淺談房屋建筑中水浮力的影響

童巧 張懿睿 陳彤

摘 要 在現代經濟不斷地發展情況下，城市房屋建筑規模不斷擴大，地下空間不斷得到開發，21世紀已然成為地下建筑的世紀，毫無疑問地下建筑將是未來所有房屋建筑的標配和必要元素。連續的強降雨以及地下水位增高等，都會導致地下水浮力增大進而影響地下建筑，造成的建筑事故也層出不窮。國內外目前對于地下水浮力的研究十分微薄，但地下水浮力已然成為一個熱點問題，針對實際案例對水浮力進行研究有非常重要的意義。因此本文以三個實際建筑受地下水浮力影響案例對房屋建筑中地下水浮力的影響進行一定的研究并作出一定的總結。旨在為今后類似研究提供一定的參考。

關鍵詞 建筑施工 水浮力 地下建筑 裂縫 抗浮

中圖分類號：TU2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）01-0024-03

1 地下水浮力的本質

水浮力指浸在水里的物體由于受到水對物體向上和向下的壓力差而被水向上托起的力。

同理房屋建筑中的地下水浮力可以理解為在房屋建筑施工時，在地下水上方的建筑物也會受到地下水向上托起的一個力。

在房屋地下建筑施工過程中，對于開鑿地下室，建筑師往往將重心放在地下坍陷上，主要原因就是認為建筑施工材料例如混凝土自身重力遠大于浮力，從而忽略水浮力也會對地下建筑造成不利影響。

其實不然，混凝土水船以及水上的房屋建筑都是存在的，均是利用水浮力原理制造而成。早在1917年就在挪威出現了由混凝土建筑而成的船，這類船船身巨大且結構堅固，比普通船更適合在海上運輸大型貨物。中國馬尾造船廠1974年也建造了長105米重3000噸的鋼絲水泥船—“古田號”（如圖1），該船就是借助了船身自身重力與水浮力之間的關系建筑而成，并且因為該船船身材料特殊性榮獲了當年全國交通系統重要科技成果獎。近年來漂浮在海上的自給房屋（如圖2）的出現也從另一個側面證實了在房屋建筑當中水浮力的強度并不小。

隨著時代的前進，在城市地下房屋建筑不斷發展的情況下，人們對于建筑的質量要求也越來越高，所以對于任何會影響房屋地下建筑的因素例如水浮力，不僅不可以忽略，還要將它視為地下建筑施工的一大重點。

2 地下水浮力造成建筑損壞的典型案例

2.1 海口市夢幻小區

2.1.1 小區建筑特點

該小區屬于一商業型小區，位于海口市重要地段。目前夢幻園在早期發生的建筑上浮現象的經驗下，舍棄了小區地下車庫的設置，轉向地面車庫，但車位緊張。早期剛建立好主體工程—兩棟商住樓時，發生過嚴重的建筑上浮事件。本文對于夢幻園早期上浮事件進行一定的研究分析。

夢幻園的建筑設計以高層建筑為主，這就體現在它的兩棟主要住宅建筑都是高于27米的高層建筑。同時由于地勢特殊在兩棟主樓底部中間建立了一附屬建筑體，也就是裙樓。該附屬建筑體為6層的多層住宅，含地下建筑兩層，占地面積3000m2有余。裙樓在建筑上采用了底面積大可減少基底壓力的筏型基礎，同時在其下部也設置了隔水層。

2.1.2 具體損壞現象及原因分析

夢幻園裙樓于1994年就開始施工，在地下建筑施工進程達到一半，基抗降水工作還未完成時，由于一些原因建筑施工單位停止施工。碰巧當時區域連續暴雨，地下水不斷滲入到基抗當中，地下水的水位不斷升高，大量地下水帶來的地下水浮力導致地下建筑基礎竟然上浮70㎝高。

在這樣意外的損失發生之后，建筑設計單位聯合樓住戶等對現場進行了一定的勘測，建筑施工單位也根據所給出的對應措施立馬進行了一定的補救。在及時補救之后三方針對裙樓地下建筑部分損壞現象也做出了一定的總結，請求專家進行了防護知識普及。

