anti-floating design method of basement

CHENZhilong

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Corp.,Ltd, Xiamen 361004)

With the continuous development and utilization of underground space resources, Because of the lack of anti floating basement, engineering accidents happen frequently.This paper briefly analyzed the accident causes and treatment methods of two engineering cases.The importance of integral anti floating and local anti floating of basement resistance was expounded; Several anti floating measures and their applicable conditions during construction stage and design stage were briefly introduced.

Basement；Anti- floating water level；Whole anti -floating；Local anti- floating；Anti-floating pile；Anti-floating anchor

陳志龍(1982.12- )，男，工程師。

E-mail:512983457@qq.com

2017-05-25

TU318

A

1004-6135(2017)09-0040-04