浅谈岩土工程勘察中的抗浮问题

浅谈岩土工程勘察中的抗浮问题
发布时间：2021-01-19T07:20:56.518Z 来源：《建筑学研究前沿》2020年23期作者：谭晓军[导读] 抗浮问题是岩土工程勘察工作的重要分析内容和评价成果，本文根据作者多年的工作经历，总结了岩土工程勘察中对抗浮问题的常见的几个认知不足，并对如何提供合理的抗浮设防水位进行了探讨。

谭晓军
中化地质矿山总局广西地质勘查院广西南宁 530001摘要：抗浮问题是岩土工程勘察工作的重要分析内容和评价成果，本文根据作者多年的工作经历，总结了岩土工程勘察中对抗浮问题的常见的几个认知不足，并对如何提供合理的抗浮设防水位进行了探讨。

关键词：浮力；地下室；地下水；抗浮设防水位
随着我国城镇化的不断发展，城市高层、超高层建筑的大量涌现，建筑物的基础埋深也不断增加；与此同时，当前城市地窄人稠、地价不断上涨，地上可用面积越来越少，向地下谋求发展空间已渐成趋势，为提高地下空间利用率，地下停车场、商场、机房及地铁等相关服务配套设施建设日渐趋多。

由此带来的地下室深基础的抗浮问题成了影响工程质量、造价、工期及使用安全的最重要因素之一，如何全面认知地下室的抗浮问题并提供合理的抗浮设防水位，是本文探讨的问题。

1 浮力及抗浮的概念
要弄清抗浮问题，首先要弄清楚浮力的概念。

什么叫浮力？浮力是指浸在静止流体（液体或气体，岩土领域的研究对象主要指液休，本文特指液体）里的物体受到的上、下表面压力差，其方向竖直向上；其大小等于被物体排开流体的重力，或等于物体所受液体向上、向下的压力之差。

这便是物理学力学中著名的阿基米德定律：浸在液体里的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力，其公式可记为F浮=G排=ρ液·g·V排。

浮力的产生原因是因为物体下表面受到向上的压力大于其上表面受到的向下的压力。

浸在液体中的物体，当它所受的浮力大于重力时，物体上浮；当它所受的浮力小于所受的重力时，物体下沉；当它所受的浮力与所受的重力相等时，则物体可悬置于液体中的任何位置。

而建设工程中所谓的抗浮，是指当建筑物基础底板受到水体向上的浮力作用时，需考虑其在建设工程的施工及使用过程中可能产生的负面影响而采取的工程措施。

2岩土工程勘察中对抗浮问题常见的几个认知不足（1）抗浮水位和抗浮设防水位混为一谈
《高层建筑岩土工程勘察标准》（JGJ/T72-2017）2.1.6术语中关于“抗浮设防水位”定义如下：为满足地下结构抗浮设防安全及抗浮设计技术经济合理的需要，根据场地水文地质条件、地下水长期观测资料和地区经验，预测地下结构在施工期间和使用年限内可能遭遇到的地下水最高水位，用于设计按静水压力计算作用于地下结构基底的最大浮力。

设防水位的含义应该更具有严格的内涵，例如抗浮水位与抗浮设防水位都是提供抗浮设计用的，但严格程度不同，抗浮设防水位应该包含有多少年一遇水位的涵义，或者讲超越概率是多少的意思，如果没有历史资料可以作概率分析，这个水位没有多少年一遇的内涵，则只能通称为抗浮水位而不能称为抗浮设防水位。

因此，由于分析设防水位的超越概率需要长期观测的地下水历史资料，对于没有建立长期观测地下水位站网的城市和地区，最好不要轻易谈设防水位，只凭勘察时观测的地下水位是得不到设防水位的。

正是出于勘察期间这方面困难的考虑，《岩土工程勘察规范》（GB50007-2011，2009年版）4.1.13已将 “抗浮设防水位”的有关强制性条文改为一般性条文，这是其比旧版规范进步的地方。

（2）只有地下水才产生抗浮问题
在基础施工过程中，地下室侧墙一旦开始建造并形成封闭的合围空间，只要基坑里（即地下室外侧）有水，此时地下室那就如一艘船，充盈水的基坑就象的江湖塘水，随即开始对地下室底板产生向上的浮力。

