地下室抗浮設計措施的探討

王浩然

新疆永升建筑勘察設計研究院（有限公司） 新疆 克拉瑪依 834000

引言

在我國的城市現代化建設中，隨著城市人口數量激增，城市用地日益緊缺，在地上空間日益減少的情況下，地下空間的開發和利用成為建設的必然，愈來愈多的建筑物設置了地下室，地下室的層數也達到了地下三層甚至四層，地下室的埋深隨之加深。然而地下室的設置也帶來了一個嚴峻的問題：地下室的抗浮設計。在自然界的地下巖土孔隙中，通常存著豐富的地下水，加之城市建設中大量綠化水資源的下滲，使得地下水的抗浮水位逐漸變高，如果在設計工作中不重視地下室的抗浮設計，就會致使地下室底板裂縫、底板上浮甚至整體結構“漂浮”，發生嚴重破壞。

1 地下室概述及其抗浮設計原理

（1）根據《建筑工程建筑面積計算規范》（GB/T 50353-2013[3]）：房間地平面低于室外地平面高度超過該房間凈高1/2者為地下室。高層建筑基礎埋深一般較大，工程建設中通常利用該部分深度建造地下室，以此達到最佳的經濟效果和使用效果。

（2）根據阿基米德原理，浸在液體中的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于物體排開的液體所受的重力。當地下室底板埋深在抗浮設計水位以下時，地下室會受到向上的浮力，浮力的來源就是地下室底板與抗浮設計水位之間的抗浮水頭高度。根據《建筑工程抗浮技術標準》（JGJ 476-2019[4]）第6.2.1條，抗浮設計水位高程與地下結構底板底面高程水位差產生的浮力標準值計算如下：

式中：Fw——靜水位差產生的浮力標準值（kN）；

?w——水的重度（kN/m3）；

△hw——抗浮設計水位與地下結構底板底面地下水位差值（m）。

由以上公式可以得出，地下室所受到的浮力標準值主要與抗浮設計水位與地下結構底板底面地下水位差值，也即抗浮水頭高度有關，抗浮水頭高度越大，浮力標準值也越大。因此，準確合理地確定地下水的抗浮水位，是抗浮設計的關鍵問題之一，勘察設計人員應該嚴格按照相關國家規范標準進行勘察和分析，并且當地下水賦存條件變化較大時、有充分的江河水補給時以及降水豐富地區，應當進行更為嚴格的分析和論證。

（3）根據《建筑工程抗浮技術標準》（JGJ 476-2019[4]）第3.0.3條，建筑工程抗浮穩定性應符合下式規定：

式中：G——建筑結構自重、附加物自重、抗浮結構及構件抗力設計值總和（kN）；

Nwk——浮力設計值（kN）；

Kw——抗浮穩定安全系數，按表1確定。

因此，地下室結構應按照施工期和使用期分別進行抗浮設計，且當地下室結構及附加物的自重之和與浮力設計值之比大于表1中的安全系數時，則此時該結構滿足抗浮驗算要求。

表1 建筑工程抗浮穩定安全系數

2 地下室抗浮設計措施

工程設計中，當地下室結構抗浮驗算不滿足《建筑工程抗浮技術標準》（JGJ 476-2019[4]）的相關規定時，應對該地下室結構采取抗浮措施。

（1）利用結構自重或配重進行抗浮。該措施通常用于結構自重與地下水浮力相差不大的情況。由抗浮基本原理，用于結構抗浮的結構自重主要包括，上部結構傳遞至地下室頂的恒荷載、地下室結構梁板自重、地下室墻體自重以及地下室底板自重，且結構自重計算時應采用結構材料自重的標準值，當結構材料自重標準值在某一范圍內取值時，建議取范圍內的低值，此時計算得到的結構自重偏低，抗浮驗算偏于安全。若利用結構自重抗浮不滿足要求時，可進行配重法抗浮，即利用附加物的自重抵抗水浮力，工程中常采用的配重法包括：加深地下室底板埋深后覆土或澆筑素混凝土抗浮、加厚地下室底板厚度抗浮、加寬底板外挑寬度抗浮等。同時應注意，加深底板埋深的同時，地下室抗浮設計水頭隨之增加，結構受到的水浮力也在增大，因此，若結構自重與地下水浮力相差較大，采用此方法進行抗浮設計時需大量覆土或澆筑素混凝土，則對工程的經濟性不利。

