关于地下建筑物抗浮设计的几点意见

关于地下建筑物抗浮设计的几点意见湖北省勘察设计协会袁内镇[摘要]本文根据作者的工作经验结合湖北省地方标准《建筑地基基础技术规范》DB42/242-2003的有关规定，对地下建筑物抗浮设计原则及一些具体问题进行了探讨，可供抗浮设计中参考。地下建筑物抗浮设计是一个复杂的技术向题，由于对抗浮设计的一些重要问题有不同看法，因此相关规范对抗浮设计作出明确的具体规定，导致设计工作的困难。为解决抗浮设计的操作问题，湖北省地方标准《建筑地基基础技术规范》DB42/242-2003对抗浮设计作了原则的规定，但具体问题尚有一些歧意，地下建筑浮起破坏的现象仍时有发生。作者认为有必要对以下问题进行探讨，以求抗浮设计的合理完善。一、地下建筑物浮起的基本条件。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。同时水的浮力作用也遵循连通管原理，即不同截面尺寸排开同体积水的重量。同时水的浮力作用也遵循连通管原则，即不同介质问存在薄层水膜时，无论水的性质是潜水、上层滞水或承压水，即可产生强度为h的浮力(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L当水不断补充时，建筑物将不断上浮，所以，建筑物浮起是一个渐进过程。水量的大小只是控制着建筑扎上浮量，而水位高低则是控制建筑物上浮的基本要素。至于地下建筑物基底及周边水在土中的渗流影响是深层次的抗浮机理问题。可以肯定，只要建筑物周边与土介质之间的水位达到一定高度，且水的补充速度大于水在土的渗流速度时建筑物即可能被浮起。二、抗浮设计应进行哪些验算1、施工阶段，使用阶段及特殊情况下地下建筑物整体及局部抗浮稳定验算。明挖法施工的地下建筑，在施工阶段发生浮起的事故较为常见。当施筑物自重及抗拔构件的抗拔力不足以平衡水的浮力时，应提出施工中排水或其它抗浮措施。在施工阶段及使用阶段，地下建筑物的整体及局部抗浮稳定均必须得到保证，设计中往往忽略了局部稳定的验算。如地下室考虑外墙自重及其它局部墙体自重后，满足整体抗浮稳定要求，但在墙体或荷载较少的部分，建筑物荷载不能平衡水的浮力，此时地下建筑物局部浮起，使结构应力重分配，造成部分结构受损或破坏。再如为了平衡水的浮力，将地下室底板外挑，以外挑部分的上覆土重增加稳定力，此时，如果地下结构面积较小，刚度很好时，可以起到作用，反之，也将造成结构的受损或破坏。特殊情况下的整体及局部抗浮稳定验算，指的是水池，游泳池及其它储仓等，当换水、检修需减少稳定荷载时，也应考虑此工况的抗浮稳定性。2、地下建筑物的外墙、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，才能进行地下建筑结构的验算，验算中应重点选取合理的荷载组合。如外墙应按静止土压力考虑水、土压力，同时应考虑超载的影响。底板的荷载组合较为复杂，对构造底板，尚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(扣除水的浮力)的10％～15%。与此同时，尚应计及水对构造底板的浮力。3、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，需设置抗拔构件，如抗拔桩及锚杆等。抗拔构件的抗力(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的强度及抗裂进行验算（抗拔试验仅能确定土的抗力，抗裂仍要计算）。抗拔构件中的抗裂验算较为复杂，当采用预应力管桩作抗拔桩时，如何考虑截桩后的预应力损失，抗拔计算以及连结构造尚应进一步研究。三、什么情况下，可不考虑水浮力作用对于这个问题，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及老粘土中的地下室浮起事故，为此，《建筑地基基础技术规范》DB42/242—2003作了以下规定：“施工期间应采取可靠措施，防止基坑内积水，使用中应采取措施防止场地积水”。“地下建筑物埋于不透水土层，周边填土为密实的不透水土，当场地无积水时，可不考虑水的浮力作用”。上述条文的内涵是地下建筑物周边的水不能渗入基底，地面水也不能渗入基底，即作到地下建筑物完全埋置于无水的土层内，方可不考虑水的浮力作用。为此，必须满足以下条件：1、地下建筑物所在场地无积水，雨水及其它地表水应有组织地及时排走。如地下建筑物位于低洼场地，无把握及时排除积水时，应慎重考虑。2、地下建筑物基础底以上无杂填土、砂类土、粉土等透水层，或虽有上述透水层，但层厚较薄，不赋存潜水或承压水，可以采取有效地隔、排水措施者。3、基坑回填土必须采用压实的不透水的粘性土或灰土，压实系数不小于0.93。4、地下室外墙防水层的保护层不应采用透水的塑料泡沫板等材料，应确保防水层及保护层不形成水通道。