地下空間抗浮設(shè)計(jì)

摘要 近年來(lái)，隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，地下空間的開發(fā)利用成為發(fā)展的必然趨勢(shì)，地下建筑物越來(lái)越多，其抗浮問題也日益突出。本文討論了水浮力以及工程抗浮力的計(jì)算問題，分析了地下空間的抗浮設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 地下空間；抗浮設(shè)計(jì)；水浮力；抗浮錨桿

隨著我國(guó)改革開放的不斷深入，城市用地越來(lái)越緊張，城市地下空間的開發(fā)和利用日益得到政府部門的重視，許多城市利用廣場(chǎng)、綠地等建設(shè)地下工程，但是建設(shè)地下工程，都受到著地下水的浮力作用，如地下鐵道和隧道、地下商場(chǎng)、地下人行通道等地下工程都受到地下水浮力的作用，導(dǎo)致建筑底板破壞、梁柱節(jié)點(diǎn)處開裂及底板的破壞等。因此，工程的抗浮設(shè)計(jì)是否正確合理，直接關(guān)系到工程的安全可靠和工程造價(jià)，應(yīng)引起設(shè)計(jì)者的高度重視。

1 存在的問題

地下建筑的層數(shù)一般不高，但是建筑面積非常大，導(dǎo)致地下室處在地下水的浮力作用下，不能用自身重量來(lái)平衡這種浮力，導(dǎo)致地下建筑的頂板受到巨大力的作用，對(duì)于層數(shù)在3層以下或底板埋深＞7m的地下室來(lái)說，永久抗浮安全度往往不夠，導(dǎo)致地下室整體或局部上浮的工程事故時(shí)有發(fā)生，給國(guó)家和人民帶來(lái)了極大的損失，隨著地下空間的逐步利用，人們總結(jié)了出現(xiàn)這種問題的原因：

1）沒有考慮到地下水浮力的作用或沒有對(duì)水浮力作用機(jī)理有足夠的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致在建設(shè)地下工程時(shí)沒有做抗浮驗(yàn)算；

2）沒有做好施工現(xiàn)場(chǎng)的地下水勘察工作，導(dǎo)致抗浮設(shè)計(jì)中地下水水位的取值不當(dāng)，沒有考慮到極端天氣下出現(xiàn)的最高水位；

3）設(shè)計(jì)人員忽視了抗浮計(jì)算中的一些因素，導(dǎo)致抗浮措施不當(dāng)；

4）施工單位在地下工程建設(shè)過程中對(duì)于抗浮措施沒有引起足夠的重視。

2 地下工程抗浮措施的選擇

下水浮力的作用機(jī)理，可以采取配重法來(lái)平衡水浮力，這種方法簡(jiǎn)單有效，主要可以通過增加自身的重量來(lái)抵御水的浮力；工程上也采用設(shè)置抗浮樁的方法解決抗浮問題，其原理和配重法一樣，只不過設(shè)置抗浮樁是利用樁側(cè)面和土體的阻力來(lái)平衡浮力的。

對(duì)于配重法，適用范圍廣，可以將增加的重量設(shè)置在底板上，通過抗浮計(jì)算得到需要配置的重量，然后再底板上設(shè)置回填層，用土、砂、石等密度大的材料進(jìn)行回填，利用回填物的重量來(lái)增加地下工程的總體重量，達(dá)到抗浮的目的。有

時(shí)可以利用底板外挑部分回填一部分配重，達(dá)到增加自身重量的目的；對(duì)于底板為板柱或梁板結(jié)構(gòu)，可以利用底板柱帽或梁至地坪之間的空間設(shè)置回填土，這種方法可以解決地下工程抗浮問題，還可以作為底板的防水處理。綜上，配重法作為一種簡(jiǎn)單可行的方法，不受地理?xiàng)l件、施工環(huán)境的影響，不但可以降低造價(jià)，還可以解決抗浮問題，常常作為基本方法予以采用。

采用抗浮樁進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)，主要是利用抗浮樁側(cè)面與土體的摩擦來(lái)抵消地下水浮力的，抗浮樁的效果與樁長(zhǎng)、樁徑、樁型以及周圍的地質(zhì)條件都有很大的關(guān)系，因?yàn)橹圃炜垢�樁的造價(jià)高，所以一般使用在柱、墻下等抗浮面積較大、受環(huán)境條件、施工條件影響大的地方。

抗浮錨桿是利用錨桿與砂漿組成一個(gè)錨固體，保證錨固體和巖土層的結(jié)合力，可以提高地下建筑的抗浮能力�？垢″^桿具有造價(jià)低、施工方便、受力合理等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的用于地下空間抗浮施工。在實(shí)際施工中，施工人員要根據(jù)地下工程的結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)條件、浮力大小、施工條件和工期要求等因素確定采用何種抗浮措施。

3 地下工程的抗浮設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)流程

對(duì)于地下工程抗浮設(shè)計(jì)總原則，應(yīng)該滿足下式要求：

式中：W為地下建筑自重及其上作用的永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的總和；

F為地下水浮力。

當(dāng)?shù)叵陆ㄖ�自重及地面上作用永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的總和不滿足（1）式要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行地下建筑抗浮設(shè)計(jì)。

