高层建筑中地下室的抗浮验算

高层建筑中地下室的抗浮验算
摘要：本文结合理论、规范和工程实例，分析在地下水作用下高层结构中地下室所受浮力的成因和一般规律，提出了抗浮验算的基本内容和基本原则，以及具体的验算方法，可供广大工程技术人员参考。

关键词：高层结构地下室抗浮验算
内容：
随着我国工程建设的发展，高层建筑越来越多，高层结构中一般都有地下室甚至多层地下室，为地下水位较高时，所受的浮力很大，而我国现行的国家地基规范中，并无相关的抗浮验算要求，因此，实际工程中，很多地下室未进行抗浮验算，给结构留下重大的隐患。

一九九八年，武汉遭受特大洪水侵袭，我市的多个地下室发生不同程度的损坏。

笔者结合多年的工作经验，对如何进行抗浮验算提出自己的看法，供大家参考。

一、地下水的类型和渗透性
1、上层滞水：是指埋藏在地表浅处，局部隔水透镜体的上部，且具有自由水面的地下水。

它的分布范围有限，其来源主要是由大气降水补给。

因此，它的动态变化，与气候、隔水透镜体厚度及分布范围等因素有关。

上层滞水地带只有在融雪后或大量降水时才能聚集较多的水，因而只能被作为季节性的或临时性的水源。

2、潜水：埋藏在地表以下第一稳定隔水层以上的具有自由水面的地下水称为潜水。

潜水一般埋藏在第四纪松软沉积层及基岩的风化层中。

潜水直接受雨水渗透或河流渗入土中而得到补给，同时也直接由于蒸发或流入河流而排泄，它的分布区与补给区是一致的。

因此，潜水水位变化，直接受气候条件变化的影响。

3、承压水：承压水是指充满于两个稳定隔水层之间的含水层中的地下水。

它承受一定的静水压力。

在地面打井至承压水层时，水便在井中上升甚至喷出地表，形成所谓上升泉水。

由于承压水的上面存在隔水顶板的作用，它的埋藏区与地表补给区不一致。

因此，承压水的动态变化，受局部气候因素影响不明显。

土透水性的强弱一般由土的渗透系数反映。

一般认为，在工程中渗透系数≤10-5cm/sec 时，土具有不透水性，密实的粘性土一般能满足上述要求。

具体工程中，应以勘察报告为准。

二、地下水产生浮力的条件
存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两类，结合水与土粒表面牢固地粘结在一起，不能自由移动，不能传递压力，因此，它不含对土粒产生浮力。

自由水在土粒影响范围以外，能传递静力压力，有溶解能力。

其中的重力水可以自由运动，对土粒有浮力作用
因此，只有地下室底板下有重力水，且水位高于地下室底板时，地下室才会受到浮力。

当地下水位很低，在地下室底板以下或上层滞水水位较高，在地下室底板处以上时，地下室不会受到浮力，即使地下室底板周围有地下水，但四周均有不透水土层隔离时，也不会产生浮力。

三、地下室在浮力作用下的应力状态
建筑物通过地下室将荷载作用于地基上，地基土产生反力，在正常状态下，两者保持平衡，结构荷载=基底反力。

当地下水位的上升，地下室底板产生浮力，地基反力减小，根据力学平衡条件，结构荷载=基底反力+浮力。

随着浮力的增大，基底反力逐渐减小，当浮力＜结构荷载时，结构抗浮满足要求。

当浮力继续增大，直至等于大于结构荷载时，基底反力等于零，地下室的结构抗浮不满足要求，需采取其它措施。

四、高层结构的抗浮验算
高层结构的周围一般有较低的裙房，当两者作为一个整体验算时，高层部分的结构荷载大，基底反力仍然存在，而较低的裙房结构荷载小，基底反力可能为零，甚至存在向上的多余浮力。