其中基礎剪力墻發生了較為嚴重的扭裂，針對這一現象采用了人工降低地下水位的處理辦法，但最終還是有30cm不能歸位。而這件事情發生之后的兩年里，建筑設計以及施工單位聯合住宅業主仍不斷地做一定的補強工作，但由于此次損失過于嚴重導致地上建筑無法施工。當1996年9月大暴雨襲擊時，海口市臨海水位不斷上漲甚至高出海岸邊的水位，導致海水流入住宅區，使該基礎的排水系統失效而造成基礎第二次整體上浮。該建筑再次受到水浮力的影響，不斷上浮至4.5m的高度。

該夢幻園裙樓受到地下水浮力影響而造成的損失主要由于基抗降水未單位而導致條件不夠干燥，施工單位認為建筑施工材料例如混凝土自身重力遠大于浮力，而忽略了水浮力。

2.2某大型地下車庫

2.2.1 建筑特點

該地下大型車庫同上文案例夢幻園裙樓不同，它在施工開始之后，就及時將屋面混凝土澆筑完，雖然由于施工單位原因在當年冬月暫停了施工，但他們將還未完成的部分以及車庫大門都進行了封閉的保溫處理。

下表列出車庫相關內容：

在第二年春天恢復施工時，卻發現地下車庫的墻、梁、柱等有明顯的開裂，同時還發現地下車庫結構上多處出現了隆起。具體損失就表現地下車庫的屋頂處也出現了很多不規則的裂縫，同時底部也出現了相對于屋頂來說比較少的裂縫，但滲出了一部分地下水。框架梁等都出現了裂縫，并且發現越靠近墻體裂縫越大。柱子的頂部和底部出現損失但中間部分卻沒有明顯損失，且通過觀察發現越靠近地下車庫中間部分，裂縫越小，反之越靠近四周裂縫越大。

結合以上損失特點，建筑設計與施工單位人員采用全站儀測量儀測量地下車庫周邊與中間部分的高程，結果發現越靠近地下車庫中部高程越大，反之越小。

2.2.2 原因分析

為了分析出導致地下車庫出現此類現象的真正原因，該地下車庫工作人員以及建筑施工單位人員聯合有關工作者對損失現象進行了一定的分析，認為地下車庫地域溫度變化、地下水浮力、混凝土收縮以及土由于受凍之后發生膨脹等均可能導致此類現象的發生，并將所有可能原因一個一個進行驗證。

由于該地下車庫在冬天做了完好的保溫處理，所以車庫地域溫度變化以及混凝土由于冬天溫度過低受凍以后發生膨脹這兩個原因并不成立。而經過與施工材料，施工條件一致的另一區域對比發現，溫度引起混凝土收縮變化的原因也不成立。由此便確定是地下水浮力導致此類現象的產生。正是由于地下水浮力的影響，導致地下車庫的墻、梁、柱等出現開裂等現象。

2.3 某地下車庫

2.3.1 地下車庫建筑特點

與上兩個案例均不同的是，該地下車庫做了更為合理的防地下水浮力措施，例如在上部地層的建筑中采用填土和具有不透水性的粘土組成，同時基抗也保持了一定的干燥。車庫大小約為長100米、寬30米、深5.5米的長方體，并且建筑施工單位還在該車庫中間部分的頂部和周邊側墻處設置了一定的伸縮縫。

但不久地下車庫就出現中間部分伸縮縫處發生不規則的上浮，高達40㎝，且出現了一定的開裂，建筑物例如柱子等發生傾斜。同時通過利用全站儀測量儀測量該地下車庫中間部分以及邊緣部分的建筑高程發現該地下車庫出現了與上文大型地下車庫案例一樣的現象，越靠近車庫中部的高程越高，反而越靠近車庫周邊高程越低。于是建筑施工單位立即對該地下車庫建筑各部分進行了一定的勘測，結果顯示在填土層有一定量的地下水。這便證實了是地下水影響了該地下車庫建筑，地下水浮力導致了建筑物開裂，上浮等損失現象。

針對該類損失的發生，雖然建筑施工單位進行了一定的補救措施，例如將地下水排出，將地下填土層再次進行夯實等，但仍不能完全處理好地下水浮力造成的建筑問題，并且由于此次建筑上浮事件的出現該地下車庫的建筑耐度受到了一定的影響，該地下建筑的排水一直處于薄弱狀態。

