高層建筑中地下室的抗浮驗(yàn)算

摘要：本文結(jié)合理論、規(guī)范和工程實(shí)例，分析在地下水作用下高層結(jié)構(gòu)中地下室所受浮力的成因和一般規(guī)律，提出了抗浮驗(yàn)算的基本內(nèi)容和基本原則，以及具體的驗(yàn)算方法，可供廣大工程技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞：高層結(jié)構(gòu)；地下室；抗浮驗(yàn)算

引言

實(shí)際工程中，很多地下室未進(jìn)行抗浮驗(yàn)算，給結(jié)構(gòu)留下重大的隱患。一九九八年，武漢遭受特大洪水侵襲，導(dǎo)致多個(gè)地下室發(fā)生不同程度的損壞。筆者結(jié)合多年的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)如何進(jìn)行抗浮驗(yàn)算提出自己的看法，供大家參考。

一、地下水的類型和滲透性

（一）上層滯水

上層滯睡水是指埋藏在地表淺處，局部隔水透鏡體的上部，且具有自由水面的地下水。它的分布范圍有限，其來源主要是由大氣降水補(bǔ)給。因此，它的動(dòng)態(tài)變化，與氣候、隔水透鏡體厚度及分布范圍等因素有關(guān)。

上層滯水地帶只有在融雪后或大量降水時(shí)才能聚集較多的水，因而只能被作為季節(jié)性的或臨時(shí)性的水源。

（二）潛水

埋藏在地表以下第一穩(wěn)定隔水層以上的具有自由水面的地下水稱為潛水。潛水一般埋藏在第四紀(jì)松軟沉積層及基巖的風(fēng)化層中。

潛水直接受雨水滲透或河流滲入土中而得到補(bǔ)給，同時(shí)也直接由于蒸發(fā)或流入河流而排泄，它的分布區(qū)與補(bǔ)給區(qū)是一致的。因此，潛水水位變化，直接受氣候條件變化的影響。

（三）承壓水

承壓水是指充滿于兩個(gè)穩(wěn)定隔水層之間的含水層中的地下水。它承受一定的靜水壓力。在地面打井至承壓水層時(shí)，水便在井中上升甚至噴出地表，形成所謂上升泉水。由于承壓水的上面存在隔水頂板的作用，它的埋藏區(qū)與地表補(bǔ)給區(qū)不一致。因此，承壓水的動(dòng)態(tài)變化，受局部氣候因素影響不明顯。

二、地下水產(chǎn)生浮力的條件

存在于土中的液態(tài)水可分為結(jié)合水和自由水兩類，結(jié)合水與土粒表面牢固地粘結(jié)在一起，不能自由移動(dòng)，不能傳遞壓力，因此，它不含對(duì)土粒產(chǎn)生浮力。自由水在土粒影響范圍以外，能傳遞靜力壓力，有溶解能力。其中的重力水可以自由運(yùn)動(dòng)，對(duì)土粒有浮力作用

因此，只有地下室底板下有重力水，且水位高于地下室底板時(shí)，地下室才會(huì)受到浮力。當(dāng)?shù)叵滤缓艿停诘叵率业装逡韵禄蛏蠈訙惠^高，在地下室底板處以上時(shí)，地下室不會(huì)受到浮力，即使地下室底板周圍有地下水，但四周均有不透水土層隔離時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生浮力。

三、地下室在浮力作用下的應(yīng)力狀態(tài)

建筑物通過地下室將荷載作用于地基上，地基土產(chǎn)生反力，在正常狀態(tài)下，兩者保持平衡，結(jié)構(gòu)荷載=基底反力。

當(dāng)?shù)叵滤坏纳仙叵率业装瀹a(chǎn)生浮力，地基反力減小，根據(jù)力學(xué)平衡條件，結(jié)構(gòu)荷載=基底反力+浮力。

隨著浮力的增大，基底反力逐漸減小，當(dāng)浮力<結(jié)構(gòu)荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)抗浮滿足要求。當(dāng)浮力繼續(xù)增大，直至等于大于結(jié)構(gòu)荷載時(shí)，基底反力等于零，地下室的結(jié)構(gòu)抗浮不滿足要求，需采取其它措施。

四、高層結(jié)構(gòu)的抗浮驗(yàn)算

高層結(jié)構(gòu)的周圍一般有較低的裙房，當(dāng)兩者作為一個(gè)整體驗(yàn)算時(shí)，高層部分的結(jié)構(gòu)荷載大，基底反力仍然存在，而較低的裙房結(jié)構(gòu)荷載小，基底反力可能為零，甚至存在向上的多余浮力。

除驗(yàn)算整體抗浮外，較低的部分還需進(jìn)行局部抗浮驗(yàn)算。在浮力的作用下，裙房地下室的受力發(fā)生很大的變化，跨度變大，有時(shí)甚至成為懸臂結(jié)構(gòu)，因此，局部抗浮不能忽略。

