地下室抗浮設(shè)計(jì)相關(guān)問題

1、地下室抗浮設(shè)計(jì)相關(guān)問題作者:日期:地下室抗浮設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題討論摘要：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。主題詞：地下室，整體抗浮，局部抗浮，傳力途徑，錨桿近幾年來，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，在施工過程中出現(xiàn)整體上浮，最大上浮高度達(dá)到1. 4 2m;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 .*. ri.1_1二失承載能力；再如，某高層建筑地下室底板局部隆起高達(dá)3 5 0mm柱間板出現(xiàn)450破壞性

2、裂縫諸如此類問題時(shí)有發(fā)生，造成了不良的社會(huì)影響和財(cái)產(chǎn)的損 失。本文對這些事故的產(chǎn)生原因歸納總結(jié)成以下四個(gè)方面，與同行們共同討論：一、抗浮設(shè)計(jì)基本概念在多個(gè)地下室因水浮力作用而引發(fā)的工程半故中，發(fā)現(xiàn)有些設(shè)計(jì)人員對地下 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)為具有上萬噸自重的地下室怎么會(huì)浮起來呢 ？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)力作用或碎施工質(zhì)量。3）對于基底為不透水土

3、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)，忽視地表水可能引起的水浮力作用。試想萬噸級以上大船能在江、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 X 1 0 0m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，我們通常采用三類

4、做法，“壓”、“拉”和“壓拉并舉”?！皦骸本褪抢媒ㄖ淖灾兀òńY(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抵抗地下水的浮力。 無論是“壓”還是“拉” 的做法，除了對梁、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水的上浮力，即滿足靜力平衡條件。抗浮驗(yàn)算中，應(yīng)分別進(jìn)行整體和局部抗浮驗(yàn)算。特別是對于大面積地下室廣，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)

5、，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

6、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臨，地面的地表水可能流入基坑 ，低洼場區(qū)或城區(qū)地下 下水管道復(fù)雜的地段，極易形成“腳盆”效應(yīng)，基坑成為“大腳盆”，地下室就 是“小腳盆”。在施工過程中，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，若對四周回填土的施工沒有進(jìn)行認(rèn)真處

7、 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“腳盆”效應(yīng)認(rèn)識(shí)不足，設(shè)計(jì)圖紙對施工時(shí)抗浮措施的要求只字不提，范就許科下我就在筑龍網(wǎng)施工人員在施工過程中不關(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，主要是對我國現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范，規(guī)定還不熟悉。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5 00 mm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

8、(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5p 1.有些勘察單位提供的勘察報(bào)告對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、臨近江河且建筑場地土層具有透水性， 按一般場地提出抗浮水位，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原設(shè)計(jì)意圖新增地下室，既不進(jìn)行補(bǔ)充 勘察，又不分

9、析場地地下水文地質(zhì)條件，隨意確定抗浮水位，嚴(yán)重缺乏設(shè)計(jì)依據(jù)。4、建筑場地為坡地時(shí)，勘測報(bào)告只提供了整個(gè)場區(qū)的抗浮水位，對場區(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)雜的問題 ，場地土層差異性， 場地地下水復(fù)雜多變性，給地下室抗浮水位的確定帶來了較大困難， 但抗浮水位 又是地下室抗浮設(shè)計(jì)中一個(gè)重要

10、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 50 02 1 )及高層建筑巖土 工程勘察規(guī)程(J GJ 72 2 0 0 4)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條對場地地下水抗浮設(shè)防水位的綜合確獴啊Ri zhuiong.Gom建箕史林下量就在筑龍同1、當(dāng)有長期水位觀測資料時(shí)，場地抗浮設(shè)防水位可用實(shí)測最高水位1,無長期 水位觀察資料時(shí)，應(yīng)按勘察期間實(shí)測最高水位并結(jié)合場地地形地貌、 地下水補(bǔ)給、 排泄條件等因素綜合確定。2、場地有承壓水且與潛水有水力聯(lián)系時(shí)，應(yīng)實(shí)測承壓水位并考慮其對抗浮設(shè) 防水位的影響。3、只考慮施工期間的抗浮設(shè)

11、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；二是對于斜坡地段的地下室或可能產(chǎn)生明顯水頭 差的場地上的地下室進(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)是敞開的，可以通過建筑排水構(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

