地下结构的抗浮设计

安兆静

摘要：在建筑地下结构的设计过程中，特别是在地下水位较高的地区，抗浮设计是一个不可缺少的重要部分，因此合理地选择抗浮设计方案,将直接影响到结构设计的合理性和地下结构的安全性。

关健词：地下结构，抗浮设计，抗浮方案

1前言

地下结构是将部分或全部结构埋于地下，若场地内有地下水，在地下水作用下就会存在浮力，那就需要采取抗浮措施。如果抗浮措施不当就会引发地下结构底板拱起，裂缝、渗水甚至地下结构整体上浮从而导致结构破坏等问题。

合理选择抗浮设计方案,将直接影响到结构设计的合理性、工程造价以及后期运行。本文分析比较了泄水降压法抗浮、增加配重抗浮、设抗拔桩抗浮、设抗拔锚杆抗浮等常用方法的使用条件和经济性,分析讨论抗浮设计时,应根据工程的实际情况,进行各方案的分析比较,从而选择更为合理、更为经济的抗浮方案.

2抗浮设计

地下室或地下建(构)筑物水浮力是由地下水对建筑物产生的浮力，水浮力的大小与地下水位（抗浮水位）有关。当地下水水浮力达到一定数值时，可能引起建筑物整体上浮或者建筑物结构构件的破坏，所以当建筑地下室或地下建(构)筑物存在地下水浮力作用时，应进行抗浮验算。抗浮验算的一般设计流程为： 先计算建筑物自重，然后根据抗浮设防水位，计算抗浮设防水浮力，接着进抗浮稳定性验算，然后根据抗浮措施技术经济方案比选确定抗浮措施，最后进行地下结构基础设计。

抗浮设计应针对整体抗浮失效和局部抗浮失效进行设计。

整体抗浮失效是指当建筑物的自重不能够克服地下水浮力时，建筑物发生整体上浮位移或倾斜。若地下室结构刚度小，可能会出现局部上浮或倾斜，刚度大则可能整体向上浮移。局部抗浮失效是指水浮力不超过建筑物的总重量，但局部自重小于水浮力，造成抗浮承载力不均衡，使得地下室产生裂缝，部分结构上浮。由于受周边墙体以及内部框架柱、墙的制约，裂缝一般分布于底板或地梁跨中，且其分布范围广并具有一定规律性。

土中水浮力大小直接按阿基米德定律计算，抗浮设防水位通常依据地勘报告，根据勘探期地下水位和历史最高水位及水位随着雨季或汛期的变化幅度等因素综合确定给出数值。

3抗浮措施

抗浮措施主要分为两类，主动抗浮和被动抗浮。常用的主动抗浮措施有泄水降压法；被动抗浮措施有配重法、抗拔桩、抗浮锚杆。

3.1泄水降压法

泄水降压法，是利用盲沟排水主动降低地下室抗浮水位，从而释放部分（或全部） 地下室水浮力的抗浮技术措施。通过排水沟、井点降水等措施，将地下水引排至场外，从而降低场地内地下水头高度，减小了地下水压力，使得建(构)筑物满足抗浮。

该方法最早是当地下室由于水浮力产生破坏时采取的补救措施,在抗浮补救中有着非常好的效果,后来也逐渐用于抗浮设计。

泄水降压法相比较配重法和抗拔桩与抗拔锚杆有明显的优势,其施工方便,价格便宜。所以当场地及其周边水文地质条件允许时 ，可以采用泄水降压的方法对地下水进行主动控制 ，作为地下结构的抗浮措施。主动抗浮不仅能够解决地下结构抗浮稳定性问题 ，还能够大大降低地下结构的基础底板的地下水压力。

但是，泄水降压措施在地下结构整个使用期间 ，需要对其设备进行运行及检修 ，并应配备长期维护与应急措施 ，增加了建筑运营管理成本，其次，该方法对地下室土体的要求比较高,适用于地表渗水,不适应于承压水和淤泥质土。另外，主动降水容易引起周边建筑物沉降，造成安全隐患。

被动抗浮方案主要有配重法、抗拔桩和抗浮锚杆,具体特点如下：

3.2配重法

由抗浮基本原理，用于结构抗浮的结构自重主要包括上部结构传递至地下室顶的恒荷载、地下室结构梁板自重、地下室墙体自重以及地下室底板自重，通过在地下结构顶板增加覆土、延伸底板、地下室底板压载、增厚底板，增加侧壁厚度等，利用增加结构自重来平衡水浮力的一种抗浮方法。该措施通常用于结构自重与地下水浮力相差不大的情况,需要平衡的水浮力有限。