这里需特别指出的是，不仅是地下水（潜水和承压水）作用才需考虑浮力和抗浮问题，地表水有时也需考虑浮力和抗浮问题。

由于地下室基坑开挖时，四周往往会有所放坡，在地下室基础侧墙建成后，基坑肥槽将粘土进行回填止水，如果回填止水施工措施不当，且地面排水设施不配套，造成大气降水时形成大量的地表积水往基坑里灌，这时也会有上浮的可能，就需要考虑抗浮问题！笔者就曾在桂林的某橡胶石化工地工程亲自处理过地下储油罐因雨水下渗造成整体上浮20～40cm，墙角、窗户边及砼地板也出现明显的拉裂或向上隆起的工程事故。

因此，在不具备赋存地下水条件（如粘土或泥岩）场地进行地下工程勘察时，应注意提醒建议施工方做好基坑肥槽的回填止水、地表排水配套设施的工作，同时也为自己规避责任风险。

（3）抗浮问题就是浮不浮得起来的问题
通常人们都会认为“抗浮问题就是浮不浮得起来的问题”，即纯地下室、低层或多层建筑才会考虑抗浮问题，而高层建筑不用考虑抗浮问题，有时甚至有些基础结构设计人员也这么认为，这是一个很常见的认知不足！
大家都知道，抗浮分永久抗浮及临时抗浮两种类型，当然抗浮水位也可分永久抗浮水位及临时抗浮水位。

其实之所以有永久及临时的提法，最初也是出于主楼（高层）及裙楼（低或多层）组合的建筑物在建造过程中荷载是否足以平衡浮力考虑而来的。

因为主楼（高层）部分建成后，其自身建筑荷载足以平衡甚至大大超过浮力，建筑物不会出现上浮问题，这就不用考虑建成后使用期的永久性抗浮问题，仅在施工过程中自身建筑荷载不足以平衡浮力时间段才需抗浮问题，这就是临时抗浮问题，其对应的水位为临时抗浮水位；而对裙楼（低或多层），由于其自重（建设过程或建成使用）往往不足以平衡浮力，因此永久抗浮及临时抗浮问题均需考虑，其对应的水位分别为永久抗浮水位和临时抗浮水位。

显然，这仅是抗浮考虑的第一层次问题：拟建建筑物是否会出现上浮？这属于整体抗浮验算的范畴。

但是所谓抗浮，是不是仅仅指上浮的这一层面的意思呢？答案当然是否定的！抗浮还需考虑第二层次问题：在进行结构设计时，尚需考虑因浮力对拟建建筑物地下室底板的作用是否会产生不利影响呢？这属于局部抗浮验算的范畴。

通俗来讲，我们常常见到的主楼（高层）及裙楼（低或多层）组合的建筑物，对裙楼而言大多人都会有抗浮问题的考虑，但是不是主体高层部分自身建筑荷载足以平衡甚至大大超过浮力就不用考虑抗浮问题了呢？现在，许多勘察单位的勘察报告往往轻易地下了“不用考虑抗浮问题”的结论且不提供抗浮设防水位，没有工程经验的设计者也较易因此忽略浮力对底板的作用所需考虑的底板配筋及强度问题，底板往往设计得较薄或配筋不足（包括低或多层裙楼或纯地下室采取独立柱基时，底部仅设计有很薄的防水底板），从而比较容易发生开裂、渗水甚至隆起，严重的地下室会失去功能作用，这是一个严重的技术质量事故，而主要责任方肯定是勘察单位了！我想这是大多数人由于对抗浮问题的认知不足而容易犯错的地方！诚然，主体高层部分自身建筑荷载足以平衡甚至大大超过浮力，建筑物不会出现上浮问题，但抗浮问题还是不能忽略的，因为无论建筑物是否上浮，建筑物底板依然承受着浮力的向上的作用，当水头较大时尤剧。

