谢校锋
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摘要：随着我国城市化进程的快速发展，对地下空间的开发力度日益增大，需要设置超深超大面积地下室的工程项目越来越多。受周边环境、工程地质与水文地质因素制约，目前地下室设计及施工中遇到了许多新的技术问题亟待解决，地下室抗浮问题即是其一。众多工程实例表明，一旦抗浮不满足设计要求，轻则引起地下室底板局部隆起或者开裂需进行加固处理，重则引起建筑物倾斜甚至丧失使用功能，无论何种情况都造成巨大的经济及社会效益损失。因此进行地下室抗浮设计并采取必要的抗浮措施十分必要。
关键词：地下室；抗浮设计；抗浮措施；
一、基本概念说明
在地下室由于水浮力作用而引发的多起工程亊故中，可以总结发现，多数都是由于工程设计人员对地下水的作用认识不足，抗浮设计的基本概念不够清晰明确，常见因素可以简单的概括为下面几种情况：
1）设计过程中只重视地下室主要结构构件的设计，忽视了对整体抗浮验算的深入分析，忽视在施工过冲进行抗浮，简单认为地下室不可能浮起来；
2）在出现地下室底板裂缝、漏水的情况下，只是简单地认为是一般的工程事故，错误地判断为温度应力作用、砼施工质量问题等，没有考虑到地下水的原因；
3）对于那些基底为不透水土层地基的情况，深基坑在建设中又采用了多种方式进行联合支护，忽视水的浮力。
根据物理学常识，几万吨的大船可以在江、河、海中无阻碍地航行，由此可见水的浮力是多么巨大。在工程施工中，地下室可以看成是像一条“船”，地下室底板和侧墙形成一个密闭的船身，其水浮力的计算原理它浸泡在水中的体积乘以水容重，可见水浮力的作用非常大。地下室的抗浮设计就是要使这个船既不上浮，船身又不破坏，因此，地下室的抗浮设计应进行整体和局部抗浮计算和验证。
为了能够有效地防止地下室整体上浮，人们通常采用两种做法，一类为“压”，一类为“拉”。当采用“压”的做法时，就可以利用建筑的自重来平衡地下室水的总浮力，当不能平衡时，必须增加“拉”的做法，即采用桩或锚杆等来抵抗地下水的浮力。不管是“压”，还是“拉”的做法，都必须首先进行整体抗浮验算，保证总的抗浮力大于水的总浮力。工程上的局部抗浮验算，除了要对梁板墙柱结构构件的强度、变形和裂缝进行验算，还应该对局部抗浮能力进行验算，对于地下室面积比较大，且地上建筑为多栋高层或底层建筑的情况，这些建筑本身的自动就不够均匀，当上部的恒荷载较大时，就会使得该范围内的整体抗浮能力较高；但是，如果上部没有建筑，或者建筑不够多，就应该进行局部的分区和分块抗浮验算，特别注意关键部件的压力或者拉力是否能够抵消其所受到的局部区域的浮力总值。
二、地下室的抗浮设计分为三种情况
1、地下室施工完毕后便停止降水，这时即便地上结构层数较多，但因上部结构还没有施工，地下室的自重无法抵抗地下水的浮力。这种情况下应对地下室进行施工阶段的抗浮验算，并采取相关的抗浮措施。
2、下水位较高，且地下室埋深较大、地上结构层数较少。这种情况下，结构的自重无法抵抗地下水的浮力，需对整体结构进行抗浮验算。
3、本身的自重可以抵抗地下水的浮力，但是地下室底板也需进行抗浮设计。
三、地下室抗浮措施
3.1 无抗浮构件作用下的抗浮措施
3.1.1 压重抗浮
当不满足抗浮稳定性验算时，对于不采用抗浮构件作用的地下结构，可采用增加自重的方式来满足抗浮要求。
1）增加地下室结构自重，如适当增加顶板或底板的厚度。
2）增加结构层数，如增加设备层，非使用空间等。
3）用大容重材料对地下室地面进行回填。
4）在地下室顶板增加覆土厚度。
3.1.2 降低抗浮设计水位
由浮力计算公式可以看出，降低抗浮设计水头高度可减小水浮力。通过结构优化，在确保地下室使用净高的前提下减小地下室的埋置深度可实现降低抗浮设计水位的要求。具体可采取如下措施：
1）采用平板式筏板基础，较梁板式筏板基础底标高略有抬高，水浮力相应减小。
2）顶板采用宽扁梁或无梁楼盖，厚顶板不仅增加了结构自重，而且在保证使用净高的情况下，底板标高可相应抬高，有效降低了抗浮设计水位。
3.2 设置抗浮构件作用下的抗浮措施
3.2.1 设置抗拔桩
通过抗拔桩本身自重和与周边土的摩擦力实现与水浮力相抗衡的抗拔力，可均匀布置于筏板下，也可较集中地布置于柱、墙下。
设置抗拔桩时的抗浮计算
基桩抗拔力 N k应按照《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008第 5.4.5 条同时进行群桩基础呈整体破坏和呈非整体破坏时的抗拔承载力验算。
3.2.2 设置抗浮锚杆
1）抗浮锚杆的计算
抗浮锚杆通过在底板与其下坚硬土层或岩土体之间设置锚杆和砂浆组成的锚固体建立抗浮力，因其布置灵活、受力合理、造价低廉等优点而得到广泛应用。
