關(guān)于地下建筑物抗浮設(shè)計(jì)的討論

1、關(guān)于地下建筑物抗浮設(shè)計(jì)的討論*勘察設(shè)計(jì)審查咨詢有限公司 *內(nèi)容提要 地下建筑物抗浮設(shè)計(jì)是一個(gè)普遍存在的重要技術(shù)問(wèn)題，由于缺乏專門、系統(tǒng)的研究，抗浮設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)缺陷或錯(cuò)誤，導(dǎo)致地下建筑物浮起，結(jié)構(gòu)損壞的事例屢見(jiàn)不鮮；另一方面抗浮水位確定不合理或抗浮措施采取不當(dāng)，造成重大浪費(fèi)的問(wèn)題也時(shí)有發(fā)生。本文根據(jù)規(guī)范的原則要求，結(jié)合筆者的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)地下建筑物浮起的機(jī)理、浮起的類型、抗浮水位的確定、抗浮設(shè)計(jì)計(jì)算以及抗浮措施等進(jìn)行了闡述，可供地下建筑物設(shè)計(jì)和施工參考。地下建筑物抗浮設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，由于巖土工程條件及地下水的多變性，特別是缺乏專門系統(tǒng)的研究資料和觀測(cè)資料，對(duì)于幾乎成為學(xué)術(shù)研究空白點(diǎn)的地

2、下建筑物抗浮設(shè)計(jì)，相關(guān)規(guī)范沒(méi)有條件作出更加明確具體的規(guī)定，導(dǎo)致認(rèn)識(shí)上的分岐和設(shè)計(jì)工作的困難和混亂，不斷引發(fā)地下建筑物浮起、結(jié)構(gòu)破壞事故，或出現(xiàn)不應(yīng)有的浪費(fèi)現(xiàn)象。為解決抗浮設(shè)計(jì)的基本認(rèn)識(shí)和具體操作問(wèn)題，有必要對(duì)抗浮機(jī)理等重要概念進(jìn)行澄清，對(duì)抗浮設(shè)計(jì)涉及的重要問(wèn)題進(jìn)行探討。一、地下建筑物浮起的機(jī)理及基本條件眾所周知，水對(duì)地下建筑物的浮力大小遵循阿基米德原理，水對(duì)物體的浮力等于物體排開(kāi)同體積水的重量。容易引起忽視的是水的浮力同時(shí)也遵循連通管原理，即不同截面尺寸(包括土中細(xì)微的孔道)的各連通管水位等高，且壓強(qiáng)相等。因此，當(dāng)?shù)叵陆ㄖ锱c周圍巖土介質(zhì)間因地下水通過(guò)大孔道或微小的孔隙滲入達(dá)到一定水位時(shí)，無(wú)論

3、水的性質(zhì)是潛水、上層滯水或承壓水，無(wú)論滲入水量的多少，即使巖土介質(zhì)與地下結(jié)構(gòu)外墻間形成薄層水膜，即可產(chǎn)生強(qiáng)度為h的浮力(為水的重度，h為建筑物基底以上的水深)，當(dāng)水浮力強(qiáng)度大于地下建筑物單位面積的重量時(shí)，建筑物即可浮起，當(dāng)水不斷補(bǔ)充，建筑物將繼續(xù)上浮。所以，建筑物浮起是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程。水位高低是控制建筑物上浮的基本要素，水量的大小控制著建筑物的上浮量，地下建筑的浮起破壞是上述兩個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。單是水位達(dá)到上浮臨界水位，建筑物開(kāi)始微小浮起，此時(shí)，如果水未繼續(xù)補(bǔ)充，或滲入的水量小于基底和周邊土的滲出水量時(shí)，則建筑物不會(huì)繼續(xù)上浮，地下結(jié)構(gòu)不致破壞，已滲入基底的水在建筑物重量作用下，滲入基底或周邊

