摘要：针对地下结构的广泛应用解决了空间拥挤问题，设计时因地下水位变化，做好地下室首要任务之一即做好地下室基础设计，抗浮设计水位的确定和桩基础设计的合理性问题，本文简要的分析和概述了对于不同含（隔）水层地层组合及地下室埋深，选取合理的抗浮设计水位方法，并选取合理的桩基础设计方法和抗压桩与抗拔桩的合理设计。
关键词：地下结构；设防水位；浮力；桩基础设计
1.引 言
随着我国经济社会和城市建设的发展，人民生活水平的不断提高，城市进程的加快，城市人口的不断增多，为了保证城市的发展不占用过多的土地，当前的城市发展选择了大力开发地下空间。对地下空间（地下室，地下车库，地下商场，民防工程等）的充足利用已经是一种不可或缺的发展趋势。可在地下建筑结构设计中存在大量的不确定性，特别是地下结构的抗浮设计，其关键就是在于抗浮设计水位的确定和桩基础合理的设计。
近年来，研究人员越来越重视地下结构的抗浮问题，虽然在现行的设计规范中有明确要求，在进行地下结构设计时，需要对地下结构物进行抗浮验算，然而规范中没有具体的设计方法和规定。因此，给设计人员在设计时造成了困扰，抗浮验算方法以及设防水位没有一个统一的规定，从而造成很多不合理的设计。从工程造价角度来看，经常考虑抗浮原因而使用大量的抗拔桩，在施工中，还得考虑基坑支护的合理设计和地下水的排放，结果地下结构比地上结构的造价大了很多；从安全的角度来看，很多工程时常造成施工过程中或竣工后结构物的上浮事故。因此，如何正确地进行地下结构的抗浮设计是值得大家去探讨和关注的问题。
随着人们逐渐意识到对水浮力计算方法规范化、统一化的必要性，学者提出了一些符合本地区地质情况的水浮力计算方法，并取得了不错的成果。如王建英等建议利用总安全系数法，裴豪杰利用水头折减，李广信等提出的粘土地基水浮力计算等。
本文根据自己所做的具体工程实例来分析和阐述在水浮力分类计算方法的基础上，提出了通过对含水地层的不同分布，对地下水状态的不同情况与产生地下水位的不同，有针对性地选取合理的水位，并根据水位变化的范围来考虑桩基础的抗拔与抗压受力的变化，以此提出桩基础设计的合理方法。
2.设防水位的选取
地下水位受自然环境和人类活动影响很大，呈不同的变化规律，设计应根据选取的不利状态合理的利用地勘报告所给出的水位变化，确定抗浮设计水位及抗压设计水位。
2.1对抗浮设防水位的认识的现状
现有的岩土工程勘察报告只提及最高水位及常年平均水位。因此，设计人员出于安全考虑，通常以最高水位作为设计水位。但以勘察报告提及的最高水位作为设计水位显然缺乏合理性和经济性。其实地下水位包括历年最高水位、最低水位、静止水位、稳定水位等，它是随着季节或补给条件而变化的。地下水位变化是一个随机过程，受人为因素和自然因素影响很大，因此，确定合理的抗浮水位有一定的困难，取历史最高水位明显是不合理的。有的勘察报告给予一个建议的抗浮设计水位，但从设计人员对工程项目的严谨的态度来说，还是应该有合理的确定方法。
抗浮设防水位合理的确定方法应该是在结构设计基准周期内（包括施工期），对多层地下含水层的水位进行分析，在此基础上确定抗浮水位。
2.2地下水的类型
根据工程实例提供的岩土勘察报告，地下水一般分为上层滞水，潜水和承压水。
（1）上层滞水：是指埋藏在地表浅处且具有自由水面的地下水。它的分布范围有限，其来源主要是有大气降水补给。
（2）潜水：是指埋藏在地表以上第一个稳定隔水层以上，具有 水面的地下水。它直接受雨水渗透或河流渗入土中而得到补给，同时也直接由于蒸发或流入河流而排泄。
（3）承压水：是指埋藏在上下两个隔水层之间的地下水。它主要是依靠大气降水与河湖水通过潜水补给的。
2.3地下室埋深与含（隔）水层的几种关系
就抗浮设计而言，抗浮设防水位确定与地下水位的类型以及建筑物所处位置有关系。一个共同的特点就是对地下室的浮力作用取决于地下室底板直接持力含水层的类型及地下水位（水头）值，详见下表：
