地下结构的抗浮设计分析

地下结构的抗浮设计分析

向汉钦

长江勘测规划设计研究有限责任公司 湖北武汉430010

摘要：这些年，一些地区地下室因水浮力作用而造成工程事故屡见不鲜。抗浮不足轻则引起地下库墙柱开裂，底板隆起等，导致人民财产损失。基于此，本文就地下结构的抗浮设计进行简要分析。

关键词：地下结构；底板；抗浮设计；

1 地下结构的抗浮设计概念

结构抗浮设计包括结构抗浮稳定设计和结构底板在水浮力作用下的强度设计。结构抗浮稳定问题为结构整体或局部在水浮力作用下因不能保持原来位置而发生的结构整体或局部上浮，这种上浮运动有可能是整体的刚体运动，也可能是因为结构某部分的上浮运动受到约束而使结构体产生较大的变形破坏；结构底板在水浮力作用下的强度问题仅仅是基础底板在净水浮力下的强度破坏，与恒活载作用下的强度破坏形式没有区别。两类问题的主因相同，都是水浮力的作用，与地下水位的高低有密切的关系。一般来说，存在抗浮稳定问题的工程，必然存在基础底板在水浮力作用下的强度问题。但存在水浮力作用下基础底板强度问题的工程，不一定存在抗浮稳定问题，关键在于抗浮设防水位的高低。（1）当抗浮设防水位低于基础底板，此时既不存在结构底板在水浮力下的强度问题，也不存在结构的抗浮稳定问题。（2）当抗浮设防水位高于基础底板，由水浮力工况控制但水浮力合力尚未超过建筑物结构自重与附加恒载的合力时，基础底板存在强度问题，整个结构体尚不存在整体的抗浮稳定问题，但不排除结构体局部存在抗浮稳定问题。当抗浮设防水位继续升高，仅靠结构自重及附加恒载无法平衡水浮力，就存在结构整体的抗浮稳定问题，也必然存在基础底板在水浮力下的强度问题。

2 工程概况

十堰至巫溪高速鲍峡至溢水段沧浪山服务区综合楼工程场地地形整体平坦，地貌单元属皂河二级阶地。场地不具有黄土湿陷性、砂土液化和地裂缝等不良地质构造。拟建建筑场地类别属Ⅱ类。根据钻探鉴别，场区地层在 35.0m 深度范围内地层，地下水属潜水类型。勘察中测得稳定水位埋深 9.60～11.50m，相应标高为 399.60～401.60m。地下水位属平水期，处于年内平均水位。工程设计采用抗浮设防水位如表 1 所示。

表 1 抗浮设防水位

3 抗浮措施

十堰至巫溪高速鲍峡至溢水段沧浪山服务区综合楼工程±0.000 为 412.10m，基础底标高为398.00m，抗浮水位为 409.50m。考虑抗浮稳定性系数，水头差为 12m。结合工程实际，拟采用相关技术措施，保证工程抗浮稳定性。

3.1 压重法

在不影响建筑功能的前提下，具体措施如下：（1）基础采用平板式筏基，局部冲切不满足之处增加下柱墩。既增加了基础自重，提高了结构整体刚度，也减少了基础埋深，从而降低地下水浮力。（2）地下室楼盖结构采用无次梁的周边支承板结构。既增加了结构自重，同时方便施工，减少工期，也有利于后期设备安装，提高室内净空。（3）在地下室顶板处设置较厚的覆土层，既满足了绿化要求，也增加了结构荷载。（4）基础筏板适当外扩，在肥槽内严格要求回填分层夯实的粘性土。既增加了结构荷载，也降低了侧壁的渗透性，有效防止了汛期形成“水漏斗”。

3.2 锚固法

结合十堰至巫溪高速鲍峡至溢水段沧浪山服务区综合楼工程的地质条件，可采用的抗浮锚杆或抗浮桩方案。标准柱网下两个方案分别采用如图 1、2 所示的平面布置。 由于局部有较厚的中砂夹层，考虑施工的可行性，抗浮桩不适合采用预应力管桩，可采用灌注桩。在平面布置不变的情况下，根据是否采用预应力技术以及预应力筋材料的不同，抗浮锚杆细分了三种方案。

      图 1抗浮锚杆平面                          图 2抗浮桩平面

4 经济比较

通过相关数据比较，抗浮锚杆比抗浮桩节约了建筑材料，降低了工程造价。普通锚杆的混凝土使用量是锚桩的 27%，钢筋用量比锚桩增加 8%，其综合造价是锚桩的 72%。仅此一项，本项目就能节约 140 余万元。

