抗浮有爭議問題

1、地下室抗浮設(shè)計中的幾個問題討論近幾年來，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350mm,柱間板出現(xiàn)45°破壞性裂縫諸如此類問題時有發(fā)生，造成了財產(chǎn)的損失。本文對產(chǎn)生這些事故的原因歸納總結(jié)成以下四個方面，與同行們共同討論：一、抗浮設(shè)計中基本概念在多個地下室因水浮力作用而引發(fā)的工程事故中，我們發(fā)現(xiàn)有些設(shè)計人員對地下水的作 用認識不足，抗浮設(shè)計的基本概念不夠清晰，常見的有下列幾種情況：1 ）重視地下

2、室的梁、板、柱、墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計，忽視整體抗浮驗算分析，忽視施工的抗浮措施， 總認為具有上萬噸自重的地下室怎么會浮起來呢2）地下室底板裂縫、漏水，甚至成為地下游泳池， 把某些實質(zhì)上是因為地下水的作用遠大于設(shè)計荷載而造的工程事故， 錯判為溫度應(yīng)力作用、砼施工質(zhì)量問題等。3）對于基底為不透水土層的地基（基巖、堅硬粘土），深基坑支護又采用了止水帷幕或樁、 錨、 噴射混凝土聯(lián)合支護， 忽視水的浮力。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。地下室就像一條“船”，地下室底板和側(cè)墻形成一個密閉的船身， 它的水浮力有多少呢，是它浸泡在水中的體積乘以水容重，若一個50x 100m的地下室，抗

3、浮水位為5nl它的浮力為 25000 噸，可見水浮力之大。地下室的抗浮設(shè)計就是要使這個船既不上浮， 船身又不破壞， 因此，地下室的抗浮設(shè)計應(yīng)進行整體抗浮和局部抗浮驗算。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”。 當采用“壓”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，當不能平衡時，必須增加“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，都必須進行整體抗浮驗算，保證抗浮力（壓重+抗拉力）大于水的總浮力，即Ey = oO局部抗浮驗算，除了梁板墻柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度 驗算、變形驗算和裂縫驗算，

4、還應(yīng)包括局部的抗浮 驗算，對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，當上部為高層或恒荷載較大 時，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)進行分 區(qū)、分塊的局部抗浮驗算，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)計人員對上述最基本的概念還不 夠清晰，例如，有些設(shè)計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強度計算，未做 整體抗浮的認真分析，特別是獨立地下室、水池等, 造成地下室整體上浮，給地下室結(jié)構(gòu)帶來嚴重破 壞，難以進行復(fù)原處理。又如有些設(shè)計人員利用上 部結(jié)構(gòu)自重抗浮，只計算上部結(jié)構(gòu)總自重

5、標準值大 于總的水浮力設(shè)計值，就認為抗浮設(shè)計滿足要求。既不分析其上部建筑荷載的分布，又未計算局部抗 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，在地下室底板計算中只驗算強度不進行變形的 裂縫寬度的計算，造成底板產(chǎn)生裂縫，漏水嚴重， 形成“地下游泳池”。更值得一提的是，有些設(shè)計人員和施工人員對 地表水作用認識不足，當?shù)叵率业鼗鶠椴煌杆膸r 土層、支護又嚴密的基坑，一般認為不存在水的浮 力，因此造成施工期間或使用期間地下室上浮破壞 的盲點，一旦暴雨來臨，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

6、及時采取降水 措施就會將“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形成止水層，也同樣 會產(chǎn)生“腳盆”效應(yīng)。另外，有些設(shè)計人員和施工人員忽視施工對地 下室抗浮的重要性，設(shè)計圖紙對施工時抗浮措施的 要求只字不提，施工人員在施工過程中不關(guān)注降 水，沒有采取降水措施或在抗浮結(jié)構(gòu)未達到設(shè)計預(yù) 定目標時就停止了降水，導(dǎo)致在施工期間產(chǎn)生地下 室整體上浮事件時有發(fā)生，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因除經(jīng)驗外，主要是對我國現(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，地下水位應(yīng)降至工程底部最低高程500mmz下，降水作用應(yīng)持續(xù)至回填完畢”；建