（2）增設抗浮錨桿進行抗浮。抗浮錨桿，指錨固在地基中與地下結構底板共同承擔地下水浮力的抗拔構件。抗浮錨桿適用于抗浮水頭較高、結構自重較小時，且需錨固在較堅硬的巖土層中。目前在工程設計中，常用的抗浮錨桿計算方法是：地下室底板下滿鋪錨桿，不考慮結構自重的抗浮作用，地下水浮力作用全部由抗浮錨桿承擔，即總的地下水浮力設計值/單根抗浮錨桿設計值=抗浮錨桿根數。此方法忽略了結構自重對抗浮的有利作用，計算所得錨桿根數偏于保守，實際結果偏于安全。然而實際情況是，在地下室墻體下方的底板往往因墻體自重的有利作用，抗浮驗算是滿足要求的，此處在理論計算上不需要布置抗浮錨桿或者布置的數量較少。因此合理的做法是，在墻體下方地下水浮力設計值應扣除墻體自重后，再計算此區域應布置的抗浮錨桿根數，而僅有地下室底板的區域可根據前述方法進行計算。

《高層建筑巖土工程勘察標準》（JGJ/T 72-2017[5]）第8.6.12條給出了抗浮錨桿承載力特征值的計算方式：

式中：Fa——抗浮錨桿抗拔承載力特征值（kN）；

ui——錨固體周長（m）；

li——第i層巖土體與錨固體黏結強度特征值（kPa）。

應注意的是，抗浮錨桿施工前應進行錨桿基本試驗，施工后應進行錨桿驗收試驗，這兩項試驗應符合《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011[1]）及《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013[2]）的相關要求。

（3）根據《建筑工程抗浮技術標準》（JGJ 476-2019[4]），還可以利用排水限壓法、隔水控壓法以及泄水降壓法進行抗浮設計。此三種方法均為對地下水進行限制，可通過盲溝、排泄溝等自流排水泄壓，可通過地下連續墻、隔水帷幕等隔水控壓，亦可通過設置于地下室底板上的縱向集水管和橫向濾水層與地下弱透水層形成有效連通進行泄水降壓。此方法對相關設備及設施的穩定性要求較高，且需進行定期維護，故相對運營成本較高。

3 工程案例

本工程抗浮設計等級為乙級，地下室平面及剖面見圖1，長25.525m，寬13.800m，±0.000相對絕對標高為277.45m，根據巖土工程勘察報告，抗浮水位為273.00m。擬利用結構自重進行使用期的抗浮設計[6]。

圖1 抗浮驗算簡圖

地下室底板底部在抗浮水位以下的高度為273.00-（277.45-4.2-0.4）=0.15m

浮力Nwk=25.525×13.8×0.15×10×1.0=525.5kN

池壁自重：G1=[（13.8+24.925）×2×0.3+13.2×0.3]×4.6×25=3127kN

頂板自重：G2=25.525×13.8×0.15×25=1321kN

底板自重：G3=25.525×13.8×0.25×25=2202kN

整體抗浮安全系數Kw=G/Nwk=（3127+1321+2202）/525.5=12.65＞1.05，滿足抗浮設計要求。

4 結束語

在經濟高速發展的時代，我們所居住的城市也在大踏步地向前發展，城市建筑用地日趨緊張，地下空間結構的開發成為發展的趨勢，隨之帶來的地下結構抗浮設計是工程設計人員必須著重關注的設計要點，相關設計人員需要仔細研讀巖土工程勘察報告，理清地下室抗浮設計的基本原理，當結構自重抗浮驗算不滿足相關規范要求時，需要具體項目具體對待，綜合安全性、適用性、經濟性等原則，選擇合適的抗浮設計措施。