关于地下建筑物抗浮设计的讨论

1关于地下建筑物抗浮设计的讨论湖北建鄂勘察设计审查咨询有限公司袁内镇内容提要地下建筑物抗浮设计是一个普遍存在的重要技术问题，由于缺乏专门、系统的研究，抗浮设计中常出现缺陷或错误，导致地下建筑物浮起，结构损坏的事例屡见不鲜；另一方面抗浮水位确定不合理或抗浮措施采取不当，造成重大浪费的问题也时有发生。本文根据规范的原则要求，结合笔者的认识和经验，对地下建筑物浮起的机理、浮起的类型、抗浮水位的确定、抗浮设计计算以及抗浮措施等进行了阐述，可供地下建筑物设计和施工参考。地下建筑物抗浮设计是一个复杂的技术问题，由于岩土工程条件及地下水的多变性，特别是缺乏专门系统的研究资料和观测资料，对于几乎成为学术研究空白点的地下建筑物抗浮设计，相关规范没有条件作出更加明确具体的规定，导致认识上的分岐和设计工作的困难和混乱，不断引发地下建筑物浮起、结构破坏事故，或出现不应有的浪费现象。为解决抗浮设计的基本认识和具体操作问题，有必要对抗浮机理等重要概念进行澄清，对抗浮设计涉及的重要问题进行探讨。一、地下建筑物浮起的机理及基本条件众所周知，水对地下建筑物的浮力大小遵循阿基米德原理，水对物体的浮力等于物体排开同体积水的重量。容易引起忽视的是水的浮力同时也遵循连通管原理，即不同截面尺寸(包括土中细微的孔道)的各连通管水位等高，且压强相等。因此，当地下建筑物与周围岩土介质间因地下水通过大孔道或微小的孔隙渗入达到一定水位时，无论水的性质是潜水、上层滞水或承压水，无论渗入水量的多少，即使岩土介质与地下结构外墙间形成薄层水膜，即可产生强度为γh的浮力(γ为水的重度，h为建筑物基底以上的水深)，当水浮力强度大于地下建筑物单位面积的重量时，建筑物即可浮起，当水不断补充，建筑物将继续上浮。所以，建筑物浮起是一个渐进过程。水位高低是控制建筑物上浮的基本要素，水量的大小控制着建筑物的上浮量，2地下建筑的浮起破坏是上述两个因素综合作用的结果。单是水位达到上浮临界水位，建筑物开始微小浮起，此时，如果水未继续补充，或渗入的水量小于基底和周边土的渗出水量时，则建筑物不会继续上浮，地下结构不致破坏，已渗入基底的水在建筑物重量作用下，渗入基底或周边土介质之中，此时人们并未发现地下建筑上浮的危险征兆。这就是许多地下建筑物未采取抗浮措施，并未发现严重浮起的原因。一个简单的试验可以证明上述论述，将大小与形状相同的两个碗叠摞在一起，用滴管向两碗间隙中滴水，由于两碗间的间隙较小，间隙内水位达到临界上浮水位时，虽然滴入的水量不到碗的重量，但上面的碗已被浮起。至于水在岩土中的渗流规律对浮力的影响问题，属深层次的课题，但其结果对抗浮设计的影响不大。二、地下建筑物上浮的类型和破坏特点按上浮的时间和阶段可分为施工阶段上浮、使用阶段上浮和地下储罐、水池检修卸载时的上浮。按上浮诱因可分为上层滞水(含地面水及雨水)、潜水和承压水单独引发的上浮或不同性质地下水有水力联系时综合引发的上浮。其中以上层滞水引发的上浮最为常见。地下建筑物上浮有整体上浮和局部上浮两种，面积不大的地下建筑物和水池等，常发生整体上浮。面积很大的地下建筑物常发生局部上浮，如一个连通的大的地下室上分布有若干栋塔楼的常见结构形式，塔楼下的地下室不致浮起，而塔楼以外的单纯地下室则可能浮起；一个大的地下室周边因有外墙的重量以及外墙与墙外填土摩阻力的影响，周边不浮起，而地下室中部重量较轻，可能会浮起等。不论地下建筑物是整体上浮或局部上浮，其浮起量是不均匀、不对称的，原因是地下建筑物重量分布不一定均匀，填土与外壁的摩阻力不相等、水渗入基底的通道位置不固定、水位上升速度不同等因素所致。由于地下建筑物浮起量的不均匀、不对称，浮起过程常发生结构的破坏，具体表现为：底板及顶板出现不规则裂缝，柱的上下端出现反对称水平裂缝，梁端出现垂直裂缝或斜裂缝等，上述裂缝的产生，均为不均匀上浮形成的巨大的附加弯矩和3剪力作用的结果。三、地下建筑物的抗浮设计地下建筑物的抗浮设计应考虑以下几个主要问题，并进行必要的验算。