淺談地下結(jié)構(gòu)的抗浮設(shè)計與施工

劉懷良

（甘肅伊真建設(shè)集團有限公司，甘肅蘭州 730050）

淺談地下結(jié)構(gòu)的抗浮設(shè)計與施工

劉懷良

（甘肅伊真建設(shè)集團有限公司，甘肅蘭州 730050）

隨著地下結(jié)構(gòu)物抗浮問題日益突出，如何避免發(fā)生地下結(jié)構(gòu)上浮應(yīng)引起足夠重視。本文從建筑物抗浮失敗造成的后果及原因，當前抗浮設(shè)計現(xiàn)狀，抗浮設(shè)計中應(yīng)考慮的問題，施工中應(yīng)注意的問題等方面進行了分析總結(jié)，對如何從設(shè)計上解決地下結(jié)構(gòu)物抗浮和在施工中避免發(fā)生地下結(jié)構(gòu)上浮進行了論述，以為行業(yè)內(nèi)工程抗浮設(shè)計和施工中避免發(fā)生結(jié)構(gòu)上浮提供借鑒。

地下結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)上浮 抗浮設(shè)計 抗浮施工

近年來，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，高層建筑基礎(chǔ)埋置越來越深，同時作為車庫、商場等功能的廣場式建筑的純地下室部分，裙房或相對獨立的地下結(jié)構(gòu)物等的開發(fā)和利用越來越多。地下結(jié)構(gòu)物處于地面下土體中，由于土體的空隙及巖體的裂隙賦存有大量的地下水，地下水對埋置于土體中的地下結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生浮托力，當結(jié)構(gòu)的抗浮力小于浮托力時將發(fā)生上拱或上浮失穩(wěn)破壞，影響結(jié)構(gòu)的正常使用。由此，地下結(jié)構(gòu)物抗浮問題日益突出，如何從設(shè)計上解決地下結(jié)構(gòu)物抗浮和在施工中避免發(fā)生地下結(jié)構(gòu)上浮已經(jīng)成為一個經(jīng)常面臨的問題。

1　建筑物抗浮失敗造成的后果及原因

近年來，因抗浮失敗而造成地下工程的破壞在國內(nèi)多有發(fā)生，有的地下室底板隆起，導(dǎo)致底板破壞；有的地下建筑物整體浮起；有的地下室局部翹角，導(dǎo)致梁柱結(jié)點處開裂及底板破壞。這些事故均不同程度給建筑物造成永久性缺陷，須進行結(jié)構(gòu)加固方可正常使用。綜合分析這些地下結(jié)構(gòu)物各種情況下的浮起，引起浮起的原因主要分為設(shè)計原因和施工原因兩大類，概括起來有以下幾點：

（1）設(shè)計對地下室受水浮力作用的機理認識不足，未進行抗浮驗算；（2）抗浮計算參數(shù)中地下水位取值不當，盲目選用地質(zhì)鉆探資料中的場地地下水位，忽略了可能出現(xiàn)的最高值；（3）抗浮計算失誤或抗浮措施不當；（4）對建筑物施工過程中的抗浮未給予足夠重視，隨意變更結(jié)構(gòu)或停止地下降水等。

2　當前抗浮設(shè)計現(xiàn)狀

工程設(shè)計中的抗浮設(shè)計問題，現(xiàn)行國家標準規(guī)范《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2009）、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）和《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施》（結(jié)構(gòu)）中僅作了定性的描述，而在國家標準《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）對簡單浮力作用的抗浮設(shè)計給出按如下公式計算：

Gk/Nw，k≥Kw

Gk為建筑物自重和壓重之和，

Nw，k為浮力作用值，

Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取1.05，

當計算結(jié)果建筑物不能滿足抗浮穩(wěn)定性安全要求時，應(yīng)采用增加壓重或設(shè)置抗浮構(gòu)件（如抗拔樁）等措施。

抗浮設(shè)計的關(guān)鍵是浮力作用值的計算，根據(jù)阿基米德原理，物體在水中所受浮力大小等于物體排開水的體積，所以地下結(jié)構(gòu)物的浮力作用主要取決于水位的取值，但埋于地基土的地下建筑物所受的浮力作用又不同于浸泡于水中的物體，浮力作用的大小受地基土透水性的影響。目前，在抗浮設(shè)計上一些手冊、規(guī)范、文獻中對浮力的計算提出了許多觀點，設(shè)計單位在設(shè)計時也按照各自的理解進行設(shè)計，綜合來說主流有以下幾種：

