數(shù)據(jù)中心園區(qū)抗浮設(shè)計(jì)分析

惠麗潔

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司山東分公司，濟(jì)南 250010）

1 引言

隨著國家對新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力支持，各地大型數(shù)據(jù)中心也在如火如荼的部署建設(shè)中。數(shù)據(jù)中心園區(qū)主要包括數(shù)據(jù)中心機(jī)房、配套建設(shè)的動(dòng)力中心、室外獨(dú)立的地下水池水泵房及專業(yè)設(shè)備的地下隧道等。近年來，媒體報(bào)道的因水浮力造成的工程事故較多，數(shù)據(jù)中心作為重要的通信保障建筑，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也需重視其抗浮設(shè)計(jì)。

對于目前常用的4 層或5 層數(shù)據(jù)中心機(jī)房方案，一般只設(shè)置埋深較淺的局部半地下室，其抗浮基本不需專門設(shè)計(jì)。而對于配套建設(shè)的動(dòng)力中心、室外獨(dú)立的地下水池水泵房等，為滿足園區(qū)規(guī)劃和設(shè)備專業(yè)的需求，通常設(shè)置埋深較大的地下室，而地上結(jié)構(gòu)重量較輕或沒有地上結(jié)構(gòu)，造成壓重不足，當(dāng)場地地下水位較高時(shí)，極易使結(jié)構(gòu)發(fā)生上浮破壞，因此，對于這些結(jié)構(gòu)需重點(diǎn)考慮抗浮設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)不足輕則導(dǎo)致地下室底板起拱、裂縫，重則使地下室上浮，結(jié)構(gòu)柱柱頂破壞。對于數(shù)據(jù)中心園區(qū)，地下室基本用于水池、水泵房等。一般土建投資在整個(gè)數(shù)據(jù)中心園區(qū)的建設(shè)投資中占比較小，但是一旦結(jié)構(gòu)抗浮失效，會(huì)導(dǎo)致地下室漏水甚至破壞，造成的影響卻非常大，因此，數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)工程師須加強(qiáng)抗浮設(shè)計(jì)意識，防范技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

2 抗浮設(shè)計(jì)方法

常用的結(jié)構(gòu)抗浮措施有增加壓重和設(shè)置抗浮構(gòu)件兩種方式。抗浮設(shè)防水位，即施工期和使用期內(nèi)滿足抗浮設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可能遭遇的地下水最高水位[1]，需由勘察單位在勘察報(bào)告中明確提出。增加壓重的抗浮措施有增加結(jié)構(gòu)自重、采用重度更大的回填材料、增加底板配重等方式，施工較為簡便，經(jīng)濟(jì)性好。當(dāng)增加壓重不能滿足結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性時(shí)，則需設(shè)置抗浮構(gòu)件來抵抗結(jié)構(gòu)所受的浮力，如設(shè)置抗浮錨桿或抗拔樁等。設(shè)置抗浮構(gòu)件往往施工麻煩且造價(jià)較高，實(shí)際工程中可同時(shí)采用增加壓重和設(shè)置抗浮構(gòu)件兩種措施。對于動(dòng)力中心局部地下室及室外獨(dú)立的地下水池水泵房，考慮其規(guī)模較小且增加壓重一般能滿足其抗浮計(jì)算，可優(yōu)先采用增加壓重的抗浮措施。

浮力計(jì)算的主要原理是阿基米德原理：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。工程上可適當(dāng)簡化計(jì)算，根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，基礎(chǔ)抗浮穩(wěn)定性應(yīng)符合式（1）的要求[2]：

式中，Gk為建筑物自重、壓重及其上覆土荷載之和，kN，為標(biāo)準(zhǔn)值；Nw，k為浮力，kN，為標(biāo)準(zhǔn)值；Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，可根據(jù)JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《抗浮標(biāo)準(zhǔn)》）表3.0.3 取值。

對于Gk，計(jì)算時(shí)需區(qū)分結(jié)構(gòu)施工期間和使用期間的荷載，且要考慮《抗浮標(biāo)準(zhǔn)》第6.3.7 條抗浮組合系數(shù)。計(jì)算Gk時(shí)，基礎(chǔ)上處于地下水位以下的回填材料需考慮水浮力的作用，當(dāng)采用土作為回填材料時(shí)，應(yīng)取土的有效重度；當(dāng)采用素混凝土作為回填材料時(shí)，素混凝土和基礎(chǔ)可視為一個(gè)整體，Gk計(jì)算計(jì)入混凝土重量，Nw，k計(jì)算也考慮素混凝土體積?；靥畈牧系闹囟葢?yīng)取GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定的較小值，壓密黏土的干重度可按16 kN/m3計(jì)算，普通混凝土（振搗或不振搗）的重度可按22 kN/m3[3]。

