地下建筑結構抗浮設計及措施探討

凌民亮

【摘要】隨著我國地下建筑結構設計的不斷發展，有必要研究其抗浮設計及相關措施。本文首先介紹了地下建筑結構抗浮設計的概念及重要性，分析了地下建筑物浮起的機理及基本條件，探討了建筑抗浮失效的原因，提出了地下建筑結構抗浮技術措施。

【關鍵詞】地下建筑結構；抗浮設計；措施探討

中圖分類號：TU3文獻標識碼： A

一、前言

作為建筑結構設計中的一項重要工作，地下建筑結構抗浮設計在近期得到了重視。研究地下建筑結構抗浮設計，并提出相應的應對措施，對于提升地下建筑結構的可靠性有著重要意義。本文從介紹抗浮設計相關概念著手本課題的研究。

二、地下建筑結構抗浮設計的概念及重要性

近幾年來，有不少地下建筑結構因地下水的作用而造成工程事故，如某醫院兩層獨立地下車庫，在施工過程中，出現整體上浮，最大上浮高度達1.42m；又如，某體育中心游泳館，地下室上浮造成上部結構梁、板、柱產生大量裂縫；再如，某高層建筑地下室底板局部隆起高達350mm，柱間板出現45°破壞性裂縫……諸如此類問題時有發生，造成了財產的損失。所以抗浮設計顯得尤為重要。

地下建筑結構抗浮設計就是以地下水位的高低來確定建筑物承受浮力大小的設計過程，地下建筑結構抗浮設計有利于建筑整體自重的有效平衡，同時也有利于分布地下建筑結構所受的壓重，在穩定地下建筑結構形態和功能的同時，還有利于實現建筑物整體的穩定。地下建筑結構抗浮設計根據設計面積和經驗一般可以分為整體部分或局部的抗浮設計。地下建筑結構抗浮設計過程中地下水的浮力是重要的影響因素，設計地下建筑結構抗浮結構和功能是要展開對浮力的全面計算，進而形成更為有效的地下建筑結構設計方案。

三、地下建筑物浮起的機理及基本條件

眾所周知，水對地下建筑物的浮力大小遵循阿基米德原理，水對物體的浮力等于物體排開同體積水的重量。容易引起忽視的是在地下水長期作用下，水的浮力同時也遵循連通管原理，即在地下水長期作用且均勻補給的滲透系數相同的透水土層中孔隙和孔道中的水位等高，地下水位下同一標高孔隙水的壓強相等。鑒于實際情況中土的滲透系數不等，特別是水的補給來源不均，補給水量也不等，因此，客觀表現的地下水位呈動態變化，在一個場地各點水位往往不相等，上層滯水水位變化更大，但各點水位按連通管原理逐步平衡的趨勢是不變的。因此，透水土層在地下水長期浸泡下，地下建筑物與周圍巖土介質間因地下水通過大孔道或微小的孔隙滲入達到一定水位時，無論水的性質是潛水、上層滯水或承壓水，無論滲入水量的多少，即使巖土介質與地下結構外墻間形成薄層水膜，即可產生強度為γh的浮力(γ為水的重度，h為建筑物基底以上的水深)，當水浮力強度大于地下建筑物單位面積的重量時，建筑物即可浮起，當水不斷補充，建筑物將繼續上浮。所以，建筑物浮起是一個漸進過程。水位高低是控制建筑物上浮的基本要素，水量的大小控制著建筑物的上浮量，地下建筑的浮起破壞是上述兩個因素綜合作用的結果，缺一不可。單是水位達到上浮臨界水位，建筑物開始微小浮起，此時，如果水未繼續補充，或滲入的水量小于基底和周邊土的滲出水量時，則建筑物不會繼續上浮，地下結構不致破壞，已滲入基底的水在建筑物重量作用下，滲入基底或周邊土介質之中，此時人們并未發現地下建筑上浮的危險征兆。這就是許多地下建筑物未采取抗浮措施，也未發現嚴重浮起的原因。

一個簡單的試驗可以說明問題，將大小與形狀相同的兩個碗疊摞在一起，兩碗之間的空隙填充砂或土，用滴管向兩碗間隙中滴水，由于兩碗間的間隙較小，間隙內水位達到臨界上浮水位時，雖然滴入的水量遠不到碗的重量，但上面的碗已被浮起。

