地下结构抗浮设计

在一些上浮事故处理和永久抗浮中也有使用。
➢基坑围护结构辅助抗浮
“一桩三用”技术：利用排桩围护体系， 除在基坑施工过程中挡土止水外，还作 为建筑物工程桩承担上部结构荷载或作 为地下室抗浮桩，同时通过桩墙合一技 术使排桩与地下室外墙形成复合结构， 共同抵抗水土压力。
不仅可以节约大量费用，且由围护桩 与地下室外墙组成的组合结构有利于减 小墙体开裂，可提高抗渗性能。
有些学者提出浮力按排开水的重量乘以一个 小于1的折减系数来计算，但为何、如何折减不 详。
➢上海市《地基基础设计规范》
箱型基础在施工、使用阶段均应验算抗浮 稳定性。
在抗浮稳定验算中，基础及上覆土的自重 分项系数取1.0，地下水对箱型基础浮力作用 分项系数取1.2。
但怎么计算浮力，规范没有明确的规定。
地下水浮力作用的类型
• 工程处于高水位地区，地下室底板长期处于地下 水位线以下=>静水压力；
• 地下室底板短时间内处于水位线以下，如暴雨、 潮汐、洪水的作用=>渗流水压力；
• 饱和砂土地震液化=>动-静水压力。 • 承压水压力
茂名污水池上浮开裂事故
该工程勘察报告说明地下水位深度为2.0~2.3m，设计时取地下水位 深度为2.2m。
n=28.3%时空模型上浮
n=28.3%时配重后上浮
4
2
模型重217.56N，按理论水位 计算起浮水位为18.1cm，实测 37.1%孔隙率砂中在18.5cm上浮， 滞后2%（折减系数0.98）； 28.3%孔隙率砂中空模型在 18.3cm上浮，滞后1%（折减系数 0.99）。
加80N的配重后在24.5cm处 发生完全上浮（ht=24.7cm），无 滞后。
qfw,k =γwhwηfw 其中ηfw为浮托力折减系数，对非岩质地基应取 1.0，对岩石地基应按其破碎程度确定。
➢国家《岩土工程勘察规范》
•
（GB50021-2001）
• 地下水对基础的浮力作用，是最明显的一种 力学作用。在静水环境中，浮力可以用阿基米德 原理计算。
• 一般认为，在透水性较好的土层或节理发育 的岩石地基中，计算结果即等于作用在基底的浮 力；对于渗透系数很低的粘土来说，上述原理在 原则上也应该是适用的，但是有实测资料表明， 由于渗透过程的复杂性，粘土中基础所受到地浮 力往往小于水柱高度。
➢广东省《建筑地基基础设计规范》
地下水对基础（或建筑物底板）的浮力及对 地下结构的侧压力应按下列原则进行计算：地下 水的设防水位应取建筑物使用年限内（包括施工 期）可能产生的最高水位。
条文说明还规定：若勘察报告不提供最高水 位，则按室外地坪标高设计；计算浮力时，不考 虑地下室侧壁的摩擦作用及与岩土的粘滞作用； 除了有可靠的长期控制地下水的措施之外，不得 对地下水水头进行折减；结构基底面承受的水压 力应按全水头计算。
本试验是为了模拟地下建（构）筑物在 高水位地区所受地下水作用时浮力的大小 变化。
同一情况下的地下结构，只有在地下 水的水位发生变化时，浮力大小才会有所 改变。要在现场实现对水位变化的精确控 制是非常困难的，所以选择在室内进行试 验模拟。
试验方案
F
W
F土 F浮
模型结构明置
F
F摩
W
F摩
F土 F浮
模型结构埋置
具有稳定、可靠的优ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。
➢压重抗浮
压重抗浮就是用比重较大的材料堆压在结构上， 以有效地抵抗地下水的浮力。
对于单建地下结构，其全部埋置在地下，往往利 用上覆土体的方法达到抗浮的目的。但由于一些工 程对结构的标高要求严格，顶板距地面的高度不够 实施覆土抗浮；或者结构所受浮力太大，在上方压 重会对顶板提出更高的要求，这时也可在底板上适 当增加配重。
1.4
1.8
2.2
水位比h/ht
0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 2.2
水位比h/h理
中砂地基 37.1%
模型顶上有约束
反力增量： N 位移/mm
250
1.6
200
预加力91.6N
预加力117.4N
150
预加力148.9N
深圳阳光花园地下室上浮事故
•
为全埋的单建式地下一层人防工程，长48.9m，
宽21.5m，结构设计抗浮方式主要为压重抗浮。该工
程所处地原为填海造地滩涂，常年地下水位较高。
• 该地下室于1999年4月18日开始开挖基坑并用井 点降水，8月13日地下室主体结构施工完毕，8月21日 基坑土方回填。
• 施工单位在未采取其它抗浮措施的情况下，于8月 23日停止降水，4天后南侧上浮6cm，数天后又回落 至3.5cm；后因大雨，地下结构整体上浮倾斜（南侧 上浮达68cm，北侧上浮13cm），并造成回填土塌陷， 外墙柔性防水层接脱落，严重影响结构的整体使功能。
厦门世贸中心地下室上浮事故