5、当基底以下存在承压水时，在无建筑物荷载作用时，不易发生管涌或突涌。除上述必备条件外，尚宜采取基础及底板砼原槽浇灌，超外部分以砼回填，地面外墙周边设砼散水等措施。四、抗浮水位如何确定?抗浮水位分为整体稳定和局部稳定的抗浮水位及结构构件设计的抗浮水位。规范规定，抗浮水位应由岩土工程勘察单位提供。《岩土工程勘察规范》GB50021-2001第4.1.11-6条要求，“查明地下水的埋藏条件，提供地下水位及其变化幅度”。第4.1.13条要求“工程需要时，……提出防水设计水位和抗浮水位的建议”。第7.1.1-5条要求掌握“勘察时的地下水位、历史最高的地下水位、近3～5年最高地下水位、水位变化趋势和主要影响因素”。上述规定并未明确抗浮水位的具体确定方法。《建筑地基基础技术规范》DB42/242-2003第11.4.11-3条规定“抗浮设防水位若有长期水文观测资料或历史水位记录时，地下水作用力的计算可采用历史最高水位；若无长期水文观测资料或历史水位记录时，地下水浮力的计算可采用丰水期最高稳水位。”第11.4.11-4条规定“场地有承压水且承压水与潜水有水力联系时，应按承压水和潜水的混合最高水位计算地下水对地下室的浮力作用”。第11.4.11-7规定“……在无动水压力及承压水时，计算浮力的最高水位不宜超过地下室顶板面标高”。可见，抗浮水位的确定是一个复杂的问题，抗浮水位的高低与地形地貌、地下水类型、土质、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。因此，不能简单地取用勘察报告提供的勘察时的混合水位。应综合各种因素分析确定。1、地下室基底位于含水层内，含水层有承压水存在时，抗浮水位应按历史最高或丰水期最高承压水头计算。当承压水与潜水或上层滞水有水力联系时，应按二者的混合最高水位计算。2、当地下建筑物所处场地地势低洼，场地有可能积水时，应按可能发生的积水水位计算。3、鉴于历史最高水位或丰水期最高稳定水位不易取得。一般情况下，出于安全考虑，在场地无积水的前提下，可取地面标高为抗浮水位标高。4、应按以上原则中可能出现的最不利情况确定抗浮水位。当按以上原则(承压水控制者除外)确定的抗浮水位高于地下室顶板面标高时，在验算地下室整体或局部抗浮稳定时，抗浮水位只取至地下室顶板面标高，因为顶板以上水浮力与其自重相抵消，但在计算地下结构的强度及变形时，则应计及顶板面以上水压的影响。五、抗浮设计时，抗浮稳定安全系数如何确定《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，必须采用锚桩或其它措施。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”。《建筑结构荷载规范》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；其效应读结构有利，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。”综合以上规定，地下水的作用应按永久荷载考虑。对于明控法施工阶段，及前述特殊情况下抗浮稳定安全系数应大于1.05～1.10。使用阶段抗浮稳定安全系数应不小于1.1/0.9=1.22。对于抗浮设防水位确为历史最高水位或抗浮水位为地面标高(地面不可能积水)时，抗浮稳定安全系数也可不小于1.05。六、单建地下室顶面有填土，抗浮稳定计算时，填土荷载应如何计算?填土自重应分别按两个阶段考虑。当采用明挖法施工时，施工阶段顶面填土未能加上，地下室顶面填土荷载不应计入。在使用阶段，当抗浮水位高于板面时，水位以下的土重应按土的有效重度计算，水位以上的土重按天然重度计算。当抗浮水位低于顶板面时，填土自重按土的天然重度计算。填土上的活荷载均不应考虑。七、抗浮设计时地下室底板与外墙承载力计算时，荷载效应的取值方法抗浮设计时，对浮力及土（水）压力均应作为永久荷载。根据《建筑结构荷载规范》GB5009-2001第3.2.3-2规定，应采用由永久荷载效应控制的组合。《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002第3.0.4-3规定，“计算挡土墙压力、地基或斜坡稳定及滑坡推力时，荷载效应应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，但其分项系数均为1。以上条文规定了抗浮计算中水浮(压)力荷载效应的计算方法，由上部结构传来的荷载效应，应符合相关规范的要求。地下室结构构件承载力计算时应符合《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002第3.0.5条规定，即：S=1358k≤R式中：S—荷载效应基本组合的设计值；kS—荷载效应的标准组合值；R—结构构件的抗力设计值。