四、建筑抗浮失效的原因分析

在地下建筑抗浮失效中，主要原因在于不良地下水。具體來說，在工程工勘的過程中，沒有進行抗浮評價，也沒有提出抗浮水位以及抗浮設計參數。GB50021—2001《巖土工程勘察規范》中明確要求要對地下水作用及影響進行正確評價，針對地下結構物、基礎以及擋土墻，要按照設計水位進行浮力的計算。一般的場地地下水類型屬于上層滯水，存在于上部雜填土之中，在勘察期間，地下水的水位埋深為1.23m到4.30m。此類地下水容易受到季節氣候的影響，而其場地中的軟巖在受到大氣降水的影響下會出現松散、膨脹以及軟化蝕變的問題。

1.由于工程施工期周期長，也加重了地下水的破壞性，具體來看，一般的基坑開挖如果經歷了兩次大氣降水豐水期，在基坑形成之后，大氣降水的大量滲入導致坑內、外土層吸水飽和，滯水轉變為孔隙潛水。

2.周邊道路基礎土層經過高強度夯實之后形成阻水隔水邊界，導致孔隙水只進不出，使地下水位不斷的抬高，形成承壓水。而在地下建筑設計的過程中，沒有進行相應的抗浮設計。

3.在地下室施工的過程中，底板基礎以下缺乏物理力學強度好的隔水巖土層，加之地下室部分基礎處于下伏層，這就違反了相關的抗浮規定，最終使得地下室底板持力層以及變形速度在不良地下水的活動下破壞越來越嚴重。

4.如果工程部分地段使用了毛石砼換填法，使得其在地下水的反復影響下，基礎持力層也反復的隆起、沉降，進而使得地下室地面反復隆起、沉降，對地上建筑物造成了極限破壞。

五、地下建筑結構抗浮技術措施

1.盲溝排水法

這種方法適用于常年水位低于地下室底板標高。沿地下室四周和底板下設置濾水層和排水管道，將水引導匯集到排水井內并用水泵抽排，地下水位一直維持至地下室底板下某一標高，使得底板基本不受水浮力，這種方法不僅解決了地下室的整體抗浮問題，同時也解決了底板的局部抗浮，其經濟效益明顯。

2.配重法

抗浮安全度不夠是由于結構自重小于地下水對結構上浮力而造成，最直接的辦法是增加結構自重或增加其上恒載，利用底板外伸部分增加回填土重量；如在地下室頂板上覆土，既解決了建筑綠化問題，同時又能增加恒載來提高結構的抗浮能力。如果在底板上增加配重，能同時降低底板的局部有效壓力，有利于減小底板和基礎梁的尺寸。值得注意的是，增加覆土厚度或增加底板厚度對地下室抗浮有效，但基礎埋深勢必增加，地下水浮力也相應增加，于是增加結構重量的作用會部分地被增加埋深所引起的浮力抵消，因此，抗浮設計使用配重抗浮技術措施時應認真核算。

3.抗浮樁法

抗浮樁利用樁側阻力起抗浮作用，其抗浮能力與樁型、樁徑、樁長及周圍地質條件有關?？垢兜膯螛冻休d力較大，一般布置在柱、墻下，其抗浮面積較大，受環境條件、施工條件影響較大，造價較高。當按常規布置柱下樁基不能滿足抗浮要求時，需要在抗浮底板下增設抗拔樁?！陡邔咏ㄖr土工程勘察規程》中規定：對地下水水位或使用荷載變化較大的地下室宜選用抗浮樁?？拱螛兜目拱纬休d力應通過現場抗拔靜載荷試驗確定。

4.抗浮錨桿法

抗浮錨桿因具有造價低廉、施工方便、受力合理等優點而被廣泛使用。但抗浮錨桿的設計、施工和檢測還沒有專業規范，給抗浮錨桿的應用帶來不便?？垢″^桿分預應力錨桿和非預應力錨桿，普通錨桿只有結構底板發生一定的位移才開始被動受力，適用于水浮力不大且對位移要求低的地下室；當水浮力較大且對位移及滲漏要求較高的地下室應采用預應力錨桿。預應力錨桿初始預加力增加了樁基的負荷，預應力的張拉也須結構達到設計強度后方能進行。

六、結束語

通過對地下建筑結構抗浮設計及措施的相關研究，我們可以發現，引起地下建筑抗浮失效的原因是多方面的。有關人員應該從這些不同方面的原因出發，結合建筑結構的客觀實際，研究制定最為科學合理的抗浮技術措施，以提升建筑的穩定性。

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