地下结构抗浮设计及处理措施研究
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[摘 要]近年来，大规模的地下空间开发使得抗浮设计越来越受到重视，其中抗浮措施的选择及浮力产生的机理是抗浮设计的关键。由于土体的复杂性，浮力产生的机理尚不明确，有待于进一步的研究。该文通过对浮力机理相关文献的评述，认为综合考虑不同含水层之间的渗流以最终确定浮力的计算原则是合理的。如此计算浮力更加准确，但需详尽的水力勘测资料。本文讨论了水浮力以及工程抗浮力的计算问题，阐述分析了地下空间的抗浮设计要点。
[关键词]地下空间；抗浮设计；水浮力；抗浮锚杆；
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）27-0224-01
引言
随着城市化进程的开展，地下空间开发越来越受到重视，且规模也越来越大。高层建筑的多层地下室、地下铁道及隧道、地下停车场、地下商场、地下仓库和地下市政设施都面临着抗浮设计的难题。目前采用的抗浮措施主要有加重法、降截排水法、抗浮锚杆和抗浮桩等[1]，各种方法及联合方法均有很多成功案例。抗浮设计的关键是准确地确定浮托力，这也是近年来专家学者研究和讨论的热点，主要表现在抗浮设防水位的确定和粘土浮力计算折减问题。地下结构受到地下水浮力的作用，导致建筑底板破坏、梁柱节点处开裂及底板的破坏等。因此，工程的抗浮设计是否正确合理，直接关系到工程的安全可靠和工程造价，应引起设计者的高度重视。
1.存在的问题
地下建筑的层数一般不高，但是建筑面积非常大，导致地下室处在地下水的浮力作用下，不能用自身重量来平衡这种浮力，导致地下建筑的顶板受到巨大力的作用，对于层数在3层以下或底板埋深>7m的地下室来说，永久抗浮安全度往往不够，导致地下室整体或局部上浮的工程事故时有发生，给国家和人民带来了极大的损失，随着地下空间的逐步利用，人们总结了出现这种问题的原因：
（1）没有考虑到地下水浮力的作用或没有对水浮力作用机理有足够的认识，导致在建设地下工程时没有做抗浮验算；
（2）没有做好施工现场的地下水勘察工作，导致抗浮设计中地下水水位的取值不当，没有考虑到极端天气下出现的最高水位；
（3）设计人员忽视了抗浮计算中的一些因素，导致抗浮措施不当；
（4）施工单位在地下工程建设过程中对于抗浮措施没有引起足够的重视。
2.地下工程抗浮措施的选择
下水浮力的作用机理，可以采取配重法来平衡水浮力，这种方法简单有效，主要可以通过增加自身的重量来抵御水的浮力；工程上也采用设置抗浮桩的方法解决抗浮问题，其原理和配重法一样，只不过设置抗浮桩是利用桩侧面和土体的阻力来平衡浮力的。
对于配重法，适用范围广，可以将增加的重量设置在底板上，通过抗浮计算得到需要配置的重量，然后再底板上设置回填层，用土、砂、石等密度大的材料进行回填，利用回填物的重量来增加地下工程的总体重量，达到抗浮的目的。有时可以利用底板外挑部分回填一部分配重，达到增加自身重量的目的；对于底板为板柱或梁板结构，可以利用底板柱帽或梁至地坪之间的空间设置回填土，这种方法可以解决地下工程抗浮问题，还可以作为底板的防水处理。综上，配重法作为一种简单可行的方法，不受地理条件、施工环境的影响，不但可以降低造价，还可以解决抗浮问题，常常作为基本方法予以采用。
采用抗浮桩进行抗浮设计，主要是利用抗浮桩侧面与土体的摩擦来抵消地下水浮力的，抗浮桩的效果与桩长、桩径、桩型以及周围的地质条件都有很大的关系，因为制造抗浮桩的造价高，所以一般使用在柱、墙下等抗浮面积较大、受环境条件、施工条件影响大的地方。
