浅谈地下室抗浮设计

钟玉斌刘嫄

机械工业第三设计研究院

摘要：简要介绍了地下室抗浮设计思路及方法，阐述了地下室抗浮基本受力原理，介绍了抗浮设计的基本参数及设计方法。

关键词：抗浮设计承载力设防水位静水压力

1引言

随着沿河沿江建筑物的兴建，单纯地下室或高层建筑带地下室越来越多存在地下水位高于地下室底标高，由此带来地下室抗浮设计。忽视地下室抗浮设计导致许多工程事故，两层独立地下车库，如果地下水位较高，未进行专门抗浮设计的话，在施工及日后的使用过程中，有可能出现整体上浮或局部部位结构破坏，如地下室底板局部隆起，柱间板出现45°破坏性裂缝……造成财产的损失。因此抗浮设计在高地下水位区应予于重视。

2抗浮关键参数

现结合具体工程实际对地下室抗浮设计进行讨论。工程概况：本工程位于四川省内江市滨江东路东北侧临街面与沱江河防洪堤之间，为两层地下室大底盘，地下室总高8.5米，上部3栋塔楼30层，结构总高96米，总建筑面积为96000m2。建筑地下室底标高为298.50。勘察期间地下水位293.25~297.60米，地下室平面如下图所示。

图一

在设计之前先讨论下抗浮设防水位的确定。地下室抗浮设计首先应明确地下水抗浮设防水位，即指基础埋置深度内地下水层在建筑物建造及运营期间的最高水位。根据现行的规范和有关资料，确定原则基本有：1）当有长期水位观测资料时，抗浮设防水位可采用取长期水位观测资料的最高水位；2）当无长期水位观测资料或资料缺乏时，按勘察期间实测最高稳定水位并结合场地地形地貌，地下水补给，排泄条件等因素综合确定；3）江、河、库岸边的建筑，存在滤水层时，抗浮设防水位可按设计使用年限内最高洪水位确定；4）降水较多经常发生街道浸水的场地，抗浮水位可取室外地坪标高。本项目位于沱江江边，根据地勘资料表明，场地地下水与场地边的沱江水力联系较密切、具随季节呈互补关系特征，即枯水期地下水补给河水，洪期河水补给地下水。地下水水量、水位具有随季节呈动态变化特征。根据以上原则及地勘资料，本工程地下室设防水位按设计使用年限内最高洪水位确定，为304.50米。抗浮设计水位压力差即水头差为：6米。

荷载相关的各个分项系数，地下水浮力和抵抗力分项系数的确定。根据《建筑结构荷载规范》中第3.2.5条规定，结构自重作为抵抗浮力的永久荷载，其效应对结构有力，分项系数γG取1.0。根据《工程结构可靠度统一标准》的规定，水位基本不变时水压力按永久荷载考虑，水位变化的水压力按可变荷载考虑。结合工程实际，本工程的地下室地下水位季节变化较为明显，因此可将地下水浮力视为可变荷载，结构承载力验算时其分项系数γQ可取1.4，整体抗浮稳定性验算时取1.0或1.05。

有关资料表明：静水环境中，对于透水性较好的土层或节理发育的岩石地基中，地下室按静水压力计算地下水的浮力；对于渗透系数很低的黏土来说，实测资料表明，由于渗透过程的复杂性，黏土中基础所受的浮力往往小于水头高度，但在工程设计中，未有当地实测数据及经验，浮力不进行折减。而在渗流条件下，由于地下建筑的存在，改变了地下水的运动边界条件，基础所受的压力不完全取决于水位的高低，而必须由渗流分析来确定。实测数据表明，渗流条件下基础所受孔隙水压力与静止水压力有较大差异。工程设计中，应根据工程重要性和具体的水文地质条件，结合当地经验或实测数据，科学对待。本工程地下室位于沱江边，未实测地下渗流的孔隙水压力，未进行渗流分析，地下室浮力按偏于保守的静水压力计算。

3抗浮措施

地下室抗浮设计可归纳为“一压二拉”，“压”即为配重法，增加永久荷载的结构自重，比如地下室顶板覆土、地下室底板的配重等来平衡地下水浮力；“拉”即为设置抗拔桩或抗拔锚杆，以抗浮构件提供的抗拔力平衡地下水浮力。在工程实际应用中，单独运用一种方式抵抗地下室浮力往往事倍功半，耗材费力，通常采用两者相结合的方式进行抗浮设计，以达到经济合理。

本工程在抗浮设计时即采用“拉”、“压”相结合的方式，充分利用结构自身的条件，适当增加结构自重，合理设置抗拔构件，达到抗浮的目的，同时又保证工程的安全科学，经济合理。以下为本工程的方案对比：

方案一：车库顶板覆土+车库底板配重+结构桩基抗拔锚固+单纯抗拔桩。

方案二：车库顶板覆土+车库底板配重+结构桩基抗拔锚固。

两种抗浮方案，地下室底板所受荷载相同，均承受水浮力及结构自重及附加配重；差别在于是否单独设置抗拔锚桩。通过程序计算，方案一在各个柱距跨中设置抗拔锚桩，增加了基础连续梁跨数，减小基础连续梁计算长度，基础连续梁截面尺寸及配筋较为经济，对结构桩基的抗拔要求降低，但同时增加抗拔锚桩的成本。方案二取消单独设置的抗拔锚桩，基础连续梁计算长度较大导致内力加大，使得基础连续梁采用较大截面尺寸及较大的配筋量，对结构桩基的抗拔要求提高。由于地下室大部分位于高层塔楼之下，结构自重较大，且经过建设成本测算，该地区实施抗拔锚桩成本较大，最终采用方案二进行地下室的抗浮设计。

小结

地下室抗浮在建筑工程中越来越常见，在设计中应充分认识到抗浮设计关键参数选取的重要性。抗浮设计应结合建筑项目自身条件，因地制宜，采用合理经济的抗浮措施。同时在施工过程中应强调沉降观测及降水控制。

参考文献：

[1]工程地质手册中国建筑工业出版社.2007

[2]建筑地基基础设计规范建设部2011