1、施工阶段、使用阶段及检修卸荷阶段等不同阶段及工况的上浮验算。2、整体抗浮稳定的验算及局部抗浮稳定的验算。地下建筑物不仅要满足整体抗浮的稳定要求，在墙体较少或荷载较小的部位尚要满足局部抗浮稳定的要求，抗浮稳定验算中，可变荷载不能作为有利因素加以考虑。3、地下建筑物外墙、底板等构件的强度及抗裂验算。在抗浮整体及局部稳定得到保证的前提下，才能进行地下建筑物结构的设计验算。作用于外墙的土压力应按静止土压力计算，根据周边填土性质适当考虑水压力，同时应考虑超载影响。底板的荷载组合较为复杂，对构造底板，应计及由于基础沉降引起地基对底板的反力，这个反力一般取建筑物竖向荷载总值(不扣除水浮力)的10%～15%。4、抗拔构件的抗力及强度验算当建筑物重量不能平衡水的浮力时，可设置抗拔构件或加大建筑物自重。抗拔构件一般采用抗拔桩或抗拔锚杆，其抗力(抗拔力)应通过抗拔试验确定，不能以估算值为依据。在抗拔试验的基础上尚应对抗拔构件本身的强度及抗裂进行验算。抗拔桩可以同时起到抗压、抗拔的作用，应用较多，抗拔锚杆则难以考虑抗压作用。四、不考虑水浮力作用的条件对于这个问题，国家标准及行业标准未作明确规定，湖北省曾发生多起埋置于无地下水的粘土中地下室浮起事故，浮起的原因均为上层滞水及地面水、雨水的作用结果。经过分析总结，并经实践验证，地下建筑物不考虑水浮力作用、不作抗浮设计必须同时满足以下条件：1、地下建筑物所在场地无积水，雨水及其他地表水应有组织地及时排走。2、地下建筑物基底以上无杂填土、砂类土、粉土等透水层，或虽有上述透水4层，但层厚较薄且不赋存潜水或承压水，可以采取有效的隔、排水措施者。3、基坑回填土必须采用压实的粘性土或灰土，粘性土压实系数不小于0.90。4、当基底以下存在承压水时，在无建筑物荷载作用下，不得发生管涌或突涌。勘探孔必须进行有效的封堵。5、地下室外墙防水层的保护层不应采用透水的泡沫板等材料，应确保防水层及保护层不形成水通道。除上述必备条件外，尚宜采取基础及底板混凝土原槽浇灌、超挖部分以混凝土回填、地面外墙周边设混凝土散水等措施。对于地表以下存在深厚非饱和透水性好的砂类土场地(如沈阳等地区)，在确保地下水位不致上升到地下建筑物底板以上，且保证地面水渗入基底的速度小于基底土渗出速度时，也可不考虑水浮力作用。五、抗浮设计水位的确定抗浮设计水位的取值是抗浮设计的前提条件。抗浮水位的高低与地形、地貌、地下水类型、土质、施工、气候及环境情况等多种因素相关，特别是环境及上层滞水的变化更是难以预测。《岩土工程勘察规范》GB50021-2001等标准规定的相关内容难以操作。抗浮设计水位的确定与结构设计、抗浮稳定计算的安全度、经济指标、施工可行性等相关联，抗浮设计水位是一种荷载效应，其取值应与抗力及安全系数的取用方法相对应。因此，抗浮设计水位的确定是一个十分复杂的综合性问题。抗浮设计水位分为结构强度及抗裂计算采用的水位与抗浮稳定计算采用的水位，二者在一定条件下可能相等，也可能不等。综合考虑上述问题，结合相关规范的规定，抗浮设计水位可按下列方法确定：1、地下建筑物基底位于含水层内，含水层有承压水或潜水存在时，抗浮水位应按历史最高水位或建筑物设计使用期内最高水位计算，这个要求仅在少数场地有长期可靠的地下水位观测资料时，方可操作。当承压水、潜水及上层滞水有水力联系且不易隔断联系时，宜取建筑物使用阶段的地面标高为抗浮设计水位标高。当承压水头高出地面标高，出现泉涌时，应按建筑物设计使用期内的最高承压水头标高5取值。2、由地面水、管道水和雨水补给的上层滞水水位多变且场地各点水位也不尽相同，在南方多雨地区，出于安全考虑，在场地无积水的前提下，可取使用阶段的地面标高为上层滞水抗浮设计水位标高。3、当地下建筑物所处场地地势低洼、场地有可能长期积水时，应按可能发生的积水水位计算。4、当地下建筑物顶板面以上无覆土，顶板面以上可能积水，且抗浮水位高于顶板面时，计算抗浮稳定的设计水位取至顶板顶面，计算地下结构构件强度及抗裂的设计水位则按水面标高计算。