2.3.2 車庫上浮原因分析

而對于該地下車庫上浮事件經過一定的勘測和結果分析后，得知該地下車庫上浮的原因就在于建筑施工單位在基坑回填時沒有夯實處理，導致地下水以及雨天產生的雨水等滲入到該填土層中，加上黏土層為不透水層，進而使水滯留在基抗中，導致地下水浮力大于地下車庫自身重力，從而導致地下車庫上浮。

3 減少水浮力的影響措施以及建議

通過上文三個實際案例可分析得到當地下水浮力超出地下建筑自身重量時會導致地下建筑在地下水浮力作用下產生隆起變形和地下建筑整體上移的趨勢，而在周邊擋墻處該上移趨勢受土體約束，致使各柱、墻豎向變形不一致，導致結構構件開裂甚至局部損失[1]。

那么對于地下水浮力應該采取什么樣的措施來抗水浮力的影響呢？在這里也做出一定的優化建議。

3.1 在建筑施工前對水位進行一定分析

建議在對區域進行建筑施工開始前，建筑設計人員對該區域地下水位做出實地研究，并對于研究得出的地下水位嚴格按照水浮力計算方法計算出水浮力取最大值，并進行一定的修正后用于計算相應的地基承載力。將計算出得地基承載力以及地下水浮力作為參照標準對想要施工的區域進行能否施工的判斷。在計算過程中也要注意當年該區域的水位變化，將連續暴雨，洪水爆發等突發事件考慮進去。如果當年該區域水位處于一個和往年相比比較正常的范圍內，可以就計算結果進行建筑施工;如果當年水位變化與該區域往年水位大不相同，并有超過往年最高水位，那么對于該區域的地下建筑施工還需做進一步研究。

3.2 增加地下建筑抗浮力

在上文夢幻園案例中該地下建筑受到水浮力影響就存在建筑師認為建筑施工材料混凝土自身重力遠大于浮力，從而忽略水浮力也會對地下建筑造成不利影響的原因。那么在減少地下水浮力對地下建筑影響上，就可以增加地下建筑材料的自重也就是常所說增加結構自重以及地下建筑邊界墻與土的摩擦力進而達到抗浮的要求。而抗浮的方法還有很多，包括設計抗水板，在抗水板上規則布置抗浮錨桿等，在錨桿的設計中也需要注意錨桿長度、錨桿間距、錨桿直徑等內容。

3.3 減少地下水浮力

類似的，也可以盡力減小地下水的浮力大小或者減少地下水與地下建筑的接觸。這就體現在采用一系列防滲水措施，以達到減少地下水與地下建筑的接觸;例如采用集水坑降水法，井點降水法等降低地下水的水位，使其處于一個安全范圍;同時在地下建筑的過程中也可以采用一些不透水性的建筑材料，多層建筑地下建筑物，均可以達到減少地下水浮力的作用。

4 總結

通過對三個實際建筑受地下水浮力影響案例的研究發現，地下水浮力對地下工程結構產生影響的主要原因是建筑設計時對抗浮力考慮不周[2]。

即建筑施工時忽略了地下水浮力的影響。即使考慮到了地下水浮力的影響，在地下建筑的抗浮設計上也缺乏一定的經驗。于建筑設計時沒有對需要施工的建筑區域進行詳細科學的水位計算等。地下水浮力會導致地下建筑在地下水浮力作用下產生隆起變形和地下建筑整體上移的趨勢，而在周邊擋墻處該上移趨勢受土體約束，致使各柱、墻豎向變形不一致，導致結構構件開裂甚至局部損失。

隨著時代的前進，在城市地下房屋建筑逐漸發展的情況下，21世紀已發展為一地下空間世紀。地下建筑的開發越來越頻繁，由于忽略水浮力而引起的建筑事故也不斷發生，這也讓建筑上不得不重視水浮力這一因素。現今針對于地下建筑中水浮力的研究還很少，在未來地下建筑的施工過程中，地下水浮力的相關計算以及地下結構抗浮能力還需要進一步的提高和完善，才能減少地下水浮力導致的建筑事故發生。

參考文獻：

[1] 簡斌，盧鐵鷹，李少巍，陰可.地下水浮力對地下建筑結構安全的影響[J].土木建筑與環境工程，2010，32（01）：56-60.

[2] 郝艷娥，蘭永強.水浮力對地下工程結構的影響及預防措施探討[J].科技創業家，2014（05）：29，31.

（西華大學 土木建筑與環境學院，四川 成都 610039）