7、設(shè)部建筑工程設(shè)計文件編制深度規(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)計說明中明示；這些規(guī)定是經(jīng)驗的總結(jié)，我們應(yīng)該嚴格按照相關(guān)規(guī)定做好地下室的抗浮設(shè)計和抗浮施工。綜上所述， 我們在進行工程的抗浮設(shè)計時， 要做到以下三個步驟：1) 仔細研讀勘察報告；2) 進行整體抗浮和局部抗浮驗算， 并提出施工期間的抗浮措施和降水措施；3) 對存在 “腳盆” 效應(yīng)的結(jié)構(gòu)進行分析。二、地下室抗浮水位的確定勘察單位在提供的勘察報告中，地下室的抗浮水位不嚴謹， 而設(shè)計人員又缺乏對勘察報告的認真研讀和分析， 表現(xiàn)出如下四種情況

8、的隨意性：1) 勘察報告未明確抗浮水位， 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地， 按一般場地提出抗浮水位， 未考慮設(shè)計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， 原勘察報告無抗浮水位的參數(shù)， 又未進行補充勘察， 隨意修改或確定抗浮水位。4) 對坡地建筑， 提供的抗浮水位遠高于建筑設(shè)計的地坪標高， 設(shè)計人員未進行認真的分析造成浪費。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， 增大工程投資，造成資源浪費。地下室抗浮水位是一個十分復(fù)雜的問題，地質(zhì)場地土層差

9、異性， 場地土內(nèi)地下水復(fù)雜多變性， 給地下室抗浮水位的確定帶來了較大困難， 然而抗浮水位又是地下室抗浮設(shè)計中一個決定性的參數(shù)。如何做到既安全又合理的確定其抗浮水位？勘察、設(shè)計人員應(yīng)遵照巖土工程勘察規(guī)范（GB50021）及高層建筑巖土工程勘察規(guī)程 （ JGJ 72） 的相關(guān)規(guī)定進行勘察和分析。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） 當有長期水位觀測資料時， 場地抗浮設(shè)防水位可用實測最高水位，無長期水位觀察資料時，應(yīng)按勘察期間實測最高水位并結(jié)合場地地形地貌、地下水補給、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，

10、應(yīng)實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)防時， 抗浮設(shè)防水位可按一個水文年的最高水位確定。止匕外，設(shè)計人員對于下列一些特殊情況還應(yīng)進 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)域性補給和排泄條件可能有較大改 變或工程需要時，應(yīng)進行專門論證；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 地下室進行抗浮設(shè)計時，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)的采用勘察報告所提供的遠高于室外地坪 的地下室抗浮水位來進行設(shè)計。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

11、差的江、河岸邊，且存 在濾水層，應(yīng)按設(shè)計基準期的最高洪水位來確定其 抗浮水位；四是對于雨水豐富的南方地區(qū)，尤其應(yīng) 注意因地面標高發(fā)生變化后對原勘察報告抗浮水位的修正，防止產(chǎn)生地表水聚集效應(yīng)對地下室的破 壞。三、抗浮驗算中的幾個參數(shù)討論水浮力的分項系數(shù)和抵抗力的分項系數(shù)，以 及抗浮錨桿鋼筋抗拉工作條件系數(shù)、抗拉設(shè)計強度如何取值，是目前在地下室抗浮設(shè)計中很有爭議的問題。1. 我國不同規(guī)范對水浮力和抵抗力的分項系數(shù)有不同的取值， 造成設(shè)計人員分項系數(shù)取值時的 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， 對結(jié)構(gòu)有利組合時其分項系數(shù)丫 G取是無爭議的，但水浮力 是可變荷載

12、，其分項系數(shù)丫 Q應(yīng)如何取值呢？ 在該條第 3 款中， “對結(jié)構(gòu)傾覆、滑移和漂浮驗算， 荷載的分項系數(shù)應(yīng)按有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定采用” 。 在查閱相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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內(nèi)容，只有給排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB5006曜到了關(guān)于水浮力可變荷載 的分項系數(shù)問題。給排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50069-2002第5.2.2條和條中比較清楚的 表述了，對于抗浮結(jié)構(gòu)的設(shè)計，地表水或地下水作用應(yīng)是第一可變荷載， 1）在進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度計算時，它的分項系數(shù)取為；即，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度計算時， 水浮力的基本組合設(shè)計值為標準值乘上。2）當計算整體抗浮的穩(wěn)定性時，