3 工程實(shí)例分析

以某數(shù)據(jù)中心的配套動(dòng)力中心抗浮設(shè)計(jì)為例，此動(dòng)力中心地上結(jié)構(gòu)為1 層，設(shè)局部地下室，其中，地下室基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，非地下室部分基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。地勘報(bào)告為：第①層為雜填土（Q4ml），厚2.50～3.50 m；第②層為粉質(zhì)黏土（Q4mh），厚度2.00～2.50 m，地基承載力特征值fak=90 kPa；第③層為全風(fēng)化砂巖，厚3.00～4.20 m，fak=300 kPa，工程特性較好，性質(zhì)較均勻，可作為基礎(chǔ)持力層；第④層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，厚2.00～5.40 m，可作為擬建建筑物深基礎(chǔ)持力層，fak=500 kPa；第⑤層為中風(fēng)化砂巖，未揭穿，可作為擬建建筑物深基礎(chǔ)的持力層，fak=2 000 kPa。場地抗浮設(shè)防水位為-1.450 m（首層室內(nèi)地面標(biāo)高為正負(fù)零），室內(nèi)外高差0.75 m，地下室底板頂標(biāo)高為-6.400 m，地下室頂板頂標(biāo)高為-0.800 m。

本工程地下室筏板基礎(chǔ)以第③層全風(fēng)化砂巖為持力層，筏板厚600 mm，墊層厚150 mm（因地下水具有腐蝕性），基礎(chǔ)平面圖如圖1 所示?？垢≡O(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)施工圖需明確停止降水的時(shí)間和條件，本工程需滿足動(dòng)力中心屋面板施工完畢，地下室頂板采用素土回填至首層地面，基坑采用素土回填至室外地坪，或采取同等措施不令水浮力形成方可全面停止降水。其中，素土重度不小于16 kN/m3，壓實(shí)系數(shù)不小于0.94?？紤]動(dòng)力中心地面設(shè)備管溝較多，地下室頂板上盡量不采用素混凝土回填，若必須采用，回填厚度需根據(jù)管溝深度確定。

圖1 基礎(chǔ)平面圖

3.1 地下室整體抗浮計(jì)算

上部結(jié)構(gòu)傳來的恒載=32 502 kN（采用軟件計(jì)算結(jié)果）。

筏板基礎(chǔ)及其上恒載（筏板自重＋墊層重量+筏板板面恒載重量+回填材料重量）=18 207 kN，通過計(jì)算確定。

根據(jù)《抗浮標(biāo)準(zhǔn)》第6.3.7 條，上述計(jì)算中結(jié)構(gòu)填充墻、地下室頂板及側(cè)壁回填素土的荷載組合系數(shù)按0.9 組合系數(shù)考慮。

水浮力作用高度hw=5.95 m，水的重度取10 kN/m3，地下室整體所受水浮力：Nw，k=39 437 kN。

根據(jù)式（1），Kw=Gk(上部結(jié)構(gòu)傳來的恒載+筏板基礎(chǔ)及其上恒載)/Nw，k=(32 502+18 207)/39 437=1.28≥1.05，滿足施工期間抗浮穩(wěn)定性要求，且≥1.1，滿足使用期間穩(wěn)定性要求。

所以，地下室整體抗浮穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 地下室局部抗浮計(jì)算

地下室不僅需進(jìn)行整體抗浮計(jì)算，局部抗浮同樣需引起重視。對于動(dòng)力中心，因1 層放柴油發(fā)電機(jī)及其基礎(chǔ)，地上結(jié)構(gòu)跨度大，地下室頂板荷載大，一般在地下室內(nèi)部增加結(jié)構(gòu)柱，如圖1 中1/B 軸、1/D 軸上的柱，因柱上端沒有豎向集中荷載傳遞，此位置基礎(chǔ)在地下水作用下有明顯的上浮位移，為局部抗浮最不利處，如圖2 所示。當(dāng)基礎(chǔ)局部抗浮不滿足要求時(shí)，可設(shè)置筏板加厚區(qū)等來滿足抗浮設(shè)計(jì)。