当地下水浮力作用较大时且利用结构自重抗浮不满足要求时，可进行配重法抗浮，即利用附加物的自重抵抗水浮力，比如外挑底板，并在底板上附加配重，或者在地下室顶板或底板增加配重，在底板上部采用低等级混凝土压重或者高密实度材料回填压重，在底板下部采用低等级混凝土挂重其成本低，且工艺简单、操作方便。

但是任何事都有双面性，比如，加大荷载的同时对结构需要承受更大的荷载，因此受力构件的性能要求也比较高，也由于需要增加混凝土用量以及相关的配重材料，建设成本增加较多；若延伸底板，可通过外伸底板上的配重来平衡部分水浮力，开挖的范围将因而加宽，加大了基坑土方开挖量，用土地面积也将因而加大，对建设工期和成本都会带来影响，因此此法一般适用于规模较小的地下工程的抗浮。

3.2抗拔桩

抗拔桩的抗浮力主要由桩侧混凝土与岩土体摩擦而提供的向下摩阻力和桩体本身所提供的竖向重力组成。即向上的水浮力通过桩体纵向钢筋与混凝土之间的相互作用将荷载传递到桩身，再由桩体与周围岩土体之间的摩擦作用将荷载传 递到周围地层中。桩侧表面粗糙度越高、桩端土越坚硬，桩受压侧阻力的增大效应也越大。因此，桩侧表面粗糙度是提高桩抗拔承载力的关键所在。

抗拔桩作为一种有效的抗浮措施，工艺流程成熟，适用于大部分的地下工程，常用桩型有预制桩、钻孔灌注桩等。在选材的时候应该选择直径粗、长度适中的桩体，还要与周围的土层形成—体，上部与建筑物的承重桩相连接，将重量集中在地下室底板的中间区域，以增强底板的整体刚度，最大限度的提高地下室的抗 浮能力。但是此种方法有—个弊端，就是选材时会增加建筑成本，且施工过程受环境影响较大，操作程序复杂。因桩主要受压，当抗拔桩按抗裂设计，钢筋用量是抗压桩的3倍以上，而且桩身拉裂后，钢筋容易腐蚀，而且抗拔桩所需造价最高。

3.3抗浮锚杆

锚杆抗浮法：锚杆是一种受拉结构体系，它是由钢拉杆(钢 筋)、灌浆体、防腐层组成。锚杆抗浮就是将锚杆锚固在基础底板内，利用锚杆侧土的表面摩阻力来抗浮。依据单根锚杆的抗拔力，然后再根据其浮力的大小，在底板均匀的布置锚杆，这种方法的优点是基础底板受力均匀，配筋小；缺点是地下室底板下的防水施非常麻烦。锚杆会受到耐久性的影响而导致抗浮效果不佳，在基岩较浅的情况下锚杆效果最好，因此，它的应用范围比较小。

总的来说锚杆与其他抗浮措施相比此具有施工简单、布置灵活、受力合理、工期短、造价低、节省材料等优点。采用锚杆抗浮需要考虑抗浮锚杆所用钢筋与混凝土底板的止水问题，防止从二者结合点发生渗漏。因此，可以先施工抗浮锚杆后做地下结构物基础板，也可先做地下结构物基础板，在板上预留孔后施工抗浮锚杆。

4结语

   工程建设过程中，地下结构的抗浮设计是一个非常重要的问题，必须予以高度的重视。地下结构的抗浮设计不当容易导致地下结构底板拱起，裂缝、渗水甚至引起结构破坏。设计时应选择合理的抗浮措施，以防止事故的发生，确保工程质量，本文总结了常见的抗浮措施及抗浮措施基本原理,每一种方法都各有优缺点,应结合具体工程具体分析，从而选出最适合的抗浮措施，得到最合理的抗浮设计。

参考文献：

[1] 杨士友.建筑地下结构抗浮设计[J].建筑与结构设计.2020(14):25-26.

[2] 沈德飞.地下结构抗浮设计[J].工程建设与设计.2020(23):28-30.

[3] 《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011).