五、地下室抗浮驗(yàn)算的基本原則

（一）不考慮水浮力的情況

地下建筑物埋于不透水層，周邊填土為密實(shí)的不透水土，當(dāng)場(chǎng)地?zé)o積水時(shí)，可不考慮水的浮力作用。

（二）地下水最高水位的確定

在計(jì)算浮力時(shí)，地下水最高水位對(duì)浮力的大小起著關(guān)鍵作用，其取值原則如下：

①若有長(zhǎng)期水文觀測(cè)資料或歷史水位記錄時(shí)，浮力的計(jì)算可取歷史最高水位；若無(wú)長(zhǎng)期水文觀測(cè)資料或歷史水位記錄時(shí)，可采用中水期最高穩(wěn)定水位。

②場(chǎng)地有承壓水且承壓水與潛水有水力聯(lián)系時(shí)，應(yīng)按承壓水和潛水的混合最高水位計(jì)算。

③在無(wú)動(dòng)水壓力及承壓水時(shí)，最高水位不宜超過地下室頂板面標(biāo)高。

（三）特殊情況下浮力的計(jì)算

①對(duì)處于斜板上的地下室或其他可能產(chǎn)生明顯水頭差的場(chǎng)地上的地下室，應(yīng)考慮地下水滲流在地下室底板產(chǎn)生的非均布荷載對(duì)地下室底板的影響。

②地下室在穩(wěn)定地下水位作用下，浮力按靜水壓力計(jì)算，臨時(shí)高水位作用下的浮力，在粘性土地基中可適當(dāng)折減，折減系數(shù)由勘察部門提出，在砂土不折減。

（四）具體計(jì)算中相關(guān)的系數(shù)取值

④抗拔樁配筋應(yīng)按GB50010-2002規(guī)范軸心受拉構(gòu)件驗(yàn)算裂縫寬度不大于0.2mm。

六、抗浮不滿足時(shí)的處理措施

當(dāng)?shù)叵率业目垢◎?yàn)算不滿足時(shí)，必須滿足相應(yīng)的措施，這些措施必須根據(jù)當(dāng)?shù)睾凸こ虒?shí)際情況，滿足安全、經(jīng)濟(jì)和施工簡(jiǎn)便的要求，常用的處理措施有：

第一，當(dāng)持力層為不透水層時(shí)，用不透水土回填地下室四周，并采取措施，防止場(chǎng)地積水，根據(jù)規(guī)范要求，地下室不需考慮浮力作用。

第二，加大地下室上部覆土的厚度，當(dāng)厚度不能增加時(shí)，也可以采用上部壓重，以滿足抗浮要求。

第三，加大地下室底板的挑出長(zhǎng)度。采取這一措施時(shí)，地基梁的受力將有很大的變化，需進(jìn)行復(fù)核。

第四，在底板下加抗浮樁或錨桿，采取這一措施時(shí)，需驗(yàn)算結(jié)構(gòu)處于正常狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力和變形。

七、工程實(shí)例分析

筆者接觸一個(gè)工程實(shí)例，一幢商住樓，上部15層，下部地下層1層，地下室作為停車場(chǎng)，為滿足結(jié)構(gòu)的整體抗傾覆要求，地下室向一側(cè)擴(kuò)大，基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)（梁板式），埋深6米。由于地下室的擴(kuò)大部分抗浮驗(yàn)算不滿足，設(shè)計(jì)人員在相應(yīng)的柱下加人工挖孔樁，達(dá)到相關(guān)抗浮要求。但在正常使用的情況下人工挖孔樁會(huì)產(chǎn)生很多的隱患，首先，基礎(chǔ)一部分采用筏板基礎(chǔ)，而一部分采用樁基加筏板基礎(chǔ)，不符合規(guī)范的要求；其次，高層部分未加樁，為天然地基，而很低的部分下加樁基，如此輕重倒置，必然引起高低部分的不均勻沉降，引起嚴(yán)重的后果。后來，抗拔樁取消，采取其它方案達(dá)到抗浮的要求。

另外在施工期間應(yīng)采取可靠措施，防止基坑內(nèi)積水，使用中應(yīng)采取措施防止場(chǎng)地積水，這既減少了浮力，對(duì)持力層的承載力也有好處。

結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)工程建設(shè)的發(fā)展，高層建筑越來越多，高層結(jié)構(gòu)中一般都有地下室甚至多層地下室，為地下水位較高時(shí)，所受的浮力很大，而我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家地基規(guī)范中，并無(wú)相關(guān)的抗浮驗(yàn)算要求，因此，在正常使用下（即無(wú)地下水時(shí)）下對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響，這必須引起足夠的注意，采取必要措施。

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