笔者就曾在南宁市区见过多起由于概念性认知错误造成的地下室长年漏水、浸水，形成“地下游泳场”，地下室的使用功能受到较大的影响甚至完全失去弃用，这方面教训可谓深刻啊！
（4）含水层与底板之间存在隔水层，而且其抗浮水位水头小于隔水层的自重时，就不需考虑抗浮问题
如果含水层与地下室底板之间没有隔水层，就需要量测其水头进行判断是否对地下室形成浮力及是否要考虑抗浮问题；如果含水层与地下室底板之间存在隔水层，则其是否对地下室形成浮力，那也要视抗浮水位水头是否大于隔水层的自重，然后再考虑是否需要考虑抗浮问题。

当含水层与底板之间存在隔水层，若抗浮水位水头大于隔水层的自重，则需考虑抗浮问题并提抗浮水位，这大家都形成了共识；但若抗浮水位水头小于隔水层的自重，这时是否需考虑抗浮问题并提抗浮水位呢？许多人说不用考虑，这是又一个认识不足，它这可是有很大危险性的。

因为现实工程勘察中，我们完成野外钻探施工后，一般都未按规范要求进行封孔（或种种原因没封好孔），一个场地若钻了百来个钻孔，一般钻孔口径约90mm，那将形成许多口小型水井，它们将成为地下水的良好渗流通道，那就有可能因忽略抗浮问题而发生质量事故，这便是《岩土工程勘察规范》（GB50007-2011，2009年版）强调勘察钻孔施工完后要进行有效封堵的主要原因。

（5）抗浮就是要采取增加荷重或设抗浮桩（锚杆）措施
对需要采取抗浮措施的工程，不宜生搬硬套地采取增加荷重或设抗浮桩（锚杆）措施，若能通过对地下水含水层渗透性及补径排条件、地下水富水性等情况全面调查分析，采取针对性的有效抗浮设计设防措施，有时会收到意想不到的效果。

比如防城港某工程，地下水为基岩裂隙水，由于场地距海边较近，原始地貌为坡岭，海水涨潮时漫过坡岭的坡谷低洼地段，后来虽堆高填低成现平坦地貌，经从基坑开挖基坑壁渗流的地下水的口感及取水样分析后，确定其与海水有一定关联性，后来经过一年多的海水涨落与地下水的关联性观测，确定其关联不是很紧密且水量不是很大，其与基岩裂隙水混合后变为咸淡水，因咸淡水混合水可作为中央空调或公厕、卫生用水，建议其在地下室铺设一层鹅卵石作暗渠，负责将四周渗流到地下室基坑底部的地下水联通汇聚到数个集水坑，然后通过在集水坑中安装自动水位感应抽水泵，当水位达到设计的抗浮设防水位警戒线时，自动水位感应抽水泵自动起动抽水，从而达到抗浮的目的。

按一年多的最高渗水点确定的抗浮水位水头约8米，由此节省了纯地下室及裙楼部分的抗浮桩造价近千万元人民币，这还不包括其用作中央空调或公厕、卫生用水所节省的开支，轻济效益相当可观，同时还兼有绿色环保节约的社会效益。

3对如何提供既安全又合理的抗浮设防水位的探讨
地下工程的抗浮问题成了影响工程质量、造价、工期及使用安全的最重要因素之一，如何提供既安全又合理的抗浮设防水位显得特别的重要。

抗浮设防水位提高时，虽然安全度被人为减小了，但大大增加工程造价，从而造成浪费；抗浮设防水位提低时，虽然工程造价被人为减少了，但安全度则会被人为增大，将会形成较大的安全隐患。

目前，国内各种规范对抗浮设防水位的要求不一。

其中只有《高层建筑岩土工程勘察标准》（JGJ/T72-2017）对“抗浮设防水位”给出了定义，并对如何评价抗浮及综合确定抗浮设防水位进行了规定，而《岩土工程勘察规范》（GB50007-2011，2009年版）和《地基基础设计规范》（GB50007-2011）没有详细的评判依据；《地基基础设计规范》（GB50007-2011）将 “进行抗浮验算及评价”列为强制性条文，而《岩土工程勘察规范》（GB50007-2011，2009年版）却改为了一般性条文，不同的规范要求不一致，导致了勘察单位及审图单位对规范的理解和执行的尺度不一，争议颇多。

但有一个不争的事实是，地下工程只要涉及到抗浮问题，设计单位一定会要求勘察单位提供抗浮设防水位，设计把这个烫手山芋抛给勘察原因何在呢？一方面是设计单位自己比较难定，一方面在发生事故时让勘察单位来承担责任。