由上表可知，设计水位的确定是需要全面了解地下水各含水层的状况。按照岩土工程勘察规范强制性条文规定：对多层含水层的水位测量，应采取止水措施，将被测含水层与其它含水层隔开。因此，在进行岩土工程勘察时，对于地下建筑一定要按要求来执行，根据地下室的埋深及所在地层，分层测量含水层的地下水位，为抗浮设计提供可靠的设计依据，做到安全指标和经济指标的合理性。
3.浮力的合理计算
3.1浮力的计算原理
基本原理是根据阿基米德定律：浮力等于它所排开水体体积之重量，即
式中 p—单位面积水浮力；
A—物体底面积
rw—水容重
h—物体在水中的高度
在实际工程中设计水位该如何确定？下面就此问题展开分析。
3.2水浮力的实用计算方法（结合2.3）
情况1 计算模型如图1所示。这是一种常见的地下结构物与地下含水层关系，其设计水位为潜水水面，下层为隔水层，因此，浮力计算不需要折减。水浮力为 p= rwh
式中，h为抗浮设计水头高度（取岩土工程勘察报告中的最高静水水位标高与基底标高之差）。
图 1 情况 1 计算模型
情况2 地下室穿过上部潜水层，底板进入隔水层，设计水位为潜水水面，但是由于存在隔水层部分浮力而考虑渗流作用。计算模型见图2。
图2 情况 2 计算模型
水浮力为
p= 
情况 3 地下室位于上部隔水层中，浮力计 算设计水位为承压水位，但要考虑渗流作用。计 算模型见图 3。
压力分布曲线
rw（H+h）
图 3 情况 3 计算模型
水浮力为
p= 
情况 4 地下室穿过上部隔水层，底板位于 下部承压水层中，浮力计算设计水位为承压水水 位。计算模型见图 4.
压力分布曲线
rw（H+h2）
图4 情况 4 计算模型
水浮力为
P= 
情况 5 地下室穿过上部潜水层，底板位于 隔水层中，隔水层下有承压水层。上下含水层的 水位均为设计水位，浮力计算应考虑上下含水层 的渗流作用。计算模型见图 5。
rw（H+h2）
图5 情况 5 计算模型
水浮力为
p= 
情况 6地下室穿过上部潜水层和隔水层，底板位于下部承压水层中，浮力计算设计水位为承压水水位。计算模型见图 6
rw（H+h2）
图6 情况 6 计算模型
水浮力为
p = 
4.考虑水位变化幅度对桩基设计的影响
4.1水位变化幅度
当地下室底板处于上层滞水或潜水层中时，由于其受大气降水渗透或河流渗入土中而得到补给，同时也直接由于蒸发或流入河流而排泄。因此，其水位的变化直接受气候条件变化影响。
针对此情况，勘察部门应该对拟建场地进行较长期的跟踪观测和水文地质勘察，在此周期内给出历年的最高最低水位，为设计人员提供合理的抗浮设计水位的变化范围作为设计依据。
4.2抗拔桩与抗压桩的关系
由于抗拔桩与抗压桩的工作机理不同，所以其受力原理不同。随着地下建筑受力状态变化，桩的受力性状也会出现变化，而这种桩受力模型的改变正是由于地下水位的变化而造成。
例如，当单建式地下室埋深较浅、地下水位又较高且变化幅度范围大时，考虑上部覆土等的较大恒载及上部消防车等的较大活载，由于水位变化，荷载组合形式不同，会出现抗拔桩转换成抗压桩的情况。
因此，需要就两种情况进行分类讨论，设计人员往往会忽略这个问题。对各工况下的荷载也没有统一、较合理的荷载组合方法。下面将着重讨论一种考虑水位的桩基设计方法。
4.3考虑水位变化的桩基础的设计
4.3.1设计思路
目标——抗拔（压）设计
方法——找出该目标下的最不利情况（包括最高（低）设计水位，各工况下最不利荷载组合；
计算——分别计算出抗拔（压）所需的桩数；
结果——取大值作为设计所需桩数。
4.3.2计算步骤
（1）抗浮状态下设计
①浮力计算
根据地下室底板直接持力含（隔）水层的类型及地下最高水位（水头）值选取合适的浮力计算模型，确定产生最大水浮力的设计水位，并按照本文前述方法完成对水浮力的计算。
②荷载组合
恒载：地下室顶板覆土，结构自重；
活载：车库内车辆，地下室顶板车辆（消防车）；
水浮力：在抗浮设计状态下，应取最大水浮力，并在设计中作为活载考虑。
根据建筑结构荷载规范GB5009—2012，对活载仅考虑其对结构的不利效应，分项系数取1.4.恒载其效应对结构有利时的分项系数取0.9，不利时的分项系数取1.35.