（1）當?shù)叵陆ㄖ锫裼诓煌杆畬樱苓吿钔翞槊軐嵉牟煌杆習(xí)r，地下結(jié)構(gòu)物僅受水的側(cè)壓力，不產(chǎn)生浮力作用。

（2）基坑邊填土的摩擦力不作為抗浮計算的一項因素，作為安全儲備對待。

（3）地下水最高水位按以下原則確定：①按水文觀測資料或歷史水位記錄，取歷史最高水位。②場地有承壓水且承壓水與潛水有水力聯(lián)系時，按承壓水和潛水的混合最高水位計算。③最高水位不超過地下室頂板面標高。

（4）由于地下水的水壓力在垂直方向上并非隨深度增加而線性增加，不能簡單按靜水壓力公式計算，根據(jù)地基土情況按0-50%進行適當折減。

從這些規(guī)范或手冊中的規(guī)定可以看出，地下水浮力的作用相當復(fù)雜，影響因素很多，要準確確定地下水壓力的大小很困難。且施工中不確定因素也比較多，如回填土的土質(zhì)差別、回填的壓實程度等均會影響水的浮力大小。因此，浮力的計算要綜合考慮多方面因素，估計到將來變化的各種可能性并采取可靠的應(yīng)對措施。

3　抗浮設(shè)計中應(yīng)考慮的問題

3.1浮力作用和抗浮力的計算

（1）地下結(jié)構(gòu)物的浮力作用主要取決于水位的取值，正常情況下可按地勘部門提供的抗浮水位即按正常條件下水位變化范圍的歷史最高水位作為確定基礎(chǔ)抗浮設(shè)計水位，因周邊填土的密實性離散性比較大，地基土透水性的變化不易準確掌握，且緊臨地下結(jié)構(gòu)周邊回填土因工作面的問題并不易夯填密實，因此，除有可靠的實驗依據(jù)，地下水對結(jié)構(gòu)物的浮力作用應(yīng)采用阿基米德原理進行計算，不作折減。

（2）地下結(jié)構(gòu)物抗浮力主要來源于結(jié)構(gòu)物的自重、壓重、抗浮構(gòu)件的抗拔力以及基坑周邊回填土與結(jié)構(gòu)物之間的摩擦力等。對于結(jié)構(gòu)物的自重、壓重、抗浮構(gòu)件的抗拔力等均能較準確的進行計算，應(yīng)作為地下結(jié)構(gòu)物的計算抗浮力。但對于基坑周邊回填土與結(jié)構(gòu)物之間的摩擦力，應(yīng)作安全儲備對待。因為正常條件下，地下結(jié)構(gòu)物的浮力作用計算中未對建筑物因所處位置不同可能發(fā)生的各種突發(fā)因素如暴風(fēng)雨、排水不暢、地表逸流、或施工不慎等因素造成的地下水位突然升高未充分考慮，可能會由于安全儲備不足，造成地下水浮力超過結(jié)構(gòu)物抗浮力使建筑物產(chǎn)生變形等破壞，因此，將基坑周邊填土的摩擦力作為安全儲備對待，以應(yīng)對使用正常條件以外的突發(fā)因素。

（3）當?shù)叵陆ㄖ锫裼诓煌杆畬樱苓吿钔翞槊軐嵉牟煌杆習(xí)r，一般認為地下結(jié)構(gòu)物僅受水的側(cè)壓力，不產(chǎn)生浮力作用。對此種情況應(yīng)慎重選擇，因為建筑物與基坑之間的回填土很難做到無縫隙不透水，當有地下水通過回填土滲入到建筑物底板下時，將產(chǎn)生浮力作用，引起建筑物上浮。