因此，当裙房为非对称布置时，整体结构的抗倾震验算也是重点。

除验算整体抗浮外，较低的部分还需进行局部抗浮验算。

在浮力的作用下，裙房地下室的受力发生很大的变化，跨度变大，有时甚至成为悬臂结构，因此，局部抗浮不能忽略。

五、地下室抗浮验算的基本原则
1、地下建筑物埋于不透水层，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。

2、地下水最高水位的确定
在计算浮力时，地下水最高水位对浮力的大小起着关键作用，其取值原则如下：
①若有长期水文观测资料或历史水位记录时，浮力的计算可取历史最高水位；若无长期水文观测资料或历史水位记录时，可采用中水期最高稳定水位。

②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。

③在无动水压力及承压水时，最高水位不宜超过地下室顶板面标高。

3、特殊情况下浮力的计算
①对处于斜板上的地下室或其他可能产生明显水头差的场地上的地下室，应考虑地下水渗流在地下室底板产生的非均布荷载对地下室底板的影响。

②地下室在稳定地下水位作用下，浮力按静水压力计算，临时高水位作用下的浮力，在
粘性土地基中可适当折减，折减系数由勘察部门提出，在砂土不折减。

4、具体计算中相关的系数取值如下：
①抗浮稳定验算时，地下室结构自重及顶板上覆土重（有效重度）以其标准值乘以分项系数0.9，水浮力的分项系数取1.0。

水的浮托力为10kN/m3×h w1×1.0。

②地下室底板混凝土构件承载力计算时，水浮力的分项系数取 1.35，水的浮托力为10kN/m3×h w2×1.35。

式中：h w1—地下室顶板而标高至底板底标高的高度；
h w2—室外场地整平标高至地下室底板底标高的高度。

③单桩抗拔计算时，桩侧表面抗拔侧阻力取相应的抗拔压侧阻力乘以抗拔系数λ。

抗拔系数λ的取值参见JGJ94-94表5.2.18-2砂土λ=0.50～0.70，粘性土、粉土λ=0.70～0.80，桩长L与桩径d之比小于20时，λ取较小值。

④抗拔桩配筋应按GB50010-2002规范轴心受拉构件验算裂缝宽度不大于0.2mm。

六、抗浮不满足时的处理措施
当地下室的抗浮验算不满足时，必须满足相应的措施，这些措施必须根据当地和工程实际情况，满足安全、经济和施工简便的要求，常用的处理措施有：
1、当持力层为不透水层时，用不透水土回填地下室四周，并采取措施，防止场地积水，根据规范要求，地下室不需考虑浮力作用。

2、加大地下室上部覆土的厚度，当厚度不能增加时，也可以采用上部压重，以满足抗浮要求。

3、加大地下室底板的挑出长度。

采取这一措施时，地基梁的受力将有很大的变化，需进行复核。

4、在底板下加抗浮桩或锚杆，采取这一措施时，需验算结构处于正常状态下的结构受力和变形。

七、注意事例
在采取相关措施后，在正常使用下（即无地下水时）下对结构产生很大的影响，这必须引起足够的注意。

笔者接触一个工程实例，一幢商住楼，上部15层，下部地下层1层，地下室作为停车场，为满足结构的整体抗倾覆要求，地下室向一侧扩大，基础采用筏板基础（梁板式），埋深6米。

由于地下室的扩大部分抗浮验算不满足，设计人员在相应的柱下加人工挖孔桩，达到相关抗浮要求。

但在正常使用的情况下人工挖孔桩会产生很多的隐患，首先，基础一部分采用筏板基础，而一部分采用桩基加筏板基础，不符合规范的要求；其次，高层部分未加桩，为天然地基，而很低的部分下加桩基，如此轻重倒置，必然引起高低部分的不均匀沉降，引
起严重的后果。

后来，抗拔桩取消，采取其它方案达到抗浮的要求。

另外在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，这既减少了浮力，对持力层的承载力也有好处。