采用预应力技术，混凝土和预应力筋的强度均有较大幅度的提高，抗浮锚固件的耐久性得到进一步加强，克服了混凝土受拉构件的裂缝问题。预应力锚杆的混凝土使用量是锚桩的 21%，筋体用量分别是锚桩的 25%和 43%，其综合造价分别是锚桩的 93%和 74%。仅此一项，本项目就能分别节约 40 和 130 余万元。抗浮锚杆均匀布置，不需设置深厚的桩基承台，基础底板受力更合理，有效降低基础的综合费用。

5 相关建议

（1）将抗浮设计等级为甲、乙、丙与结构构件正截面的受力裂缝控制等级为一、二、三逐一对应，理论上看上去完美对称，无可挑剔，但在运用中有失实际意义。在抗浮锚杆裂缝验算中，要求乙类抗浮设计等级的工程，锚杆拉力不大于混凝土的抗拉强度。采用普通抗浮锚杆已不再适用，务必选用预应力抗浮锚杆方可达到该项要求。在抗浮锚杆抗拔承载力特征值不是很大的条件下，为了满足拉应力验算要求，需要施加的预应力就更小。如果真正按此设计，实际施加的预应力就会大大低于预应力规定的下限值，而且增加了施工工序和施工时间，显得有些出力不讨好了。如果切实满足本条规定且相关规程其他规定，那必然要求提高预应力水平。这样的设计结果，很容易就能达到严格不出现裂缝的性能水准，亦即不产生拉应力的效果，直接越过了抗浮设计等级为乙级的技术要求，达到了甲级的技术标准。这使得乙级的设计标准形同虚设，与其在抗浮治理中的“宜选择预应力抗浮锚杆”的说法有出入，也限制了普通锚杆的应用范围。因此，按照一般不出现裂缝的控制不具有工程意义。乙类抗浮设计等级的工程，宜根据具体工程实际，因地制宜，不应附以过于严格的约束。建议可以通过设置更为严格的最大裂缝宽度限值，即 0.10mm 进行控制。（2）普通抗浮锚杆在孔口附近，深大基坑坑底土体会有明显回弹。由于覆土相对较薄，浆体压强不够充分，导致粘结强度有所降低，而在承载力计算中没有相应体现。简便起见，参照以往工程经验，局部锚固长度应予以折减。在土层锚杆抗拔承载力验算中，建议适当增大抗浮锚杆长度 2～3m，以抵消摩阻力均匀分布假定带来的不利结果。（3）完善计算公式体系，补充筋体与锚固体的锚固承载力验算公式，可参考《岩土锚固与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB50086-2015)的相关规定。（4）在抗浮锚杆的筋体验算中，抗浮锚杆筋体安全系数采用 2.0，大大超过其承载力的设计值。在安全系数不变的条件下，抗浮锚杆轴向拉力采用标准组合即可，没有必要采用基本组合下的承载力。为了物理意义更加清晰，可采用承载力的设计值。兼顾性能测试和验收试验的方便实施，抗拉安全系数采用 1.5 完全满足工程需要，且更为经济合理。

结语

（1）地下水位的变化具有一定的不确定性。地下水不但与其天然变幅、地层赋存条件以及气候变化和降水多寡等自然因素有关，而且受到人文活动的干扰，如地下水的开采、水资源利用、蓄洪泄水等，在勘察、设计、施工、使用期间均有可能变化。（2）科学判定抗浮设防水位意义重大。抗浮设防水位的确定必须以长期的地下水动态观测为基础，根据区域以及整个场地的水文地质条件和地下水的埋藏条件来确定，即由地下水类型、分布和深度、含水层数目、岩性结构、地下水的补给、排泄条件等综合确定。（3）地下工程的抗浮设计，体现“预防为主、降减优先、阻抗结合、实用耐久、确保安全”的设计理念。经过比选研究，通过选用合理的抗浮方案，采取经济的技术措施，保证了地下室结构全生命周期抗浮稳定的安全性和可靠性。《建筑工程抗浮技术标准》（JGJ476-2019）也提出了更细致的技术要求，相关专业做好地下水和抗浮稳定性的的长期监测，做好相应的验证工作。坚持资料的积累，以利于工程的迭代。

参考文献：

[1] 葛卫.大底盘地下室设计中的问题及改进建议[J]. 江苏建筑, 2014(04):190-191,193.

[2] 连世洪.大型地下室施工期间抗浮设计及措施分析[J]. 建设科技, 2021(20):173-176.

[3] 谭光宇,蒋耀华,方伟明,等.全长压力型后张预应力抗浮锚杆结构设计研究[J].建筑结构, 2021, 51(21): 153-155.