综上，抗拔桩设计公式为
式中，K为安全系数，通常取结构的重要性系数。以此求出抗拔桩总承载力设计值。
③桩长与桩数的确定
桩长确定应分两种情况讨论：
（1）当结构在任何情况下，桩基都是处于抗拔状态时，桩长仅根据单桩抗拔承载力的需要选取。
（2）当结构可能出现随水位变化，桩基由抗拔桩转变成抗压桩时，桩长需要根据抗压桩的需要选取合适的持力层，以此确定桩长。
在此基础上，综合各条件确定了桩长和桩径后，通过计算可得单桩抗拔承载力。则
总桩数= 
（2）抗压状态下设计
①浮力计算
根据地下室底板直接持力含（隔）水层的类型及地下最低水位（水头）值选取合适的浮力计算模型，确定产生最小浮力的设计水位，并按照本文前述方法完成对水浮力的计算。
②荷载组合
恒载：地下室顶板覆土，结构自重；
活载：车库内车辆，地下室顶板处车辆（消防车）；
水浮力：在抗压设计状态下，应取最小浮力，并在设计中作为有利恒载考虑。
根据建筑结构荷载规范GB5009—2012[6]，对活载仅考虑其对结构的不利效应，分项系数取1.4.恒载其效应对结构有利时的分项系数取0.9，不利时的分项系数取1.35.
综上，抗压桩设计公式为
式中，K为安全系数，通常取结构的重要性系数。以此求出抗压桩总承载力设计值。
③桩长桩数的确定
桩长应根据抗压桩的需要选取合适的持力层，以此确定桩长。在此基础上，综合各条件确定桩长和桩径后，通过计算可得单桩抗压承载力，则
总桩数= 
（3）结果
选取抗浮设计总桩数与抗压设计总桩数的较大值作为设计总桩数的依据。
5.工程实例
5.1工程简介
本工程为芜湖市的一个商业项目，其拿某栋酒店楼的裙房为实例，地上3层，地下一层地下车库，结构自重为49560KN，采用桩筏基础，地下室底板面积为995㎡，基础埋深为4.8m，结构自重位于潜水层中，抗压设计水位的水头为1.5m，抗浮设计水位的水头高度为4m。设计桩长为30m，桩采用预应力空心方桩，边长为400mm，单桩抗拔承载力设计值为450KN，单桩抗压承载力设计值为1200KN。
5.2工水浮力计算
（1）抗压状态下设计，水浮力为
p= rwh=15KN/㎡
（2）抗浮状态下设计，水浮力为
p= rwh=40KN/㎡
5.3桩数计算
（1）抗浮状态下设计，桩数计算为
即n×450/（1.4×40×995-0.9×49560）>1.1，则n≥28
（2）抗压状态下设计，桩数计算为
即n×1200/（1.35×49560+1.4×2×995-0.9×15×995）>1.1，则n≥43
综上，可得桩数以抗压状态起控制作用，则桩数n≥43。
6.结论
以上述为依据，可得到如下结论：
（1）地下水浮力计算应该针对不同的含水层类型区别对待。浮力计算的关键是抗浮设计水位和赋存状态的确定。设计人员在进行浮力计算时，应根据地下室的埋藏深度及所在地层正确选择抗浮设计水位及计算模型
（2）抗拔桩的设计应该考虑抗浮和抗压两种情况下的最不利组合，包括水位变化产生的最高最低水位，以及相应的最不利荷载组合，这样才能够使结构在抗浮、抗压两种状态下都得以保证安全可靠。
参考文献：
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[5]建筑地基基础设计规范GB 50007—2011.
[6]建筑结构荷载规范GB5009—2012
论文作者:何建清
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/10/1
标签：水位论文; 浮力论文; 水层论文; 地下室论文; 含水层论文; 结构论文; 抗压论文; 《基层建设》2018年第27期论文;