引用轉(zhuǎn) 地下室抗浮設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題討論

1、引用 轉(zhuǎn) 地下室抗浮設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題討論引用 轉(zhuǎn)地下室抗浮設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題討論 2010年11月24日近幾年來(lái)，有不少地下室因地下水的作用而造成工程事故，如某醫(yī)院兩層獨(dú)立地下車庫(kù)，在施工過(guò)程中，出現(xiàn)整體上浮，最大上浮高度達(dá)1.42m；又如，某體育中心游泳館，地下室上浮造成上部結(jié)構(gòu)梁、板、柱產(chǎn)生大量裂縫；再如，某高層建筑地下室底板局部隆起高達(dá)350mm，柱間板出現(xiàn)45破壞性裂縫諸如此類問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，造成了財(cái)產(chǎn)的損失。本文對(duì)產(chǎn)生這些事故的原因歸納總結(jié)成以下四個(gè)方面，與同行們共同討論： 一、抗浮設(shè)計(jì)中基本概念 在多個(gè)地下室因水浮力作用而引發(fā)的工程亊故中，我們發(fā)現(xiàn)有些設(shè)計(jì)人員對(duì)地下水的作用認(rèn)識(shí)不足，抗

2、浮設(shè)計(jì)的基本概念不夠清晰，常見的有下列幾種情況： 1）重視地下室的梁、板、柱、墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)，忽視整體抗浮驗(yàn)算分析，忽視施工的抗浮措施，總認(rèn)為具有上萬(wàn)噸自重的地下室怎么會(huì)浮起來(lái)呢 2）地下室底板裂縫、漏水，甚至成為地下游泳池，把某些實(shí)質(zhì)上是因?yàn)榈叵滤淖饔眠h(yuǎn)大于設(shè)計(jì)荷載而造的工程事故，錯(cuò)判為溫度應(yīng)力作用、砼施工質(zhì)量問(wèn)題等。 3）對(duì)于基底為不透水土層的地基（基巖、堅(jiān)硬粘土），深基坑支護(hù)又采用了止水帷幕或樁、錨、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，忽視水的浮力。 試想萬(wàn)噸級(jí)以上大船能在江、河、海中航行，可見水的作用力之大。地下室就像一條“船”，地下室底板和側(cè)墻形成一個(gè)密閉的船身，它的水浮力有多少呢，是它浸泡在水

3、中的體積乘以水容重，若一個(gè)50100m的地下室，抗浮水位為5m，它的浮力為25000噸，可見水浮力之大。地下室的抗浮設(shè)計(jì)就是要使這個(gè)船既不上浮，船身又不破壞，因此，地下室的抗浮設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行整體抗浮和局部抗浮驗(yàn)算。 為防止地下室整體上浮我們通常采用兩類做法，一類為“壓”，一類為“拉”。 當(dāng)采用“壓”的做法時(shí)，利用建筑的自重（包括結(jié)構(gòu)及建筑裝修、上部覆土等，不含樓面活荷載）平衡地下室水的總浮力，當(dāng)不能平衡時(shí)，必須增加“拉”的做法，即采用樁或錨桿等來(lái)抵抗地下水的浮力。無(wú)論是“壓”還是“拉”的做法，都必須進(jìn)行整體抗浮驗(yàn)算，保證抗浮力（壓重+抗拉力）大于水的總浮力，即 。 局部抗浮驗(yàn)算，除了梁板墻柱結(jié)構(gòu)構(gòu)

4、件的強(qiáng)度驗(yàn)算、變形驗(yàn)算和裂縫驗(yàn)算，還應(yīng)包括局部的抗浮驗(yàn)算，對(duì)于大面積地下室上建有多棟高層和低層建筑，建筑自重不均勻，當(dāng)上部為高層或恒荷載較大時(shí)，該范圍的整體抗浮能力可能較高，但上部沒有建筑或建筑層數(shù)不多的局部范圍，特別應(yīng)進(jìn)行分區(qū)、分塊的局部抗浮驗(yàn)算，例如：柱、樁、墻的壓力或拉力能否平衡它所影響區(qū)域里的水浮力總值。 然而有些設(shè)計(jì)人員對(duì)上述最基本的概念還不夠清晰，例如，有些設(shè)計(jì)人員只對(duì)地下室底板的梁、板、墻在地下水浮力荷載作用下的強(qiáng)度計(jì)算，未做整體抗浮的認(rèn)真分析，特別是獨(dú)立地下室、水池等，造成地下室整體上浮，給地下室結(jié)構(gòu)帶來(lái)嚴(yán)重破壞，難以進(jìn)行復(fù)原處理。又如有些設(shè)計(jì)人員利用上部結(jié)構(gòu)自重抗浮，只計(jì)算上