4、土介質(zhì)之中，此時(shí)人們并未發(fā)現(xiàn)地下建筑上浮的危險(xiǎn)征兆。這就是許多地下建筑物未采取抗浮措施，并未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重浮起的原因。一個(gè)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)可以證明上述論述，將大小與形狀相同的兩個(gè)碗疊摞在一起，用滴管向兩碗間隙中滴水，由于兩碗間的間隙較小，間隙內(nèi)水位達(dá)到臨界上浮水位時(shí)，雖然滴入的水量不到碗的重量，但上面的碗已被浮起。至于水在巖土中的滲流規(guī)律對(duì)浮力的影響問(wèn)題，屬深層次的課題，但其結(jié)果對(duì)抗浮設(shè)計(jì)的影響不大。二、地下建筑物上浮的類型和破壞特點(diǎn)按上浮的時(shí)間和階段可分為施工階段上浮、使用階段上浮和地下儲(chǔ)罐、水池檢修卸載時(shí)的上浮。按上浮誘因可分為上層滯水(含地面水及雨水)、潛水和承壓水單獨(dú)引發(fā)的上浮或不同性質(zhì)地下水有水

5、力聯(lián)系時(shí)綜合引發(fā)的上浮。其中以上層滯水引發(fā)的上浮最為常見(jiàn)。地下建筑物上浮有整體上浮和局部上浮兩種，面積不大的地下建筑物和水池等，常發(fā)生整體上浮。面積很大的地下建筑物常發(fā)生局部上浮，如一個(gè)連通的大的地下室上分布有若干棟塔樓的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式，塔樓下的地下室不致浮起，而塔樓以外的單純地下室則可能浮起；一個(gè)大的地下室周邊因有外墻的重量以及外墻與墻外填土摩阻力的影響，周邊不浮起，而地下室中部重量較輕，可能會(huì)浮起等。不論地下建筑物是整體上浮或局部上浮，其浮起量是不均勻、不對(duì)稱的，原因是地下建筑物重量分布不一定均勻，填土與外壁的摩阻力不相等、水滲入基底的通道位置不固定、水位上升速度不同等因素所致。由于地下建筑

6、物浮起量的不均勻、不對(duì)稱，浮起過(guò)程常發(fā)生結(jié)構(gòu)的破壞，具體表現(xiàn)為：底板及頂板出現(xiàn)不規(guī)則裂縫，柱的上下端出現(xiàn)反對(duì)稱水平裂縫，梁端出現(xiàn)垂直裂縫或斜裂縫等，上述裂縫的產(chǎn)生，均為不均勻上浮形成的巨大的附加彎矩和剪力作用的結(jié)果。三、地下建筑物的抗浮設(shè)計(jì)地下建筑物的抗浮設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾個(gè)主要問(wèn)題，并進(jìn)行必要的驗(yàn)算。1、施工階段、使用階段及檢修卸荷階段等不同階段及工況的上浮驗(yàn)算。2、整體抗浮穩(wěn)定的驗(yàn)算及局部抗浮穩(wěn)定的驗(yàn)算。地下建筑物不僅要滿足整體抗浮的穩(wěn)定要求，在墻體較少或荷載較小的部位尚要滿足局部抗浮穩(wěn)定的要求，抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算中，可變荷載不能作為有利因素加以考慮。3、地下建筑物外墻、底板等構(gòu)件的強(qiáng)度及抗裂驗(yàn)算

7、。在抗浮整體及局部穩(wěn)定得到保證的前提下，才能進(jìn)行地下建筑物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)驗(yàn)算。作用于外墻的土壓力應(yīng)按靜止土壓力計(jì)算，根據(jù)周邊填土性質(zhì)適當(dāng)考慮水壓力，同時(shí)應(yīng)考慮超載影響。底板的荷載組合較為復(fù)雜，對(duì)構(gòu)造底板，應(yīng)計(jì)及由于基礎(chǔ)沉降引起地基對(duì)底板的反力，這個(gè)反力一般取建筑物豎向荷載總值(不扣除水浮力)的10%15%。4、抗拔構(gòu)件的抗力及強(qiáng)度驗(yàn)算當(dāng)建筑物重量不能平衡水的浮力時(shí)，可設(shè)置抗拔構(gòu)件或加大建筑物自重。抗拔構(gòu)件一般采用抗拔樁或抗拔錨桿，其抗力(抗拔力)應(yīng)通過(guò)抗拔試驗(yàn)確定，不能以估算值為依據(jù)。在抗拔試驗(yàn)的基礎(chǔ)上尚應(yīng)對(duì)抗拔構(gòu)件本身的強(qiáng)度及抗裂進(jìn)行驗(yàn)算?？拱螛犊梢酝瑫r(shí)起到抗壓、抗拔的作用，應(yīng)用較多，抗拔錨桿則