3.2抗浮力的安全儲備

工程抗浮設(shè)計一般均是按照正常建設(shè)程序考慮，地質(zhì)條件按照地勘單位提供的地勘報告確定，正常施工條件下，施工單位能嚴格執(zhí)行工藝標準和施工質(zhì)量驗收規(guī)范并遵守驗收程序，建設(shè)單位和監(jiān)理單位均能履職到位。但實際施工過程中，受地質(zhì)復(fù)雜性、施工人員技術(shù)水平，責任意識等影響往往出現(xiàn)管理上的偏差，實際工況與設(shè)計假定的條件有所偏差，此種情況下，如設(shè)計單位過度優(yōu)化，預(yù)留的安全儲備過小，則會造成結(jié)構(gòu)局部發(fā)生變形，嚴重的造成整體結(jié)構(gòu)上浮。另一方面，現(xiàn)階段工程往往由于拆遷等因素影響或整體工程分期施工，對局部工程抗浮條件考慮不足，當后續(xù)工程不能及時跟進，不能提供足夠的抗浮力可能造成前期工程不能正常使用或降水不能及時停止，增加成本，如業(yè)主單位人員疏忽，甚至按經(jīng)驗提前終止降水，也可能造成地下室上浮和結(jié)構(gòu)損壞。

建設(shè)單位從經(jīng)濟考慮對設(shè)計進行變更，如減小基坑尺寸、縮小基礎(chǔ)外挑尺寸、將回填材料私自變更等，取消地下室底板的抗浮回填層等均可能造成抗浮力的不足。

施工單位在施工過程中對基礎(chǔ)的施工不認真，抗拔樁設(shè)計依據(jù)不準確，施工單位未按規(guī)定設(shè)計施工，基礎(chǔ)底板鋼筋綁扎不到位，基礎(chǔ)梁截面不足，基礎(chǔ)底板厚度不足等均可能造成地下室底板地浮力下的抗力不足，造成結(jié)構(gòu)上浮、或防水底板表面開裂或上拱變形過大。

4　施工中應(yīng)注意的問題

地下結(jié)構(gòu)物上浮須有足夠的浮力才能發(fā)生，若施工現(xiàn)場持續(xù)進行抽水并將地下水位控制在可接受的范圍內(nèi)，則地下室上浮將不可能發(fā)生。但地下室結(jié)構(gòu)體施工過程中施工人員警戒心低，可能因疏忽或抽水意外停止，造成地下水位陡然上升而導(dǎo)致上浮，或遇暴雨，短期間雨量過大，排水系統(tǒng)無法排水，致使地表水四處竄流，并沿著地下室外墻及基坑周邊到達基礎(chǔ)底板面，短期間形成巨大的水浮力而造成結(jié)構(gòu)體上浮，因此施工過程中，應(yīng)做好基坑周邊的排水措施，防止地表水流入基坑內(nèi)，同時，在基坑內(nèi)應(yīng)預(yù)留必要的集水坑，設(shè)置相應(yīng)的抽水設(shè)備，在遇緊急情況時可以基坑內(nèi)的積水及時抽出，減小結(jié)構(gòu)物受到的水浮力，第三，還要設(shè)置必要的發(fā)電設(shè)備，防止突發(fā)情況下斷電，造成抽水設(shè)備不能正常運轉(zhuǎn)。

5　結(jié)語

抗浮設(shè)計作為工程設(shè)計的一項重要內(nèi)容，尤其對于地下結(jié)構(gòu)空間大，地上層數(shù)少和地上層數(shù)多但地下為大底盤的的建筑物應(yīng)作為重點設(shè)計，此類建筑最易發(fā)生因抗浮力不足而造成的結(jié)構(gòu)物上浮、底板上拱及局部因浮力作用開裂變形破壞等事故，在設(shè)計中應(yīng)對抗浮設(shè)計考慮全面，預(yù)留足夠的抗浮儲備。在施工中，施工單位也應(yīng)重視抗浮措施的施工及施工過程的抗浮，采取有效的降、排水措施，嚴格按設(shè)計及施工規(guī)范施工，降水停止時及時觀測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，基坑回填土應(yīng)確保回填土類別符合設(shè)計要求，回填壓實質(zhì)量滿足設(shè)計要求，以為結(jié)構(gòu)物提供足夠抗浮摩擦力。

［1］《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2009）.

［2］《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）.

［3］《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施》（結(jié)構(gòu)）.

［4］《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）.

［5］孫梅英.既有地下結(jié)構(gòu)物抗浮加固措施.《華中科技大學(xué)》，2007年碩士論文.