顶板面以上有覆土，抗浮设计水位的取定同上，但覆土浸水部分的土重在抗浮稳定计算时应取浮重度。当顶板顶面以上不可能积水时，抗浮稳定与结构构件计算水位相等，均按水面计算。顶板上覆土按天然重度计算土重。5、当地下建筑周边有连续可靠的排水通道，且排水量及排水速度大于地下、地面水的补给速度时，可取排水通道的标高作为抗浮设计水位。六、抗浮设计的安全度如前述抗浮设计安全度问题是荷载(浮力)和抗力综合考虑取值的新课题，是一个系统工程。现行相关规范对此均未提出明确的解决办法。《地下工程防水技术规范》GB50108-2001第9.0.4条规定“明挖法地下工程的结构的自重应大于静水头压力造成的浮力，在自重不足时，必须采用锚杆或其他措施。抗浮力安全系数应大于1.05～1.10，施工期间应采取有效的抗浮力措施”。《建筑结构荷规范》GB50009-2001第3.2.5条规定“基本组合时永久荷载分项系数，当其效应对结构不利时，应取1.2(由可变荷载效应控制的组合)，1.35(由永久荷载效应控制的组合)；当其效应对结构有利，且对结构倾覆、滑移或漂浮验算时，应取0.9。可变荷载的分项系数，一般情况下应取1.4”。《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》JGJ6修编征求意见稿第5.1.2条规定“……当采用与建筑物设计使用年限相应或然率的最高水位时，抗浮稳定系数不应6小于1.05。水浮力、结构永久荷载的分项系数取1.0。”上述规定首次明确了荷载(水浮力)与抗力(自重或抗拔构件抗力)的关系和取值原则，但仍未真正解决各种情况下地下建筑抗浮安全度的大小问题，而且上述规定也未建立在概率统计的基础之上，因此，不同情况下抗浮安全度有大、有小，而且相差很远。比如全部以结构和填料自重来平衡水浮力时，当抗浮设计水位取设计使用年限相应或然率的最高水位时，其抗浮稳定的安全系数仅为1.05。如果全部以抗拔锚杆或抗拔桩的抗拔力来平衡水浮力时，则有两种情况控制抗浮安全度，一种是土对抗拔构件的摩阻力控制时，其抗浮稳定的安全系数为2.0(极限抗拔力为抗拔承载力特征值的2倍)；另一种情况是抗拔构件材料本身的强度控制时，其抗浮稳定的安全系数约为1.4(抗浮构件为钢筋混凝土材料)。以上分析可以看出，当水浮力大部分或全部由结构自重和填料重量平衡时，其抗浮稳定安全系数小；当水浮力大部分由抗拔构件的抗力平衡时，其抗浮稳定的安全系数大。因此，在现阶段的抗浮设计中，应针对具体情况考虑地下建筑的抗浮稳定的安全问题。七、抗浮措施常用的抗浮措施为增加结构和填料的自重，完全以结构和填料自重来平衡水浮力；另一种是设置抗拔构件，以结构和填料自重及抗拔构件的抗力共同平衡水浮力。当地下建筑物所处地质水文条件和环境条件符合前述不考虑水浮力作用的条件时，应按前述要求进行处理，其中严格控制回填土夯实质量或采用低等级混凝土回填最为重要。不考虑水浮力作用后，结构底板、侧墙的设计往往更为经济(可采用构造底板)。地下建筑物的抗浮措施的制定与地下结构类型、场地岩土工程和环境条件有关，同时与产生水浮力的地下水的性质有关。对于由上层滞水和地面水引发的抗浮问题，有条件时宜采取截断、疏排或封堵的办法予以解决。对于潜水或承压水引发的抗浮问题，应视水量大小采取不同的抗浮措施。当涌水量较大时，应采用增加结构及填料自重或设置抗拔构件的办法；当涌水量较小时，还可采用在地下建筑物外围设置盲沟、集水井进行自动排水的办法，使水位维持在一定标高之下，抗浮设计7达到经济合理的目的。当采用设置盲沟、集水井自动抽排的方案时，应考虑长期抽水的费用，同时还应采取确保盲沟畅通的措施。许多地下建筑物往往同时存在上层滞水(含地面水)和承压水(含潜水)的浮力作用，此时可按地下水性质分别进行处理。如武汉市地铁2号线洪山广场站的抗浮措施中，对上层滞水及地面水采取了封堵措施，不考虑其浮力作用；对下部的承压水则按勘察时的水头标高增加约3m高的水头进行抗拔桩的设计。如此处理，减少了约8m高的抗浮水位，减少了抗拔桩的数量及长度，取得了显著的经济