8、難以考慮抗壓作用。四、不考慮水浮力作用的條件對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)未作明確規(guī)定，湖北省曾發(fā)生多起埋置于無(wú)地下水的粘土中地下室浮起事故，浮起的原因均為上層滯水及地面水、雨水的作用結(jié)果。經(jīng)過(guò)分析總結(jié)，并經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，地下建筑物不考慮水浮力作用、不作抗浮設(shè)計(jì)必須同時(shí)滿足以下條件：1、地下建筑物所在場(chǎng)地?zé)o積水，雨水及其他地表水應(yīng)有組織地及時(shí)排走。2、地下建筑物基底以上無(wú)雜填土、砂類土、粉土等透水層，或雖有上述透水層，但層厚較薄且不賦存潛水或承壓水，可以采取有效的隔、排水措施者。3、基坑回填土必須采用壓實(shí)的粘性土或灰土，粘性土壓實(shí)系數(shù)不小于0.90。4、當(dāng)基底以下存在承壓水時(shí)，在無(wú)建筑物荷載作用

9、下，不得發(fā)生管涌或突涌。勘探孔必須進(jìn)行有效的封堵。5、地下室外墻防水層的保護(hù)層不應(yīng)采用透水的泡沫板等材料，應(yīng)確保防水層及保護(hù)層不形成水通道。除上述必備條件外，尚宜采取基礎(chǔ)及底板混凝土原槽澆灌、超挖部分以混凝土回填、地面外墻周邊設(shè)混凝土散水等措施。對(duì)于地表以下存在深厚非飽和透水性好的砂類土場(chǎng)地(如沈陽(yáng)等地區(qū))，在確保地下水位不致上升到地下建筑物底板以上，且保證地面水滲入基底的速度小于基底土滲出速度時(shí)，也可不考慮水浮力作用。五、抗浮設(shè)計(jì)水位的確定抗浮設(shè)計(jì)水位的取值是抗浮設(shè)計(jì)的前提條件?？垢∷坏母叩团c地形、地貌、地下水類型、土質(zhì)、施工、氣候及環(huán)境情況等多種因素相關(guān)，特別是環(huán)境及上層滯水的變化更是難

10、以預(yù)測(cè)。巖土工程勘察規(guī)范gb50021-2001等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)內(nèi)容難以操作?？垢≡O(shè)計(jì)水位的確定與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗浮穩(wěn)定計(jì)算的安全度、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、施工可行性等相關(guān)聯(lián)，抗浮設(shè)計(jì)水位是一種荷載效應(yīng)，其取值應(yīng)與抗力及安全系數(shù)的取用方法相對(duì)應(yīng)。因此，抗浮設(shè)計(jì)水位的確定是一個(gè)十分復(fù)雜的綜合性問(wèn)題?？垢≡O(shè)計(jì)水位分為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及抗裂計(jì)算采用的水位與抗浮穩(wěn)定計(jì)算采用的水位，二者在一定條件下可能相等，也可能不等。綜合考慮上述問(wèn)題，結(jié)合相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，抗浮設(shè)計(jì)水位可按下列方法確定：1、地下建筑物基底位于含水層內(nèi)，含水層有承壓水或潛水存在時(shí)，抗浮水位應(yīng)按歷史最高水位或建筑物設(shè)計(jì)使用期內(nèi)最高水位計(jì)算，這個(gè)要求僅在少數(shù)場(chǎng)地有長(zhǎng)

