地下工程的抗浮設計和加固措施的探討

摘 要：本文針對在我國一些地下水位較高的地區，地下水浮力引起的地下工程結構的破壞越來越多的問題，總結了地下工程水浮力計算方法和抗浮設計水位，在工程中常用的抗浮設計措施，及在地下工程結構受地下水作用上浮時常用的控制措施和加固方法。

關鍵詞：地下工程 抗浮設計 加固

中圖分類號：TU7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0163-01

目前在我國現行的建筑結構規范當中，對于有關浮力問題只有定性的描述，而沒有詳細的規定，本文主要對地下工程的抗浮設計和加固措施進行一些探討。

1 地下工程抗浮設計

地下工程抗浮設計可以使用如下公式進行表示：≥。

式中，為結構抗浮力；為結構的自重；為結構的抗浮安全系數，一般取1.05～1.10；為結構的靜水浮力。

地下工程的抗浮設計一般要首先進行水浮力的計算，選擇合理的抗浮設計水位，然后確定地下工程結構是否滿足抗浮要求，對不滿足抗浮要求的結構進行結構的抗浮設計。

1.1 水浮力計算和抗浮設計水位

對地下工程而言，水浮力的計算時進行抗浮設計的前提，首先要確定工程的抗浮設防水位，它不是工程所處地理位置的歷年最高水位，也不是目前水位，而是綜合考慮根據工程的重要性和工程建成之后地下水位的變化而確定的抗浮設計的設防水位。

地下工程所承受的水浮力是作用在工程基礎底板上的底板面積和靜水壓強的乘積，如下式表示：×

式中，為地下工程所承受的水浮力，為作用在基礎底板上的靜水壓強；為基礎底板的面積。

一般來說，基礎底板的靜水壓強按照下式計算：×

式中，為水的重度；為抗浮設計水位，一般在設計過程中取：；為地下工程抗浮設防水位標高；為基礎底板標高。

從上可以看出，地下工程抗浮設防水位的高低直接決定了水浮力的大小，決定在下面抗浮設計中抗拔樁的數量和基礎底板的配筋和厚度。

在實際的工程當中，地下水的作用十分復雜，在不同地基環境當中的水浮力是在不斷變化的。當工程位于粉土、沙土、碎石土等地基上時，計算得出的地下水浮力可以不進行折減，當工程底板和巖石地基緊密結合的時候，可以不考慮水浮力的作用。設計人員應根據實際情況，選擇合理的設防水位。

1.2 抗浮設計

對地下工程而言，在確定了結構的尺寸、形式和埋深之后，就要根據設防水位，計算地下工程的自重和凈水的浮力，判斷在結構的施工和使用過程中是否需要進行抗浮設計，采取抗浮措施。根據施工階段、竣工后工程使用情況的不同，應當進行不同的抗浮設計，采取不同的抗浮措施。

1.2.1 施工階段抗浮設計措施

地下工程在施工期間，一般頂板的覆土都沒有完成，但是底板和外墻都已經完成，地下水的作用下會形成一定的浮力。在水浮力較小時，可以利用集水井、排水明溝等排出基坑內的水，減小結構承受的水浮力。在水浮力較大時，應當在地下工程的底板中設計后澆帶，將底板下的塊石墊層當做倒濾層，在后澆帶里面插入輕型井點立管進行降水。在后澆帶的澆筑過程中，應當在井點的立管上焊置環形止水環，繼續降水，直到地下工程地下部分頂板及頂板覆土完成，再去掉井點立管。如果設置后澆帶比較困難，也可以使用深井點降水的方法，原理和輕型井點立管降水相同。

1.2.2 永久性抗浮設計措施

目前，地下工程的永久性抗浮設計措施主要有：增加自重、錨桿設計和抗浮樁設計等。

增加自重是最傳統和可靠的方法，包括頂板壓載、邊墻壓載和基板壓載等，增加自重就是要保證結構本身的重力大于地下水的浮力，使得結構不上浮。

錨桿設計就是通過設計抗浮錨桿，利用錨桿的抗浮力抵抗水浮力。即當地下工程建在粉質粘土、風化基巖等適宜鉆孔灌漿的土層上時，可以利用這些土層，使用錨桿抗浮。抗浮錨桿易于施工、布置靈活，主要形式有：預應力錨桿和非預應力錨桿兩種。但是目前國內對抗浮錨桿的設計沒有明確的規范，限制了抗浮錨桿的設計和應用。

抗浮樁設計指通過設計抗浮樁，利用樁體的自重和樁的側摩擦阻力來抵抗水浮力。目前在我國的抗浮樁設計過程中主要采用經驗參數法，即利用樁的側阻力值導入抗拔系數后作為抗浮樁的側阻力值，抗拔系數一般取0.5～0.8。抗浮樁按照軸心受拉構件進行承載力計算，樁的配筋要求滿足最小配筋率的要求。

2 地下工程抗浮加固措施

2.1 控制結構上浮的措施

地下結構發生上浮事故之后，常用的處置方法有加載、洗砂和排水。

加載就是通過增加結構的自重來抵消水的浮力，最終使得結構回歸原位。一般將重物放在上浮量大的地方，但是要注意樓板的極限承載能力。值得注意的是受到淤積在底板和基地間泥沙的影響，加載并不一定能夠達到所需的效果。

排水就是通過水泵將結構所在位置的地下水排出，以降低水壓力使地下結構回歸原位。在地下水頭較高且排水量小的地方，要在底板下增加倒濾層，既可以使地下水在水頭作用下能夠正常流出，還能夠保護回填土中的細顆粒不會被沖走流失。

洗砂的方法有兩種：一種是利用高壓水槍擾動地下結構側墻邊上的土壤，降低它的摩擦力，這種方法容易造成底板下淤泥沉積，不利于后續作業；另一種方法是用高壓水槍沖洗基礎底板下的泥沙，使結構順利下沉。總之，洗砂作業之前要事先評估底板下泥沙淤積的范圍，耐心觀察，持續作業直至結構穩定而緩慢的下沉。

2.2 抗浮加固

當控制住結構物的上浮之后，就要進行結構的抗浮加固，考慮到基礎底板上鋼筋布置較密，補樁的孔不宜太大，否則會有較多的底板鋼筋被截斷，而使用鋼錨桿在底板上鉆孔的直徑比較小，能夠大大的減少底板鋼筋被截斷，是工程中首選的加固方法。

抗浮錨桿加固設計計算按照《巖土錨桿技術規程》對錨桿進行計算。

首先確定錨桿的拉力設計值，采用鋼絞線（7股）時，取為100 kN。

然后按照下式確定鋼索截面積和直徑：≥；

式中，為鋼索截面積；為鋼索直徑；為抗拉安全系數；錨桿軸向拉力設計值；為鋼絞線軸向拉力設計值。

最后確定錨桿的錨固長度，下面兩式中的較大值：

；

式中，為錨桿抗拔安全系數，錨桿軸向拉力設計值，為錨桿錨固段長度，為錨固段注漿體和地層之間的粘結強度標準值，為錨桿錨固段的鉆孔直徑，為鋼絞線的數量，為鋼索直徑，為界面強度降低系數，為錨固長度對粘結強度的影響系數。

3 結語

隨著建筑結構向地下的發展，地下工程抗浮設計和加固將會成為結構設計的一個重要組成部分。地下工程的抗浮設計和加固應當根據具體工程結構的特點、地質條件和環境、施工因素等等，綜合考慮選擇抗浮和加固措施。在設計和施工當中，選擇合理的設計參數，重視結構構造措施，才能使工程安全可靠。

參考文獻

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