12、，應(yīng)按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的 最高洪水位來確定其抗浮水位，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、抗浮驗(yàn)算的幾個(gè)參數(shù)討論？ 水浮力的分項(xiàng)系數(shù)、抵抗力的分項(xiàng)系、 抗浮錨桿鋼筋抗拉工作條件系數(shù)、抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)如何取值，是目前在 建筑地下室抗浮設(shè)計(jì)中值得探討的問題。1 .我國不同規(guī)范對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)的依據(jù)不足。荷載規(guī)范中第3.2.5條規(guī)定，永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)丫 G作為抵抗水

13、浮力 的結(jié)構(gòu)自重，該值在建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范2 0 01版中明確取0. 9，但在2006 版中取消0 . 9的提法。作為可變荷載的水浮力，其分項(xiàng)系數(shù)丫 Q應(yīng)如何取值呢？ 在荷載規(guī)范中第3. 2 .5條中，“對結(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)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GB5006衰到了對有關(guān)的荷載分項(xiàng)系數(shù)問題。？給排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50 069- 2 0 0 2第5.2.2條和5.2.3條中比較清楚 的表述了，對于抗浮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，地表水或地下水作用應(yīng)是第一可變

14、荷載，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),結(jié)構(gòu)有利組合時(shí)抗力的分項(xiàng)系數(shù)取1.0,水浮力的基本組合設(shè)計(jì)值為標(biāo)準(zhǔn)值乘上1. 2 7。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 (Ml . 0 5) o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。 但對地下水豐富且水文地質(zhì)條件復(fù)雜的地下室，筆者基于民用建筑地下室和給排 水構(gòu)筑物在使用功能上畢竟存在著差異，前者是涉及到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，后 者涉及到生產(chǎn)工藝和使用，故建議按荷載規(guī)范中的永久荷載和可變荷載的

15、方法來 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條的條文說明，“按工程結(jié)構(gòu)可靠度統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB50 153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)來控制的組合，它的分項(xiàng)系數(shù)直取1. 20;當(dāng)抗浮水位低于室 外地坪，水壓力有可能再增加，視為可變荷載，它的分項(xiàng)系數(shù)宜取為1.4,抗力的 荷載系數(shù)為1.0。2 .錨桿鋼筋截面計(jì)算抗浮錨桿設(shè)計(jì)時(shí)，錨桿鋼筋截面面積計(jì)算現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范計(jì)算方法不盡統(tǒng)一 因此，設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)兩種不同的設(shè)計(jì)計(jì)

16、算公式。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:桀i泡M ehul。口白,goe從兩個(gè)公式中，我們可以看出：鋼筋強(qiáng)度是一致的；但建筑邊坡工程技術(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)丫0, 一股均取1. o,在本文中不作討論，二是錨桿鋼筋的抗拉工作條件系數(shù)（2，規(guī)范規(guī)定：永久性錨桿取0. 69。上述兩個(gè)不同公式計(jì)算得出的錨桿鋼筋截面面積相差1. 4 5倍。更值得一提的是，抗浮錨桿屬軸心受拉構(gòu)件且錨桿斷面不宜太大， 故希望錨桿鋼 筋的直徑大、抗拉強(qiáng)度高，按規(guī)范4 . 2 . 3 1表注中明確的取值要求，

17、“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)值大于300N/mm2寸，仍應(yīng)按3 0 0N/mm 2取用”。笑髓綢zhulong.Gom設(shè)計(jì)人員采用不同的計(jì)算公式，再加之對規(guī)范理解的不同，計(jì)算出的錨桿鋼 筋截面面積可相差1 . 74倍，例如：有些設(shè)計(jì)人員采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 正截面受拉承載力計(jì)算公式，計(jì)算HRBi 00級鋼筋時(shí)，又不按規(guī)范中要求鋼筋強(qiáng) 度仍取f y =36 0 N/mm 2。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 , HRB 400鋼筋的抗拉強(qiáng)度又取 30 0 N/mn2，錨桿鋼筋的計(jì)算面積相差1. 7

18、4倍，這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，并無道理，但抗 浮錨桿的成孔、構(gòu)造及受力特點(diǎn)較之邊坡錨桿要穩(wěn)定得多，如清孔形式固定，錨 桿碎強(qiáng)度必須為C30構(gòu)件受力主要為受拉等，筆者認(rèn)為采用鋼筋混凝土結(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，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

19、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（連柱底或 碎墻下）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（連柱底或碎墻下），錨桿間距用底部面積除所需錨桿根數(shù) 確定。從理論上說，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)

20、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。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，通過梁、柱傳遞的 建筑自重來平衡水浮力；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)人員很少對其進(jìn)行傳力途徑的分析。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 遠(yuǎn)離梁、柱、樁、墻的板自 重很難用自重平衡，因此自 重與水浮力平衡可分成兩