5、部結(jié)構(gòu)總自重標(biāo)準(zhǔn)值大于總的水浮力設(shè)計(jì)值，就認(rèn)為抗浮設(shè)計(jì)滿足要求。既不分析其上部建筑荷載的分布，又未計(jì)算局部抗浮，局部范圍因抗浮力小于水浮力，底板隆起、造成地下室及上部結(jié)構(gòu)局部范圍內(nèi)大面積破壞。再如，在地下室底板計(jì)算中只驗(yàn)算強(qiáng)度不進(jìn)行變形的裂縫寬度的計(jì)算，造成底板產(chǎn)生裂縫，漏水嚴(yán)重，形成“地下游泳池”。 更值得一提的是，有些設(shè)計(jì)人員和施工人員對(duì)地表水作用認(rèn)識(shí)不足，當(dāng)?shù)叵率业鼗鶠椴煌杆膸r土層、支護(hù)又嚴(yán)密的基坑，一般認(rèn)為不存在水的浮力，因此造成施工期間或使用期間地下室上浮破壞的盲點(diǎn)，一旦暴雨來(lái)臨，地面的地表水全流入基坑形成“腳盆”效應(yīng)，即基坑為 “大腳盆”，地下室成為“小腳盆”。施工期間一旦未及時(shí)

6、采取降水措施就會(huì)將“小腳盆”浮起，使用期間若不將四周的回填土采用粘性土分層夯實(shí)形成止水層，也同樣會(huì)產(chǎn)生“腳盆”效應(yīng)。 另外，有些設(shè)計(jì)人員和施工人員忽視施工對(duì)地下室抗浮的重要性，設(shè)計(jì)圖紙對(duì)施工時(shí)抗浮措施的要求只字不提，施工人員在施工過(guò)程中不關(guān)注降水，沒有采取降水措施或在抗浮結(jié)構(gòu)未達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)定目標(biāo)時(shí)就停止了降水，導(dǎo)致在施工期間產(chǎn)生地下室整體上浮事件時(shí)有發(fā)生，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因除經(jīng)驗(yàn)外，主要是對(duì)我國(guó)現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范，規(guī)定不了解。例如地下室防水技術(shù)規(guī)范在第10章中明確規(guī)定了，“明挖法地下室防水施工時(shí)，地下水位應(yīng)降至工程底部最低高程500mm以下，降水作用應(yīng)持續(xù)至回填完畢”；建設(shè)部建筑工程設(shè)計(jì)文件編制

7、深度規(guī)定的第4.4.3條第8款中，規(guī)定了“地下室抗浮（防水）設(shè)計(jì)水位及抗浮措施，施工期間的降水要求及終止降水的條件等”應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明中明示；這些規(guī)定是經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，我們應(yīng)該嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定做好地下室的抗浮設(shè)計(jì)和抗浮施工。 綜上所述，我們?cè)谶M(jìn)行工程的抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，要做到以下三個(gè)步驟： 1） 仔細(xì)研讀勘察報(bào)告； 2） 進(jìn)行整體抗浮和局部抗浮驗(yàn)算，并提出施工期間的抗浮措施和降水措施； 3） 對(duì)存在“腳盆”效應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。 二、地下室抗浮水位的確定 勘察單位在提供的勘察報(bào)告中，地下室的抗浮水位不嚴(yán)謹(jǐn)，而設(shè)計(jì)人員又缺乏對(duì)勘察報(bào)告的認(rèn)真研讀和分析，表現(xiàn)出如下四種情況的隨意性： 1） 勘察報(bào)告未明確抗浮水

8、位，只描述鉆孔的可見水位； 2） 臨近江河且具有透水層的建筑場(chǎng)地，按一般場(chǎng)地提出抗浮水位，未考慮設(shè)計(jì)使用年限的江河最高洪水位的影響。 3） 根據(jù)業(yè)主節(jié)約投資的需要，或者業(yè)主要求增設(shè)地下室后，原勘察報(bào)告無(wú)抗浮水位的參數(shù)，又未進(jìn)行補(bǔ)充勘察，隨意修改或確定抗浮水位。 4） 對(duì)坡地建筑，提供的抗浮水位遠(yuǎn)高于建筑設(shè)計(jì)的地坪標(biāo)高，設(shè)計(jì)人員未進(jìn)行認(rèn)真的分析造成浪費(fèi)。 以上四種做法中，第1）、2）、3）種情況，導(dǎo)致地下室因抗浮能力不夠而使得結(jié)構(gòu)破壞，第4種導(dǎo)致不合理的設(shè)計(jì)，增大工程投資，造成資源浪費(fèi)。 地下室抗浮水位是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，地質(zhì)場(chǎng)地土層差異性，場(chǎng)地土內(nèi)地下水復(fù)雜多變性，給地下室抗浮水位的確定帶來(lái)

