地下室抗浮設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題討論

1、    地下室抗浮設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題討論    張永輝【摘要】許多地下室因水浮力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體上浮或地下室底板局部隆起，造成工程事故和經(jīng)濟(jì)損失。本文對(duì)這些工程事故產(chǎn)生的技術(shù)因素進(jìn)行歸納總結(jié)，與同行共同探討?！娟P(guān)鍵詞】地下室；整體抗浮；局部抗浮；錨桿傳力途徑近幾年來(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)到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，有些構(gòu)件喪失承載能力；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

2、裂縫.諸如此類問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，造成了不良的社會(huì)影響和財(cái)產(chǎn)的損失。本文對(duì)這些事故的產(chǎn)生原因歸納總結(jié)成以下三個(gè)方面，與同行們共同討論：一、抗浮設(shè)計(jì)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，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)，忽視整體結(jié)構(gòu)的抗浮驗(yàn)算分析，忽視施工中的抗浮措施，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)上是由于地下水的作用力遠(yuǎn)大于手里構(gòu)件的設(shè)計(jì)荷載而造的工程事故，歸咎于溫度應(yīng)力作用或砼施工質(zhì)量。3）對(duì)于基底為不透水土層的地基

3、（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)，忽視地表水可能引起的水浮力作用。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。地下室底板和側(cè)墻形成了一個(gè)密閉的空間，就像一條"船"，它的水浮力是它浸泡在水中的體積乘以水容重。例如，一個(gè)50×100m的地下室，水位浸泡高度為5m，它的浮力為25000噸，而一般獨(dú)立的兩層混凝土地下室的結(jié)構(gòu)自重約為15000噸，若不采用相應(yīng)措施，必然上浮。地下室的抗浮設(shè)計(jì)就是要使這個(gè)船既不上浮，船身又不被破壞。因此，地下室的抗浮設(shè)計(jì)必須進(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

4、三類做法，"壓"、"拉"和"壓拉并舉"。"壓"就是利用建筑的自重（包括結(jié)構(gòu)自重、建筑裝修、上部或四周覆土等，不含樓面活荷載）平衡地下室水的總浮力；"拉"就是設(shè)置抗拉樁、錨桿等，強(qiáng)制拉住建筑防止上浮；"壓拉并舉"就是利用建筑自重不能滿足抗浮要求時(shí)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，除了對(duì)梁、板、墻、柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、變形和裂縫驗(yàn)算外，還必須進(jìn)行抗浮驗(yàn)算，保證壓力或拉力大于

5、水的上浮力，即滿足靜力平衡條件?？垢◎?yàn)算中，應(yīng)分別進(jìn)行整體和局部抗浮驗(yàn)算。特別是對(duì)于大面積地下室，其上部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)，該范圍的壓重較大，而上部沒有建筑或建筑層數(shù)不多的范圍，壓重可能不能平衡水浮力的作用，因此應(yīng)進(jìn)行分區(qū)、分塊的局部抗浮驗(yàn)算。然而，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進(jìn)行強(qiáng)度、變形和裂縫計(jì)算，而缺失地下室的抗浮設(shè)計(jì)意識(shí)。雖然在一些無(wú)地下水的工程中未發(fā)生工程事故，但當(dāng)有地下水作用的工程，地下水會(huì)給地下室結(jié)構(gòu)帶來(lái)嚴(yán)重破壞，且難以進(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)算上部結(jié)構(gòu)總自重標(biāo)準(zhǔn)值

6、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，未分析其上部自重荷載的分布和抗浮力的傳遞途徑，造成局部范圍因抗浮壓力或拉力小于水浮力，導(dǎo)致底板隆起，甚至造成地下室及上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件大面積破壞。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層且支護(hù)嚴(yán)密的基坑，認(rèn)為不存在水浮力，造成施工期間或使用期間地下室上浮破壞的盲點(diǎn)。此類基坑一旦暴雨來(lái)臨，地面的地表水可能流入基坑，低洼場(chǎng)區(qū)或城區(qū)地下下水管道復(fù)雜的地段，極易形成"腳盆&quo

7、t;效應(yīng)，基坑成為"大腳盆"，地下室就是"小腳盆"。在施工過(guò)程中，若未及時(shí)，水的破壞力較之四周松散的土層的基坑更嚴(yán)重，因?yàn)樗走M(jìn)難出；另一方面，若對(duì)四周回填土的施工沒有進(jìn)行認(rèn)真處理，不能形成止水帶，在使用期間同樣會(huì)產(chǎn)生"腳盆"效應(yīng)。有些設(shè)計(jì)人員和施工人員對(duì)"腳盆"效應(yīng)認(rèn)識(shí)不足，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)就停止降水，該類地下室上浮事件在南方地區(qū)時(shí)有發(fā)生。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因，除缺乏經(jīng)驗(yàn)外，主要是對(duì)我國(guó)現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范，規(guī)定還不熟悉。例如地下室

8、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)該按照相關(guān)規(guī)定做好地下室的抗浮設(shè)計(jì)和施工的抗浮措施二、地下室抗浮水位的確定有些勘察單位提供的勘察報(bào)告對(duì)地下室的抗浮水位闡述不嚴(yán)謹(jǐn)，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