圖2 筏板基礎(chǔ)在組合1.0 恒-1.05 浮作用下的位移圖

以1/B 軸為中心，取5.3 m 寬基礎(chǔ)板帶進(jìn)行計(jì)算，核算面積：A1=5.3×22.1=117.13 m2。在此板帶區(qū)域設(shè)置0.2 m 厚的加厚區(qū)，則此區(qū)域筏板厚度為0.8 m。

上部傳來恒載=3 896 kN（采用軟件計(jì)算結(jié)果）。

筏板基礎(chǔ)及其上恒載（筏板自重＋墊層重量+筏板板面恒載+回填材料荷載）=3 061 kN。

上述計(jì)算中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充墻、地下室頂板及側(cè)壁回填材料重量的荷載組合系數(shù)在計(jì)算時(shí)按0.9 考慮。

水浮力作用高度hw=5.95 m，水浮力Nw，k=6 595 kN。

Kw=Gk(上部傳來恒載+ 筏板基礎(chǔ)及其上恒載)/Nw，k=6 982/6 537=1.054＞1.05，滿足施工期間抗浮穩(wěn)定性要求。

使用期間：按設(shè)備擺放區(qū)域局部回填土替換為油機(jī)基礎(chǔ)及油機(jī)設(shè)備自重后另增加重量為：684 kN（僅考慮5.3 m 板帶寬度范圍）。

Kw=Gk(上部傳來恒載+ 筏板基礎(chǔ)及其上恒載)/Nw，k=7 641/6 595=1.15＞1.1，滿足使用期間抗浮穩(wěn)定性要求。

所以，地下室局部抗浮穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 設(shè)置抗浮構(gòu)件

當(dāng)增加壓重不能滿足結(jié)構(gòu)抗浮要求時(shí)，需設(shè)置抗浮構(gòu)件來抵抗結(jié)構(gòu)所受浮力，或同時(shí)采用增加壓重和設(shè)置抗浮構(gòu)件兩種措施，常用的抗浮構(gòu)件有抗拔樁和抗浮錨桿。設(shè)計(jì)抗拔樁或抗浮錨桿時(shí)，拉力設(shè)計(jì)值為1.35×（水浮力標(biāo)準(zhǔn)值-壓重標(biāo)準(zhǔn)值），地基承載力極限值不小于2×（水浮力標(biāo)準(zhǔn)值-壓重標(biāo)準(zhǔn)值），需注意抗拔群樁或抗浮錨桿的整體破壞。實(shí)際設(shè)計(jì)中可根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行抗浮方案試算，選擇合理的抗浮措施。

3.4 施工期間抗浮風(fēng)險(xiǎn)提示

抗浮設(shè)計(jì)除根據(jù)抗浮設(shè)防水位進(jìn)行施工期間和使用期間的抗浮計(jì)算，還需注意施工期間尤其是雨季施工地表水侵入基坑引起的結(jié)構(gòu)上浮。近期，司法判定的幾起地下室上浮工程事故均為施工期間地下室結(jié)構(gòu)抗浮措施不足，地表水流入基坑引起的結(jié)構(gòu)上浮破壞。對于數(shù)據(jù)中心園區(qū)設(shè)計(jì)中的動(dòng)力中心、室外獨(dú)立地下水池水泵房及地下設(shè)備隧道施工過程中基坑開挖較深，基坑回填前均需注意地表水侵入基坑使結(jié)構(gòu)上浮。為此，有圖審機(jī)構(gòu)建議結(jié)構(gòu)工程師在施工圖中明確注明：基坑基槽回填前，施工單位應(yīng)采取防止地表水侵入基坑基槽的措施，避免因地表水侵入基坑基槽導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)上浮，且施工單位應(yīng)編制地表水侵入基坑基槽的應(yīng)急處理預(yù)案。這對于結(jié)構(gòu)工程師具有重要的借鑒意義。

4 結(jié)語

地下室抗浮是一個(gè)勘察階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段都需要引起足夠重視的問題[4]。數(shù)據(jù)中心因其特殊的工藝需求，結(jié)構(gòu)不同于普通民用建筑，且一旦發(fā)生破壞，后果極為嚴(yán)重。作為設(shè)計(jì)方，需提高結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)意識，并通過方案比選選擇經(jīng)濟(jì)合理、施工簡便的抗浮設(shè)計(jì)方案。此外，應(yīng)在圖紙中明確提示施工單位應(yīng)采取措施防范地表水和地下水侵入基坑，避免施工期間地下結(jié)構(gòu)上浮，防范技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。