13、抵抗力只計入永久荷載，水浮力采用標準值乘以抗力系數(shù)Ks （取）。民用建筑地下室和給排水構(gòu)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)計者對抗浮水位存在質(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確定分項系數(shù)。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范第條的條文說明，“按工程結(jié)構(gòu)可靠度統(tǒng)一標準GB501530勺規(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” ，是否可以理解為當抗浮水位平室外地坪時， 水壓力是不可能再增加了，視為不變的水壓力。加之，在驗算抗浮時，水浮力為主要可

14、變荷載效應(yīng)來控制的組合，它的分項系數(shù)宜取；當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，它的分項系數(shù)宜取為。2. 錨桿工作系數(shù)和錨桿鋼筋取值錨桿抗浮設(shè)計時，錨桿鋼筋截面面積計算現(xiàn)行 的規(guī)范中無明確的計算規(guī)定，因此設(shè)計單位有兩種 不同版本的設(shè)計公式。第一種，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī) 范正截面受拉承載力計算公式：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算公式：從兩個公式中，我們可以看出鋼筋強度fy是致的，可按照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范第4.2.3條表的抗拉鋼筋設(shè)計強度取值。公式中不同的是，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范 公式中多了兩個系數(shù)，一是邊坡工程重要性系數(shù)T 。,若取，在本

15、文中不做討論，二是錨桿鋼筋的抗拉 工作條件系數(shù)t 2,作為永久性錨桿時取。上述兩公 式計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、強度高，有些設(shè) 計人員采用硅規(guī)范中鋼筋的軸心受拉強度公式，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)件的鋼筋抗拉強度設(shè)計值對于300N/mm2 時，仍應(yīng)按 300 N/mm2 取用”，而設(shè)計人員采用HRB400級鋼筋時，仍取fy=360 N/mm2 。而有些設(shè)計人員采用建筑邊坡技術(shù)規(guī)范錨桿鋼筋截面計算公式，工作條件系數(shù)乙2取，HRB400I岡筋的抗拉強度又取300 N/mrri

16、,錨桿鋼筋的計算面積之大，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)范的計算公式，并無道理， 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，砼強度要求 C30等，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范較為接近構(gòu)件的受力特征。在錨桿鋼筋截面的計算中，我們建議按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的正截面受拉承載力計算的公式， 但鋼筋的取值應(yīng)該按軸心受拉和小偏心受拉構(gòu)件的鋼筋抗拉強度設(shè)計值計算， 這樣顯得較為合理。四、錨桿抗浮驗算傳力途徑在目前的地下室采用錨桿抗浮設(shè)計中， 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

17、體抗浮要求，采用錨桿抗浮。其計算方法為：總的水浮力設(shè)計值/ 單根錨桿設(shè)計值=所需錨桿根數(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，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，其計算方法為：（總的水浮力設(shè)計值底板及上部結(jié)構(gòu)自重設(shè)計值）/單根錨桿設(shè)計值=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)計方法， 都出現(xiàn)了傳力途徑不清晰的錯誤。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

18、作用（除底板自重外）都具有不均勻性，并不是在整個地下室底板區(qū)域均勻分布的，可能是集中在一個點上 （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，存在安全隱患。因為，中間區(qū)域的 錨桿實際受力不會是減去上部自重的水浮力，上部建 筑自重是集中在一個點（即柱）或一條線（即墻、梁） 上的，要達到將自重均勻分布到底板上

19、的假定，底板 必須具備兩個條件，一是完全按自重抗浮，底板的梁板采用倒置樓蓋計算，保證水浮力傳至柱上或墻上，二是做到底板剛度無窮大，才有可能將點線作用力均勻分布與錨桿共同抗浮。實際結(jié)構(gòu)未滿足上述兩個條件時，一旦地下水達到抗浮設(shè)計水位，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)域的計算方法應(yīng)是抗浮錨桿設(shè)計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行抗浮，驗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)驗算在水浮力作用下梁強度和裂縫滿足要求。計算方法具體可分解