抗浮锚杆可根据《建筑地基基础设计规范》GB5007-2011第 6.8.6 条进行计算：
Rt= ξf u r h r
式中：Rt为锚杆抗拔承载力特征值，ξ 为经验系数，对于永久性锚杆取 0.8，f 为砂浆与岩石间的粘结强度特征值，ur为锚杆周长，hr为锚杆锚固段嵌入岩层中的长度，当长度超过 13 倍锚杆直径时，按 13 倍锚杆直径计算。
2）抗浮锚杆的布置
抗浮锚杆可采用面式、线式或点式等 3 种形式布置。
优点：（1）上部结构通过柱、墙向下传递荷载，锚杆在这些点下布置可充分抵抗浮力作用；（2）因锚杆布置具有局部密度大的特点，故锚杆荷载可相互协调，对个别锚杆承载力不足的情况具有一定的相互补偿性。
缺点：（1）土体摩阻力较小地层如软岩或土体等不适用；（2）地下室底板钢筋用量大。
3.2.3 永久性降低地下水水位
通过设置永久性降水井或者其他措施根据设计要求动态抽水防止地下水水位上升也可降低地下水浮力。该方法用于常规方法无法满足抗浮要求的情况，如珠海市绿杨湾地下室工程抗浮设计时采用了人为控制地下水水位的方法，具有一定的经济效益。
四、下室抗浮设计的常用方法
4.1 自重平衡法，即：采用回填土、石或混凝土等手段，来平衡地下水浮力；
4.2 抗力平衡法，即：设置抗拔锚杆或抗拔桩，来消除或部分消除地下水浮力对结构的影响；
4.3 浮力消除法，即：采用疏、排水措施，使地下水位保持在预定的标高之下，减小或消除地下水对建筑物的浮力，从而达到建筑物抗浮的目的；
采用浮力消除法的相关问题：①地下室底板宜位于弱透水层；②地下室四周及底板下应设置截水盲沟，并在适当位置设置集水井及排水设备；③设置排水盲沟，应具有成熟的地方经验，必要时应进行相关的水工试验。应采取确保盲沟不淤塞的技术措施（如设置砂砾反滤层，铺设土工布等），并加以定期监测和维护，保证排水系统的有效运转。
4.4 综合设计方法，即：根据工程需要采用上述两种或多种抗浮设计方法，采用综合处理措施，实现建筑物的抗浮。
上述设计方法（1）和（2），从工程角度属于“抗”的范畴，能解决大部分工程的抗浮问题，但对地下水浮力很大的工程，投资大，费用高。而设计方法（3）则属于“消”的范畴，处理得当，可以获得比较满意的经济、技术效果。
一般情况下，当地下水位较高，建筑物长期处在地下水浮力作用下时，宜采用自重或抗力平衡法；当地下水位较低，建筑物长期没有地下水浮力作用或水浮力作用的时间很短、概率很小（虽然其有可能在某个时间出现较高的水位）时，宜采用浮力消除法。采用“抗”和“消”相结合的设计方法，对于防水要求不是很高的大面积地下车库等建筑尤为重要。
五、抗浮桩的设计
抗浮桩宜采用抗拔性能较好的桩型，如扩底桩，挤扩桩，锚杆等。抗浮桩可与建筑主体的抗压桩采用不同的桩型和桩长，桩端可以不在同一个持力层上。抗浮桩应根据环境类别及水土对钢筋的腐蚀程度，钢筋种类对腐蚀的敏感性及荷载作用时间等因素确定抗拔桩的裂缝控制等级，且抗浮桩须通长配筋。抗浮桩应尽可能不采用预应力管桩，因为光滑的圆断面桩在饱和土内抗拔性能很低，其抗拔承载力很难达到理论计算值，抗拔效果大大减弱而增加了安全隐患。目前抗浮桩的设计是工程设计中最为广泛使用的一种解决方法。但仔细分析，这种方法也有一定的局限性，因为地下室的抗浮设防水位是根据拟建场地历年最高水位结合近几年的水位变化情况提出来的，即使是经过重新评估后确定的抗浮设防水位，也是按一定的统计规律得出的结论，很显然，这种方法确定的地下水位在一般情况下很难达到，加之设计计算的不精确性也使得抗浮桩都具有一定的安全储备，因此，“抗浮桩”实际上长期起着“抗压桩”的作用，这种“反作用”将阻碍有抗浮要求的地下室的合理沉降，而这种变化将会使不设缝的大底盘地下室在主体结构和裙房之间产生更大的不均匀沉降差，这正是我们在设计中想极力避免的。因此，针对抗浮桩的使用，应该结合工程的实际情况及当地的工程经验。
结束语：
地下室的抗浮设计往往被忽略，而导致的不良后果便是地下室底板拱起，底板裂缝渗水甚至地下室上浮及结构破坏等，处理起来非常棘手且效果不好。因此，我们在设计中必须对地下水保持高度重视，还应根据工程特点、地质情况、场地条件、环境和当地当时的情况等因素，综合考虑，选择一个最佳的抗浮方案。
参考文献：
[1]浅谈地下室抗浮方案的选择 梅波勇 2014.9
[2]大底盘地下室抗浮设计与处理 李清宽 2015.2
[3]浅析地下室的渗水原因 . 王佳奇. 2017.7
论文作者:谢校锋
论文发表刊物:《防护工程》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/23
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