地下工程的抗浮设防水位分临时抗浮设防水位及永久抗浮设防水位。

临时抗浮设防水位相对简单，可通过预留孔洞等方法，使地下工程在其自重小于浮力前暂不封闭形成合围空间，水体自由进出地下工程内外，从而不会形成内外压力差，自然就不存在上浮问题；还有一个常用方法就是按设计地坪标高提供临时抗浮设防水位。

永久抗浮设防水位则相对复杂，需综合分析历年水位地质资料，根据地下水类型、各层地下水位及其变化幅度和地下水补给、排泄条件等因素，结合工程重要性以及工程建成后地下水位变化的可能性按最不利组合综
合确定《高层建筑岩土工程勘察标准》（JGJ/T72-2017）第8.6.1～8.6.6和《建筑工程抗浮技术标准》（JGJ476一2019）第5.3.1～5.3.4都对如何评价抗浮并提供合理抗浮设防水位进行了较为详细的规定和说明，在此不再一一赘述。

需要提出的是，由于大多数省份城市都没有系统的长期水位观测资料，让勘察单位在“短、平、快”式的勘察进程提供既保证安全又能合理控制成本造价的抗浮设防水位是非常困难的、不现实的，但同时又是非常重要且必须的！
笔者认为，抗浮设防水位需结合水文地质条件及工程经验综合确定，它可归纳为如下比较直观的经验公式：
H防=hmax+αh常+ h异
其中，H防：抗浮设防水位；
hmax：勘察期间实测的最高水位（建筑物基底所在的含水层层位的水位标高）；
h常：拟建地下结构在施工期间和使用年限内可能遭遇到的最大的年季节性水位变幅（指本区大气降水及常规的侧向补给）；
α：经验系数，取值范围为0～1.0，根据勘察期间的实测水位处于枯水期、平水期或丰水期情况确定。

若勘察期间是枯水期，则勘察期间实测的最高水位最低，对应的水位年季节性水位变幅应为最大，即为整个年变幅，可取1.0；若勘察期间是平水期，则勘察期间实测的最高水位居中，对应的水位年季节性水位变幅应为居中，即为整个年变幅的一半，可取0.5；若勘察期间是丰水期，则勘察期间实测的最高水位最高，对应的水位年季节性水位变幅应为最小或零，即少加或不加，可取0.1或0。

h异：其它可能的意外不利影响因素（指非本区大气降水及常规的侧向补给，如水库放水、筑坝截流抬高江河水位或引水渠道运河、造湖工程等）导致水位涨幅。

这三项指标已综合考虑了场地地形、地貌单元、水体类型、岩土渗透性、环境影响等因素，它们相互间是紧密关联、互相影响的。

当然，这其中的年季节性水位变幅也是大家公认较难把握的。

迫于无奈，大多数勘察单位只能根据勘察期间实测的最高水位，综合考虑附近工程经验及区域水文地质资料确定场地水位年年季节性水位变幅，该方法虽然不尽合理的，但在政府或行业进行系统地进行公益性的地下水长期观测之前，这已是比较理想的普遍做法了。

当然，还要考虑其它可能的意外不利影响因素导致水位涨幅指非指本区大气降水及常规的侧向补给造成的水位涨幅，如水库放水、筑坝截流抬高江河水位、引水渠道运河、造湖工程或地下管道渗漏等，这些因素有时也是比较难把握的。

