地下建筑結構抗浮設計及措施探討

河南工業大學 土木建筑學院 周春雷

中色科技股份有限公司 陳豪興

隨著我國國民經濟的飛速發展，人類對地下空間利用和開發的規模和速度達到了前所未有的程度，目前高速公路、城市地鐵、鐵路、水利水電、礦山、國防建設、市政交通及地下商業建筑等都有了很大發展，大大推動了地下建筑工程技術的進步與發展，各種類型的地下結構越來越多，新工藝、新技術不斷涌現，設計理論與方法也取得了長足進步。本文，筆者針對地下建筑結構中存在的抗浮問題進行了分析，可以為實際工程提供參考。

一、地下建筑結構抗浮失效形態分析

地下建筑結構包括全埋于地下的工程結構與半埋于地下的工程結構，該結構存在局部抗浮失效形態、整體抗浮失效形態、局部整體抗浮失效形態3種失效形態。根據工程的埋置形式與使用形式的不同，主要的失效形態也不盡相同。

1.局部抗浮失效形態。局部抗浮失效是由于地下結構的自重與頂部重量之和大于地下水浮力，而結構的局部承載力不足導致的。這種情況一般出現在施工階段或上部沒有施工的條件下，其主要特征是結構局部抗彎承載力不足，結構整體的標高無任何變化。一般情況下，此失效形態會出現在半埋于地下的建筑結構中，如帶地下室的建筑。

2.整體抗浮失效形態。整體抗浮失效是指當地下建筑結構自重與頂部重量之和小于地下水浮力時，在地下水浮力作用下所表現出來的整體結構發生偏移的現象。這種情況一般發生在大量降雨之后，地下水位偶然高于地下抗浮設防水位的高度，或者在判斷地下抗浮設防水位不準確時。這種失效形態下當結構整體的位移發生變化時，標高也發生變化；但結構各部位間的相互位移很小，可以忽略；當結構構件出現較多無害裂縫時，結構不會出現嚴重損壞的現象。

3.局部整體抗浮失效形態。局部整體抗浮失效指的是以上兩種抗浮失效形態同時發生的情形。地下工程抗浮失效事故常有發生，如地下車庫、地下室、地下地鐵車站等建筑（構）物的上浮，還有類似的地下工程在停止降水時底板的破壞等。在現有的地下結構中，對結構的防水要求越來越高，如地下加工廠、地下倉庫，因此必須控制結構的裂縫寬度。

二、地下建筑結構抗浮設防水位的確定

在地下建筑結構抗浮設計中首先要合理確定基礎抗浮設防水位，這關系到結構的安全與質量。設計人員一般都是從地勘部門提供的巖土工程勘察報告中，取用抗浮設防水位的數值。但是不同的地下工程單體，其坐落環境、建筑體量、地基土層的分布情況等也不相同，因而抗浮設防水位也不相同。通常，抗浮設計水位可采用地質勘察報告所提供的抗浮設防水位。當地勘報告中沒有提供該參數時，抗浮設計水位的確定可綜合考慮《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）與《高層建筑巖土工程勘察規程》（JGJ72-2004）中的以下幾種情況。

1.當有長期水位觀測資料時，場地抗浮設防水位可采用實測最高水位；無長期水位觀測資料或資料缺乏時，根據勘察期間實測最高穩定水位，并結合場地地形地貌、地下水補給、排泄條件等因素綜合確定。

2.只考慮施工期間的抗浮設防時，抗浮設防水位可按一個水文年的最高水位確定。

3.地下水賦存條件復雜、變化幅度大、區域性補給和排泄條件可能有較大改變或工程需要時，應進行專門論證，提供抗浮設防水位的咨詢報告。

4.對位于斜坡地段的地下工程或其他可能產生明顯水頭差的場地上的地下工程進行抗浮設計時，應考慮地下水滲流在地下工程底板產生的非均布荷載對地下結構的影響；對地下工程施工期間各種最不利荷載組合的情況，應考慮地下工程的臨時抗浮措施。

5.地下工程在穩定地下水位作用下所受的浮力應按靜水壓力計算，對臨時高水位作用下所受的浮力，在黏性土地基中可以根據當地經驗適當折減。

三、地下建筑結構的抗浮措施

隨著地下建筑結構的不斷增多，關于抗浮措施的研究也逐漸增多，但是在實際工程中，不是每一種抗浮措施都是適合于任意一種地下工程的。因此，選擇合適的抗浮措施是非常重要的。

1.配重法受地質條件、施工環境的影響相對較少，常作為基本方法采用。通常在底板外挑部分上堆載回填物作為配重，這種方法的優點是可以增加較大的附加配重，有利于抵抗浮力作用的發揮。但是，這種方法會加大基坑的開挖范圍，增加地下水浮力的接觸面積，使浮力變大。對于全埋于地下的建筑來說，頂板上加厚覆土，可解決建筑綠化問題；但基礎埋深在原來的基礎上增加，地下水浮力也相應增加。這種方法適用于開挖面積較小且埋深較淺的建筑結構。

2.抗浮下拉法是一種通用的方法，主要是利用抗浮樁（錨桿）（與土體的側摩阻力來抵抗地下水產生的浮力。這種方法可以減小底板上的附加應力，并使其均勻分布；同時還可以減小底板厚度，降低工程造價。但是抗浮樁受地形和環境條件的影響較大，抗浮錨桿的技術目前還不是很成熟，耐久性比較差，采用這種方法要與底板直接接觸，因此不適用于底板有防水要求的建筑結構。

3.抗浮摩擦法是利用土體與地下建筑結構間存在的摩擦力來抵抗部分地下水浮力，這種摩擦力大小要根據土體的側壓力及土質情況而定，但是這種力的大小很難確定，在設計中通常僅作為安全儲備。

四、結論

地下建筑的抗浮問題是解決結構安全的關鍵問題，不同的地質狀況應結合工程的實際情況，選擇合理設計方法與經濟實用的抗浮措施，綜合運用局部抗浮驗算與整體抗浮驗算的方法，制定合理的抗浮措施。