11、期可靠的地下水位觀測(cè)資料時(shí)，方可操作。當(dāng)承壓水、潛水及上層滯水有水力聯(lián)系且不易隔斷聯(lián)系時(shí)，宜取建筑物使用階段的地面標(biāo)高為抗浮設(shè)計(jì)水位標(biāo)高。當(dāng)承壓水頭高出地面標(biāo)高，出現(xiàn)泉涌時(shí)，應(yīng)按建筑物設(shè)計(jì)使用期內(nèi)的最高承壓水頭標(biāo)高取值。2、由地面水、管道水和雨水補(bǔ)給的上層滯水水位多變且場(chǎng)地各點(diǎn)水位也不盡相同，在南方多雨地區(qū)，出于安全考慮，在場(chǎng)地?zé)o積水的前提下，可取使用階段的地面標(biāo)高為上層滯水抗浮設(shè)計(jì)水位標(biāo)高。3、當(dāng)?shù)叵陆ㄖ锼巿?chǎng)地地勢(shì)低洼、場(chǎng)地有可能長(zhǎng)期積水時(shí)，應(yīng)按可能發(fā)生的積水水位計(jì)算。4、當(dāng)?shù)叵陆ㄖ镯敯迕嬉陨蠠o(wú)覆土，頂板面以上可能積水，且抗浮水位高于頂板面時(shí)，計(jì)算抗浮穩(wěn)定的設(shè)計(jì)水位取至頂板頂面，計(jì)算地

12、下結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度及抗裂的設(shè)計(jì)水位則按水面標(biāo)高計(jì)算。頂板面以上有覆土，抗浮設(shè)計(jì)水位的取定同上，但覆土浸水部分的土重在抗浮穩(wěn)定計(jì)算時(shí)應(yīng)取浮重度。待添加的隱藏文字內(nèi)容3當(dāng)頂板頂面以上不可能積水時(shí)，抗浮穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算水位相等，均按水面計(jì)算。頂板上覆土按天然重度計(jì)算土重。5、當(dāng)?shù)叵陆ㄖ苓呌羞B續(xù)可靠的排水通道，且排水量及排水速度大于地下、地面水的補(bǔ)給速度時(shí)，可取排水通道的標(biāo)高作為抗浮設(shè)計(jì)水位。六、抗浮設(shè)計(jì)的安全度如前述抗浮設(shè)計(jì)安全度問(wèn)題是荷載(浮力)和抗力綜合考慮取值的新課題，是一個(gè)系統(tǒng)工程?，F(xiàn)行相關(guān)規(guī)范對(duì)此均未提出明確的解決辦法。地下工程防水技術(shù)規(guī)范gb50108-2001第9.0.4條規(guī)定“明挖法

13、地下工程的結(jié)構(gòu)的自重應(yīng)大于靜水頭壓力造成的浮力，在自重不足時(shí)，必須采用錨桿或其他措施?？垢×Π踩禂?shù)應(yīng)大于1.051.10，施工期間應(yīng)采取有效的抗浮力措施”。建筑結(jié)構(gòu)荷規(guī)范gb50009-2001第3.2.5條規(guī)定“基本組合時(shí)永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)，應(yīng)取1.2(由可變荷載效應(yīng)控制的組合)，1.35(由永久荷載效應(yīng)控制的組合)；當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利，且對(duì)結(jié)構(gòu)傾覆、滑移或漂浮驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)取0.9。可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)，一般情況下應(yīng)取1.4”。高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范jgj6修編征求意見(jiàn)稿第5.1.2條規(guī)定“當(dāng)采用與建筑物設(shè)計(jì)使用年限相應(yīng)或然率的最高水位時(shí)，抗浮穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.0

14、5。水浮力、結(jié)構(gòu)永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)取1.0。”上述規(guī)定首次明確了荷載(水浮力)與抗力(自重或抗拔構(gòu)件抗力)的關(guān)系和取值原則，但仍未真正解決各種情況下地下建筑抗浮安全度的大小問(wèn)題，而且上述規(guī)定也未建立在概率統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)之上，因此，不同情況下抗浮安全度有大、有小，而且相差很遠(yuǎn)。比如全部以結(jié)構(gòu)和填料自重來(lái)平衡水浮力時(shí)，當(dāng)抗浮設(shè)計(jì)水位取設(shè)計(jì)使用年限相應(yīng)或然率的最高水位時(shí)，其抗浮穩(wěn)定的安全系數(shù)僅為1.05。如果全部以抗拔錨桿或抗拔樁的抗拔力來(lái)平衡水浮力時(shí)，則有兩種情況控制抗浮安全度，一種是土對(duì)抗拔構(gòu)件的摩阻力控制時(shí)，其抗浮穩(wěn)定的安全系數(shù)為2.0(極限抗拔力為抗拔承載力特征值的2倍)；另一種情況是抗拔構(gòu)件材