抗浮锚杆是利用锚杆与砂浆组成一个锚固体，保证锚固体和岩土层的结合力，可以提高地下建筑的抗浮能力。抗浮锚杆具有造价低、施工方便、受力合理等优点，广泛的用于地下空间抗浮施工。在实际施工中，施工人员要根据地下工程的结构形式、地质条件、浮力大小、施工条件和工期要求等因素确定采用何种抗浮措施。
3.地下工程的抗浮设计
3.1设计流程
对于地下工程抗浮设计总原则，应该满足下式要求：
（1）
式中：W――地下建筑自重及其上作用的永久荷载标准值的总和；
F――地下水浮力。
当地下建筑自重及地面上作用永久荷载标准值的总和不满足（1）式要求时，应进行地下建筑抗浮设计。
在具体设计时当建筑物的地面上结构外边线与地下建筑外边线基本重叠时，地下建筑的抗浮设计按以下原则进行：
（1）当结构重量大于地下水的浮力且满足（1）式时，不必考虑地下水对地下建筑整体浮力作用，但应在设计中提出施工中必须采取隔水或降水措施降低地下水位。
（2）当结构重量小于地下水浮力时，地下建筑肯定要设置永久性抗浮构件或采取其他有效措施以平衡地下水对整体结构的浮力。
（3）上述两种情况还必须考虑地下水浮力对地下建筑底板的反向作用，保证地下建筑底板构件在地下水反向作用下应具有足够的强度和刚度，并满足构件的上拱抗裂要求。
3.2水浮力计算
一般情况下，水浮力可以由岩土工程勘察报告提供的用于计算地下水浮力的设计水位，根据阿基米德定律依照公式：
（2）
其中，为水浮力；为地下建筑重力；为覆土重力；为承重地下水浮力作用的竖向受力单元的地下室柱网面积；为桩柱重力；为承台重力；为±0.000以上主体垂直荷载。
若计算结果v>0，则应采取抗浮措施。在浮力计算过程中要注意：当地下建筑面积与上部主体结构面积相同时，可简单比较地下建筑水浮力与建筑总荷载的关系，来判断是否可能发生上浮；当地下建筑面积大于上不主体建筑±0.000层面积时，或按裙房楼层比较浮力与建筑总荷载，浮力大于建筑总荷载时，应以竖向受力构件为单元分析浮力的平衡状态。
3.3抗浮设计
当计算所得的浮力 时，应采取抗浮措施，在选择抗浮措施时，要做到经济合理，首先要分析工程地质和水文地质条件，并分别区别施工阶段和竣工后使用阶段的不同情况。
（1）施工阶段的抗浮措施。地下建筑物若处于透水系数比较大的粉质粘土、粉土、砂土中，由于正值施工期间，地下建筑的顶板和覆土尚未完成，此时底板和外墙已施工完成。在地下水的作用下，形成了水浮力，当浮力不大时，可以利用排水明沟、集水井进行排水，以减少水浮力；当土质的渗透系数大，应在地下建筑底板中设置后浇带，利用板下的垫石作为倒滤层，排除水后，直到地下建筑底板的水排干净后，浇筑后浇带的混凝土。
（2）永久性抗浮措施。在上面提到利用配重法、抗浮桩法、抗浮锚杆等来平衡地下水浮力，工程中常用的永久性抗浮措施：抗浮锚杆，由于粘质粉土、硬塑状粘土或风化基岩适宜钻孔注浆，若地下建筑底板下是这些土层，可以利用注浆锚杆法。抗浮锚杆具有良好的底层适应性，易于施工，锚杆布置非常灵活，锚固效率高。由于其单向受力特点，抗拔力及预应力易于控制，有利于建筑构件的应力与变形协调，降低结构造价，在许多条件下，优于配重法和抗浮桩法。
地下室的抗浮设计是结构设计中的一个重要组成部分。设计人员应根据地下工程具体情况进行认真分析，正确计算水浮力与抗浮力，处理好工程整体抗浮与局部抗浮的关系，选择合理的抗浮措施，既保证地下工程的安全，又节省投资。
参考文献
[1] 梁鲜.地下室车库底板抗浮不足分析和处理方法[D].湖南大学，2011.