9、了較大困難，然而抗浮水位又是地下室抗浮設(shè)計(jì)中一個(gè)決定性的參數(shù)。 如何做到既安全又合理的確定其抗浮水位？勘察、設(shè)計(jì)人員應(yīng)遵照巖土工程勘察規(guī)范（gb 50021）及高層建筑巖土工程勘察規(guī)程（jgj 72）的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行勘察和分析。其中，根據(jù)高層建筑巖土工程勘察規(guī)程第8.6.2條，場(chǎng)地地下水抗浮設(shè)防水位的綜合確定宜符合下列規(guī)定： 1） 當(dāng)有長(zhǎng)期水位觀測(cè)資料時(shí)，場(chǎng)地抗浮設(shè)防水位可用實(shí)測(cè)最高水位，無(wú)長(zhǎng)期水位觀察資料時(shí)，應(yīng)按勘察期間實(shí)測(cè)最高水位并結(jié)合場(chǎng)地地形地貌、地下水補(bǔ)給、排泄條件等因素綜合確定。 2） 場(chǎng)地有承壓水且與潛水有水力聯(lián)系時(shí)，應(yīng)實(shí)測(cè)承壓水位并考慮其對(duì)抗浮設(shè)防水位的影響； 3） 只考慮施工期間

10、的抗浮設(shè)防時(shí)，抗浮設(shè)防水位可按一個(gè)水文年的最高水位確定。 此外，設(shè)計(jì)人員對(duì)于下列一些特殊情況還應(yīng)進(jìn)行必要的分析和論證：一是地下水賦存條件復(fù)雜、變化幅度大、區(qū)域性補(bǔ)給和排泄條件可能有較大改變或工程需要時(shí)，應(yīng)進(jìn)行專門論證；二是對(duì)于斜坡地段的地下室或可能產(chǎn)生明顯水頭差的場(chǎng)地上的地下室進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，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)地下室結(jié)構(gòu)的影響，不要籠統(tǒng)的采用勘察報(bào)告所提供的遠(yuǎn)高于室外地坪的地下室抗浮水位來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。水是往低處流的，若建筑物一側(cè)或多側(cè)是敞開的，水浮力不可能高出室外地坪；三是在有水頭壓差的江、河岸邊，且存在濾水層，應(yīng)按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的最高洪水位來(lái)確定其抗浮水位；四是對(duì)于雨水

11、豐富的南方地區(qū)，尤其應(yīng)注意因地面標(biāo)高發(fā)生變化后對(duì)原勘察報(bào)告抗浮水位的修正，防止產(chǎn)生地表水聚集效應(yīng)對(duì)地下室的破壞。 三、抗浮驗(yàn)算中的幾個(gè)參數(shù)討論 水浮力的分項(xiàng)系數(shù)和抵抗力的分項(xiàng)系數(shù)，以及抗浮錨桿鋼筋抗拉工作條件系數(shù)、抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度如何取值，是目前在地下室抗浮設(shè)計(jì)中很有爭(zhēng)議的問(wèn)題。 1. 我國(guó)不同規(guī)范對(duì)水浮力和抵抗力的分項(xiàng)系數(shù)有不同的取值，造成設(shè)計(jì)人員分項(xiàng)系數(shù)取值時(shí)的混亂。 荷載規(guī)范中第3.2.5條規(guī)定，抵抗水浮力的結(jié)構(gòu)自重作為永久荷載，對(duì)結(jié)構(gòu)有利組合時(shí)其分項(xiàng)系數(shù)g取1.0是無(wú)爭(zhēng)議的，但水浮力是可變荷載，其分項(xiàng)系數(shù)q應(yīng)如何取值呢？在該條第3款中，“對(duì)結(jié)構(gòu)傾覆、滑移和漂浮驗(yàn)算，荷載的分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)按有關(guān)結(jié)