在具體設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)建筑物的地面上結(jié)構(gòu)外邊線與地下建筑外邊線基本重疊時(shí)，地下建筑的抗浮設(shè)計(jì)按以下原則進(jìn)行：

1）當(dāng)結(jié)構(gòu)重量大于地下水的浮力且滿足（1）式時(shí)，不必考慮地下水對(duì)地下建筑整體浮力作用，但應(yīng)在設(shè)計(jì)中提出施工中必須采取隔水或降水措施降低地下水位；

2）當(dāng)結(jié)構(gòu)重量小于地下水浮力時(shí)，地下建筑肯定要設(shè)置永久性抗浮構(gòu)件或采取其他有效措施以平衡地下水對(duì)整體結(jié)構(gòu)的浮力；

3）上述兩種情況還必須考慮地下水浮力對(duì)地下建筑底板的反向作用，保證地下建筑底板構(gòu)件在地下水反向作用下應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，并滿足構(gòu)件的上拱抗裂要求。

3.2 水浮力計(jì)算

一般情況下，水浮力可以由巖土工程勘察報(bào)告提供的用于計(jì)算地下水浮力的設(shè)計(jì)水位，根據(jù)阿基米德定律依照公式：

（2）

其中，V0為水浮力；F3為地下建筑重力；F4為覆土重力；A為承重地下水浮力作用的豎向受力單元的地下室柱網(wǎng)面積；F1為樁柱重力；F2為承臺(tái)重力；F5為±0.000以上主體垂直荷載。

若計(jì)算結(jié)果v＞0，則應(yīng)采取抗浮措施。在浮力計(jì)算過程中要注意：當(dāng)?shù)叵陆ㄖ�面積與上部主體結(jié)構(gòu)面積相同時(shí)，可簡(jiǎn)單比較地下建筑水浮力與建筑總荷載的關(guān)系，來(lái)判斷是否可能發(fā)生上��；當(dāng)?shù)叵陆ㄖ�面積大于上不主體建筑±0.000層面積時(shí)，或按裙房樓層比較浮力與建筑總荷載，浮力大于建筑總荷載時(shí)，應(yīng)以豎向受力構(gòu)件為單元分析浮力的平衡狀態(tài)。

3.3 抗浮設(shè)計(jì)

當(dāng)計(jì)算所得的浮力V>0時(shí)，應(yīng)采取抗浮措施，在選擇抗浮措施時(shí)，要做到經(jīng)濟(jì)合理，首先要分析工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，并分別區(qū)別施工階段和竣工后使用階段的不同情況。

1）施工階段的抗浮措施。地下建筑物若處于透水系數(shù)比較大的粉質(zhì)粘土、粉土、砂土中，由于正值施工期間，地下建筑的頂板和覆土尚未完成，此時(shí)底板和外墻已施工完成。在地下水的作用下，形成了水浮力，當(dāng)浮力不大時(shí)，可以利用排水明溝、集水井進(jìn)行排水，以減少水浮力；當(dāng)土質(zhì)的滲透系數(shù)大，應(yīng)在地下建筑底板中設(shè)置后澆帶，利用板下的墊石作為倒濾層，排除水后，直到地下建筑底板的水排干凈后，澆筑后澆帶的混凝土；

2）永久性抗浮措施。在上面提到利用配重法、抗浮樁法、抗浮錨桿等來(lái)平衡地下水浮力，工程中常用的永久性抗浮措施：抗浮錨桿，由于粘質(zhì)粉土、硬塑狀粘土或風(fēng)化基巖適宜鉆孔注漿，若地下建筑底板下是這些土層，可以利用注漿錨桿法�？垢″^桿具有良好的底層適應(yīng)性，易于施工，錨桿布置非常靈活，錨固效率高。由于其單向受力特點(diǎn)，抗拔力及預(yù)應(yīng)力易于控制，有利于建筑構(gòu)件的應(yīng)力與變形協(xié)調(diào)，降低結(jié)構(gòu)造價(jià)，在許多條件下，優(yōu)于配重法和抗浮樁法。

4 地下建筑上浮后處理措施

當(dāng)發(fā)生地下建筑上浮后，應(yīng)盡快采取措施增加配重和降低地下水水位，以減小水浮力，再檢查地下建筑上浮是否造成建筑結(jié)構(gòu)的破壞，破壞過程是否可以修復(fù)。常用的幾種地下建筑上浮處理方法：1）加載。設(shè)法迅速增加地下建筑的重量，以克服水浮力及地下建筑側(cè)墻與土體之間的摩擦力，使卡在土層中的地下建筑沉回原位；2）抽水�？梢栽诂F(xiàn)場(chǎng)重新啟動(dòng)原有的抽水井或另行打設(shè)抽水井以

降低水壓；3）解壓。在地下室底板上鉆孔，以宣泄地下水，此外如果地下建筑外側(cè)有足夠的場(chǎng)地，可以考慮將周邊塌方部分挖除，可以使地下建筑較易于下沉。

5 結(jié)論

地下室的抗浮設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)地下工程具體情況進(jìn)行認(rèn)真分析，正確計(jì)算水浮力與抗浮力，處理好工程整體抗浮與局部抗浮的關(guān)系，選擇合理的抗浮措施，既保證地下工程的安全，又節(jié)省投資。

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