15、料本身的強(qiáng)度控制時(shí)，其抗浮穩(wěn)定的安全系數(shù)約為1.4(抗浮構(gòu)件為鋼筋混凝土材料)。以上分析可以看出，當(dāng)水浮力大部分或全部由結(jié)構(gòu)自重和填料重量平衡時(shí)，其抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)小；當(dāng)水浮力大部分由抗拔構(gòu)件的抗力平衡時(shí)，其抗浮穩(wěn)定的安全系數(shù)大。因此，在現(xiàn)階段的抗浮設(shè)計(jì)中，應(yīng)針對(duì)具體情況考慮地下建筑的抗浮穩(wěn)定的安全問(wèn)題。七、抗浮措施常用的抗浮措施為增加結(jié)構(gòu)和填料的自重，完全以結(jié)構(gòu)和填料自重來(lái)平衡水浮力；另一種是設(shè)置抗拔構(gòu)件，以結(jié)構(gòu)和填料自重及抗拔構(gòu)件的抗力共同平衡水浮力。當(dāng)?shù)叵陆ㄖ锼幍刭|(zhì)水文條件和環(huán)境條件符合前述不考慮水浮力作用的條件時(shí)，應(yīng)按前述要求進(jìn)行處理，其中嚴(yán)格控制回填土夯實(shí)質(zhì)量或采用低等級(jí)混凝土回

16、填最為重要。不考慮水浮力作用后，結(jié)構(gòu)底板、側(cè)墻的設(shè)計(jì)往往更為經(jīng)濟(jì)(可采用構(gòu)造底板)。地下建筑物的抗浮措施的制定與地下結(jié)構(gòu)類型、場(chǎng)地巖土工程和環(huán)境條件有關(guān)，同時(shí)與產(chǎn)生水浮力的地下水的性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于由上層滯水和地面水引發(fā)的抗浮問(wèn)題，有條件時(shí)宜采取截?cái)唷⑹枧呕蚍舛碌霓k法予以解決。對(duì)于潛水或承壓水引發(fā)的抗浮問(wèn)題，應(yīng)視水量大小采取不同的抗浮措施。當(dāng)涌水量較大時(shí)，應(yīng)采用增加結(jié)構(gòu)及填料自重或設(shè)置抗拔構(gòu)件的辦法；當(dāng)涌水量較小時(shí)，還可采用在地下建筑物外圍設(shè)置盲溝、集水井進(jìn)行自動(dòng)排水的辦法，使水位維持在一定標(biāo)高之下，抗浮設(shè)計(jì)達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的。當(dāng)采用設(shè)置盲溝、集水井自動(dòng)抽排的方案時(shí)，應(yīng)考慮長(zhǎng)期抽水的費(fèi)用，同時(shí)還應(yīng)

17、采取確保盲溝暢通的措施。許多地下建筑物往往同時(shí)存在上層滯水(含地面水)和承壓水(含潛水)的浮力作用，此時(shí)可按地下水性質(zhì)分別進(jìn)行處理。如武漢市地鐵2號(hào)線洪山廣場(chǎng)站的抗浮措施中，對(duì)上層滯水及地面水采取了封堵措施，不考慮其浮力作用；對(duì)下部的承壓水則按勘察時(shí)的水頭標(biāo)高增加約3m高的水頭進(jìn)行抗拔樁的設(shè)計(jì)。如此處理，減少了約8m高的抗浮水位，減少了抗拔樁的數(shù)量及長(zhǎng)度，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。如實(shí)際水位萬(wàn)一超過(guò)設(shè)計(jì)采用抗浮水位，此時(shí)抗拔樁和加強(qiáng)底板尚有較大安全裕度，足以滿足特殊情況下的抗浮要求。對(duì)于上部建有較高或較重建筑物的地下結(jié)構(gòu)，可考慮地下結(jié)構(gòu)剛度的影響，即靠近上部建筑物的一跨地下結(jié)構(gòu)可利用上部建筑物的重量平衡水浮力，通過(guò)驗(yàn)算后，該跨不必考慮抗浮穩(wěn)定措施。在處理