12、構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定采用”。在查閱相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，民用建筑地下室及人民防空地下室均未涉及到此項(xiàng)內(nèi)容，只有給排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范gb50069提到了關(guān)于水浮力可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)問(wèn)題。 給排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范gb50069-2002第5.2.2條和5.2.3條中比較清楚的表述了，對(duì)于抗浮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，地表水或地下水作用應(yīng)是第一可變荷載，1）在進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，它的分項(xiàng)系數(shù)取為1.27；即，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，水浮力的基本組合設(shè)計(jì)值為標(biāo)準(zhǔn)值乘上1.27。2）當(dāng)計(jì)算整體抗浮的穩(wěn)定性時(shí)，抵抗力只計(jì)入永久荷載，水浮力采用標(biāo)準(zhǔn)值乘以抗力系數(shù)ks（取1.05）。民用建筑地下室和給排水構(gòu)

13、筑物在使用功能上存在著一定的差異，但其水浮力的作用和結(jié)構(gòu)的受力性能應(yīng)是相似的。在相關(guān)規(guī)范還沒有做出明確規(guī)定之前，此規(guī)范的相關(guān)參數(shù)值得借鑒。3）若設(shè)計(jì)者對(duì)抗浮水位存在質(zhì)疑，應(yīng)將水浮力按荷載規(guī)范中的永久荷載和可變荷載的方法來(lái)確定分項(xiàng)系數(shù)。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范第3.1.1條的條文說(shuō)明，“按工程結(jié)構(gòu)可靠度統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)gb50153的規(guī)定，水位不變的水壓力按永久荷載考慮，水位變化的水壓力按可變荷載考慮”，是否可以理解為當(dāng)抗浮水位平室外地坪時(shí)，水壓力是不可能再增加了，視為不變的水壓力。加之，在驗(yàn)算抗浮時(shí)，水浮力為主要可變荷載效應(yīng)來(lái)控制的組合，它的分項(xiàng)系數(shù)宜取1.20；當(dāng)抗浮水位低于室外地坪，水壓力有可能再增加

14、，視為可變荷載，它的分項(xiàng)系數(shù)宜取為1.4。 2. 錨桿工作系數(shù)和錨桿鋼筋取值 錨桿抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，錨桿鋼筋截面面積計(jì)算現(xiàn)行的規(guī)范中無(wú)明確的計(jì)算規(guī)定，因此設(shè)計(jì)單位有兩種不同版本的設(shè)計(jì)公式。 第一種，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范正截面受拉承載力計(jì)算公式： 第二種，采用建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范中，錨桿鋼筋截面面積的計(jì)算公式： 從兩個(gè)公式中，我們可以看出鋼筋強(qiáng)度f(wàn)y是一致的，可按照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范第4.2.3條表4.2.3-1的抗拉鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值。 公式中不同的是，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范公式中多了兩個(gè)系數(shù)，一是邊坡工程重要性系數(shù)0，若取1.0，在本文中不做討論，二是錨桿鋼筋的抗拉工作條件系數(shù)2，作為永久性

15、錨桿時(shí)取0.69。上述兩公式計(jì)算得出的錨桿鋼筋截面面積就比較大了。加之，一般錨桿的抗拉鋼筋直徑大、強(qiáng)度高，有些設(shè)計(jì)人員采用砼規(guī)范中鋼筋的軸心受拉強(qiáng)度公式，既未取工作條件系數(shù)，而且未按規(guī)范4.2.3-1表注取值，“在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，軸心受拉和小偏心受拉構(gòu)件的鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值對(duì)于300n/mm2時(shí)，仍應(yīng)按300 n/mm2取用”，而設(shè)計(jì)人員采用hrb400級(jí)鋼筋時(shí)，仍取fy=360 n/mm2。而有些設(shè)計(jì)人員采用建筑邊坡技術(shù)規(guī)范錨桿鋼筋截面計(jì)算公式，工作條件系數(shù)2取0.69，hrb400鋼筋的抗拉強(qiáng)度又取300 n/mm2，錨桿鋼筋的計(jì)算面積之大，使人難以接受，兩種不同的版本形成了相差一倍的計(jì)