采用人工挖孔桩和箱形地下 室基础，地下室部分为地下3 层，埋深14m，上部有塔楼 及周边的裙楼，局部地方无 裙楼。2000年8月完成裙楼主 体结构施工，10月底完成地 下室基坑回填，四周停止降 水 -> 半个月后进行沉降观测 未发现异常，一个月后在无 裙楼的部分地段出现地下室 楼板裂缝现象，后在其它部 位发现不同程度的裂缝。三 个月后系统观测沉降时发现， 位于无裙楼区的地下室发生 上浮，最大上浮达149mm， 与主体结构连接处出现裂缝。
0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
水位比h/ht
模型顶上有约束
反力增量/N 位移/mm
300 250 200 150 100
50 0 0.2
1.4
预加力108.8N 预加力125.1N
1.2
1.0
预加力125.1N
0.8
预加力108.8N
0.6
0.4
0.2
0.0
0.6
1.0
地下结构抗浮设计
地下结构上浮事故实例 地下结构抗浮设计规范 地下水浮力模型试验 地下结构抗浮设防水位 抗拔桩承载力的计算
一、地下结构上浮事故实例
•
• 随着我国经济快速发展, 城市地下空间 开发和地下轨道交通建设日益增多。当地 下结构基础底面处于地下水位以下时，它 们在施工、使用阶段将不可避免地要承受 地下水的浮力作用。
➢试验模型示意图
5 43
6
350
7
8
9
10
1000
700 1200
１．模型池 ２．水位管 1 ３．角钢支架 ４．力传感器 2 ５．位移计 ６．调节螺栓 ７．结构模型 ８．土样 ９．透水碎石 10．排水孔
➢试验模型照片
➢饱和土样制备
• 中砂（透水性好） • 分层压实后用水浸泡7天
• 孔隙率n=28.3%、37.1%（2组）
1995年5月污水处理厂主体基本完工，6月当地连降暴雨，降水量 达到400mm。当时构筑物周围基坑尚有部分未回填。由于未采取有效 的排水措施，致使基坑内积满水，数日后两池的底板上拱开裂。
后经事故分析，由于当时的地质勘探是在旱季进行，地下室水位 偏低，不能反映雨季的情况，致使结构设计中的上浮荷载取值偏小， 底板配筋不足，从而导致在地下水位及浮力突然增加后，底板开裂。
➢国家《建筑地基基础设计规范》
（GB5007-2002）
当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下结 构存在上浮问题时， 尚应进行抗浮计算。
但地下水位和浮力计算方法没有明确规定。
➢《给水排水工程构筑物结构设计规范》
（GB50069-2002）
地表水或地下水对结构作用的浮托力，其标 准值应按最高水位确定，并应按下式计算：
海口某商场地下室上浮事故
该商场为地上4层，地下2层的框架结构，筏板基础，基底面标高11.2m，地下室顶板面-0.5m，地下室全高10.7m。
工程于1994年春完成地下室主体结构，后因故延至1996年夏才做完外 防水。在尚未完成回填的情况下，有关单位为防止地下室进水，将其所 有的进出口和预留孔进行了严密封堵。1996年9月20日，强热带风暴侵袭 海口，潮位上涨，地下室顶板浸水深度约50cm。体积达3万立方米的地 下室在封闭后犹如一个空箱，在地下水浮力的作用下，21日凌晨上浮高 出地面5~6m。
压重抗浮不仅方法简单，易于操作，而且造价低 廉，所以在很多单建地下工程或者浮力事故处理的 工程中得到应用。
➢降、排、截水抗浮
利用降低地下水的水位，使结构底板以上没有 地下水或者地下水位很低，不足以引起对结构的 浮力破坏来达到抗浮的目的。
目前主要应用在那些自重可以克服浮力但施工 未完成的工程。如：高层建筑在完成地下部分的 施工而上部还未建造时，结构自重不足以抵抗地 下浮力，往往就采用一些降、排、截水的措施。
➢抗浮锚杆(索)
抗浮锚杆（索）是一种受拉杆件，它的一 端与结构物相连，另一端则锚固在稳定的岩 层或土层中，利用本身材料的抗拉来抵抗地 下水对结构物向上作用的浮力。
锚杆（索）抗浮具有施工方便，造价低廉， 工期相对短的优点，缺点是长时期的使用会 存在应力松驰及腐蚀问题。
➢抗拔桩抗浮
抗拔桩主要是利用桩与周围土体的摩擦 力及自身的重量来为结构提供约束作用， 以阻止结构上浮。比较常用的是钻孔灌注 摩擦桩；随着施工工艺的提高，也有人使 用预应力管桩作为抗浮（拔）桩。
ht (W自重 W附加 ) / w A
6
4
n= 37.1%时空模型上浮 n=28.3%时空模型上浮 n=28.3%时配重后上浮
位移/mm
自重：217.6N 配重：80.0N
2
0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
水位比h/ht
10
位移/mm
8
n= 37.1%时空模型上浮
6
厦门世贸中心远景
结构的破坏形式小结
• 构件破坏：如底板拱起、地下室结构裂缝、柱子 破坏等。