除此之外，要弄清抗浮设防水位，尚须兼顾考虑下列特殊情况对其的影响：
（1）周边分布有江、河、湖等水体时且有透水层的建筑场地，不能按一般场地提供抗浮设防水位，应根据其距离远近及岩土层的渗透性综合评估其对抗浮设防水位的影响，很近时甚至取设计基准期的最高洪水位来确定其抗浮设防水位；
（2）场地有多层地下水时，应分层实测各层水位，不宜测混合水位，并研究各层地下水间的弱透水层（相对隔水层）对各层水位的影响及水力关联性；
（3）当建筑物基底置落于弱透水层中且其下伏承压水时，尚应考虑钻孔封孔质量缺陷（没封或封不好）、桩基施工等因素对抗浮设防水位的影响；
（4）场地未来需要进行大面积填土且填土成分以弱透水性的粘性土为主时，填土后地下水水位将会有所上升，抗浮设防水位要综合考虑这方面的负面因素；
（5）对于雨水丰富的南方，尤其应注意地面标高发生变化后对原勘察报告抗浮设防水位的修正，防止产生地表水聚集效应对地下室的负面或破坏；
（6）对场地较大且有一定坡度建筑，地下水位随地势而变、并不在同一标高线上，抗浮设防水位并不能按一个固定的水位标高来确定，且抗浮水位应分段取值不宜高于建筑设计地坪标高，统一取固定值将与实际不符；
（7）重大地下工程（如大型人防工程、地铁等）对抗浮设防要求极严格，其抗浮设防水位要根据场地地下水、场地设计地坪标高（或地面标高）及该区域100年一遇站点防洪、防内涝设计水位的关系综合确定，一般抗浮设防水位取值原则为：当场地设计地坪标高（或地面标高）大于该区域100年一遇站点防洪、防内涝设计水位标高时，按场地地下水位标高及该区域100年一遇站点防洪、防内涝设计水位标高的大值提供；当场地设计地坪标高（或地面标高）小于该区域100年一遇站点防洪、防内涝设计水位标高时，则按该区域100年一遇站点防洪、防内涝设计水位标高提供；
（8）若地下水赋存条件复杂、变化幅度大，区域性补给和排泄条件可能有较大改变或工程需要时，应进行专门研究。

4 抗浮设计的主要内容
（1）地下室施工完毕后便停止降水，但上部结构还没施工，自重小于浮力，需进行施工阶段的抗浮验算，并采取相关的抗浮措施；
（2）地下水水位高，地下室埋深较大且地上层数较少，自重小于浮力，需对整体结构进行抗浮验算；
（3）结构本身的自重大于浮力，地下室底板也需进行抗浮设计。

5 抗浮设计的常用方法
（1）自重平衡法：采用在地下室上部回填覆土（石）或混凝土等手段，来平衡地下室外侧水体浮力；
（2）抗力平衡法：通过设置抗拔锚杆或抗拔桩，来消除或部分消除地下室外侧水体浮力对结构的影响；
（3）浮力消除法：采用疏、排水措施，使地下室外侧水体水位保持在预定的标高之下，减小或消除地下室外侧水体对建筑物的浮力，从而达到建筑物抗浮的目的；
（4）综合设计法：即根据根据工程实际，采取上述两种或两种以上的抗浮方法达到建筑物抗浮目的，有时会达到意想不到的效果。

通常情况下，当地下水位较高，建筑物长期处在地下水的浮力作用下，宜采用自重或抗力平衡法；当地下水位较低，建筑物长期没有地下水浮力作用或水浮力作用的时间很短、概率很小时，宜采用浮力消除法；诚然，对于抗浮设防要求不是很高的大面积地下车库等建筑，则较宜采用“抗”和“消”相结合的综合设计方法。

6 结束语
地下工程的抗浮设计往往被忽略，而导致的不良后果便是地下室底板拱起，底板开裂渗水，甚至导致地下工程上浮及结构破坏等，处理起来非常急手且效果不好。

因此，我们在勘察时必须对地下水保持高度重视，还应根据工程特点、地质情况、场地条件、环境、当地当时的情况及工程建成后地下水位变化的可能性等因素，综合考虑提供一个最佳的抗浮设防水位及最佳的抗浮设计。

同时，也呼吁政府或行业统筹规划并实施区域水文（包括地表水和地下水）长期观测这项社会公益性工作，使广大勘察设计单位能按既保证安全又能合理控制成本造价的抗浮设防水位进行相关抗浮评价及设计。

参考文献
[1]中华人民共和国住房与城乡建设部，GB50007-2011（2009年版）岩土工程勘察规范（S）；
[2]中华人民共和国住房与城乡建设部，GB50007-2011地基基础设计规范（S）；
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[4]中华人民共和国住房与城乡建设部，JGJ476一2019建筑工程抗浮技术标准（S）；
[5]张思远，在确定建筑物基础抗浮设防水位时应注意的一些问题（J），岩土工程技术，2004，19（5），228。