16、算結(jié)果，是值得我們探討和研究的，從抗浮錨桿的工作條件，參照建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范的計(jì)算公式，并無(wú)道理，但抗浮錨桿的成孔及構(gòu)造要求較之邊坡錨桿要穩(wěn)定得多，如清孔較容易，砼強(qiáng)度要求c30等，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范較為接近構(gòu)件的受力特征。在錨桿鋼筋截面的計(jì)算中，我們建議按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的正截面受拉承載力計(jì)算的公式，但鋼筋的取值應(yīng)該按軸心受拉和小偏心受拉構(gòu)件的鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值計(jì)算，這樣顯得較為合理。 四、錨桿抗浮驗(yàn)算傳力途徑 在目前的地下室采用錨桿抗浮設(shè)計(jì)中，有下列2種混亂的方法： 1）上部建筑結(jié)構(gòu)荷重不滿足整體抗浮要求，采用錨桿抗浮。其計(jì)算方法為：總的水浮力設(shè)計(jì)值/單根錨桿設(shè)計(jì)值所需錨桿

17、根數(shù)。具體做法：底板下（連柱底或砼墻下）滿鋪錨桿，水浮力全部由錨桿承擔(dān)，既不考慮上部建筑自重，也不考慮地下室底板自重可抵抗水浮力的作用，保守且不合理。 2）利用上部結(jié)構(gòu)自重和錨桿共同抗浮，其計(jì)算方法為：（總的水浮力設(shè)計(jì)值底板及上部結(jié)構(gòu)自重設(shè)計(jì)值）/單根錨桿設(shè)計(jì)值所需錨桿根數(shù)。具體做法：將錨桿均勻分布在底板下（包括柱底或砼墻下），錨桿間距用底部面積除所需錨桿根數(shù)確定。 以上兩種抗浮設(shè)計(jì)方法，都出現(xiàn)了傳力途徑不清晰的錯(cuò)誤。從理論上說(shuō)，不管采用“壓”還是“拉”的方法抵抗水浮力，水的浮力是均勻作用在底板上，而結(jié)構(gòu)抗浮力作用（除底板自重外）都具有不均勻性，并不是在整個(gè)地下室底板區(qū)域均勻分布的，可能是集中

18、在一個(gè)點(diǎn)上（即柱、樁和錨桿）或一條線上（即墻、梁），因此，分析其傳力途徑尤為重要。 如圖所示，由于與柱、墻相連的梁板一定范圍內(nèi)具有一定的剛度，水浮力可直接與上部結(jié)構(gòu)自重平衡，而上部自重很難傳遞至遠(yuǎn)離梁、柱、樁、墻的區(qū)域。因此，上述第一種方法全部采用錨桿抗浮，上部結(jié)構(gòu)自重未充分利用。第二種方法，減去上部建筑自重后的水浮力由錨桿平均承擔(dān)，存在安全隱患。因?yàn)?，中間區(qū)域的錨桿實(shí)際受力不會(huì)是減去上部自重的水浮力，上部建筑自重是集中在一個(gè)點(diǎn)（即柱）或一條線（即墻、梁）上的，要達(dá)到將自重均勻分布到底板上的假定，底板必須具備兩個(gè)條件，一是完全按自重抗浮，底板的梁板采用倒置樓蓋計(jì)算，保證水浮力傳至柱上或墻上，二

19、是做到底板剛度無(wú)窮大，才有可能將點(diǎn)線作用力均勻分布與錨桿共同抗浮。實(shí)際結(jié)構(gòu)未滿足上述兩個(gè)條件時(shí)，一旦地下水達(dá)到抗浮設(shè)計(jì)水位，首先中間純底板抵抗區(qū)域的錨桿破壞和失效，然后慢慢延伸至柱、墻、梁影響區(qū)域的錨桿，造成所有錨桿失效，最后底板隆起，梁板開裂破壞。 合理做法是：抗浮力與水浮力平衡計(jì)算可分成兩種區(qū)域：柱、墻、梁影響區(qū)域和純底板抵抗區(qū)域。純底板抵抗區(qū)域的計(jì)算方法應(yīng)是抗浮錨桿設(shè)計(jì)承載力除以每平方米水浮力（減去每平米底板自重），得到抗浮錨桿的受力面積；而柱、墻、梁影響區(qū)域應(yīng)充分利用上部建筑自重進(jìn)行抗浮，驗(yàn)算傳遞的上部建筑自重是否能平衡該區(qū)域的水浮力，此外，還應(yīng)驗(yàn)算在水浮力作用下梁強(qiáng)度和裂縫滿足要求。 計(jì)算方法具體可分解為以下四個(gè)方面： 1）在柱、墻、梁影響區(qū)格中：梁、墻可以傳遞的建筑自重線荷載除以每平方米的水浮力，得到