9、位，只描述鉆孔的可見水位，設(shè)計(jì)人員憑需要定抗浮水位。2、臨近江河且建筑場(chǎng)地土層具有透水性，按一般場(chǎng)地提出抗浮水位，未考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)江河最高洪水位的影響。3、根據(jù)業(yè)主節(jié)約投資的需要或改變?cè)O(shè)計(jì)意圖新增地下室，既不進(jìn)行補(bǔ)充勘察，又不分析場(chǎng)地地下水文地質(zhì)條件，隨意確定抗浮水位，嚴(yán)重缺乏設(shè)計(jì)依據(jù)。4、建筑場(chǎng)地為坡地時(shí)，勘測(cè)報(bào)告只提供了整個(gè)場(chǎng)區(qū)的抗浮水位，對(duì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)的某些單體建筑地下室抗浮水位的取值出現(xiàn)遠(yuǎn)高于建筑設(shè)計(jì)的地坪標(biāo)高現(xiàn)象，設(shè)計(jì)人員也不進(jìn)行分析，照搬整個(gè)場(chǎng)區(qū)的抗浮水位進(jìn)行地下室抗浮設(shè)計(jì)，造成極大浪費(fèi)。以上四種情況中，前三種，在一些實(shí)際工程中因抗浮能力不夠而導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)的破壞，影響結(jié)構(gòu)安

10、全，最后一種因選擇抗浮水位不合理，導(dǎo)致了工程投資增大和資源浪費(fèi)。地下室抗浮水位是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，場(chǎng)地土層差異性，場(chǎng)地地下水復(fù)雜多變性，給地下室抗浮水位的確定帶來(lái)了較大困難，但抗浮水位又是地下室抗浮設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的參數(shù)。究竟如何做到既安全又合理的確定？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 72-2004）的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行勘察和分析。高層建筑巖土工程勘察規(guī)程第8.6.2條對(duì)場(chǎng)地地下水抗浮設(shè)防水位的綜合確定明確規(guī)定如下：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

11、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。除參照相關(guān)規(guī)定外，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)。水往低處流，若建筑物一側(cè)或多側(cè)是敞

12、開的，可以通過(guò)建筑排水構(gòu)造措施將地下水引出采用直接排放，水浮力是不可能高出室外地坪的；三是在有水頭壓差的江、河岸邊，且存在透水層，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，以確保設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)可能出現(xiàn)的最不利情況時(shí)的建筑結(jié)構(gòu)安全；四是對(duì)于雨水豐富的南方地區(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，考慮地表水聚集效應(yīng)引起的地下室抗浮水位的提高，合理進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。三、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=所需錨桿根數(shù)。具體做法：底板下（連

13、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。2）利用上部結(jié)構(gòu)自重加錨桿共同抗浮，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)自重標(biāo)準(zhǔn)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（連柱底或砼墻下），錨桿間距用底部面積除所需錨桿根數(shù)確定。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，可能是集中在一個(gè)點(diǎn)上（即柱、樁和錨桿）或一條線上（即墻、梁），因

14、此，分析其傳力途徑尤為重要。柱間板底的水浮力先傳至板，板再傳至梁，梁再傳至柱，形成抗浮力的結(jié)構(gòu)體系。如上述第一種做法，上部結(jié)構(gòu)自重未充分利用，特別是底板上的自重是可以直接抵抗水浮力的，上部的恒荷載若設(shè)計(jì)得當(dāng)，梁和柱間一定范圍內(nèi)，可以不設(shè)置錨桿，通過(guò)梁、柱傳遞的建筑自重來(lái)平衡水浮力；第二種做法，忽略了結(jié)構(gòu)自重抗浮力作用（除底板自重外）是集中在一個(gè)點(diǎn)（即柱、樁和錨桿）或一條線（即墻、梁）上的，要達(dá)到該方法的假定，底板、底板梁必須滿足一定剛度和強(qiáng)度，才有可能將點(diǎn)線作用力傳遞到底板上，與均勻分布的水浮力平衡，但一般設(shè)計(jì)中我們的設(shè)計(jì)人員很少對(duì)其進(jìn)行傳力途徑的分析。合理做法是：抗浮錨桿數(shù)的計(jì)算應(yīng)分兩種區(qū)格進(jìn)行，即柱、墻、梁影響區(qū)格和純底板區(qū)格，在柱、墻、梁影響區(qū)格中應(yīng)充分利用上部建筑自重進(jìn)行抗浮，其計(jì)算方法是每平方米的水浮力除以梁、墻可以傳遞的建筑自重線荷載，得到影響區(qū)域的寬度。純底板區(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，得到抗浮錨桿的受力面積。例如，水浮力設(shè)計(jì)值為每平方米50kn，單根抗浮錨桿的設(shè)計(jì)承載力為250kn，它能承受的抗浮力的受力面積為5平方米，若采用點(diǎn)式布置，錨桿的間距為2.3*2.3米。靠近梁、墻的第一排錨桿的間距應(yīng)是梁、墻傳遞建筑自重影響區(qū)域的寬度與純板區(qū)格錨桿的間距的和除以二。無(wú)論是柱、墻、梁和