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摘要：本文結(jié)合理論、規(guī)范和工程實例，分析在地下水作用下高層結(jié)構(gòu)中地下室所受浮力的成因和一般規(guī)律，提出了抗浮驗算的基本內(nèi)容和基本原則，以及具體的驗算方法，可供廣大工程技術人員參考。

關鍵詞：高層結(jié)構(gòu)；地下室；抗浮驗算

引言

實際工程中，很多地下室未進行抗浮驗算，給結(jié)構(gòu)留下重大的隱患。一九九八年，武漢遭受特大洪水侵襲，導致多個地下室發(fā)生不同程度的損壞。筆者結(jié)合多年的工作經(jīng)驗，對如何進行抗浮驗算提出自己的看法，供大家參考。

一、地下水的類型和滲透性

（一）上層滯水

上層滯水是指埋藏在地表淺處，局部隔水透鏡體的上部，且具有自由水面的地下水。它的分布范圍有限，其來源主要是由大氣降水補給。因此，它的動態(tài)變化，與氣候、隔水透鏡體厚度及分布范圍等因素有關。

上層滯水地帶只有在融雪后或大量降水時才能聚集較多的水，因而只能被作為季節(jié)性的或臨時性的水源。

（二）潛水

埋藏在地表以下第一穩(wěn)定隔水層以上的具有自由水面的地下水稱為潛水。潛水一般埋藏在第四紀松軟沉積層及基巖的風化層中。

潛水直接受雨水滲透或河流滲入土中而得到補給，同時也直接由于蒸發(fā)或流入河流而排泄，它的分布區(qū)與補給區(qū)是一致的。因此，潛水水位變化，直接受氣候條件變化的影響。

（三）承壓水

承壓水是指充滿于兩個穩(wěn)定隔水層之間的含水層中的地下水。它承受一定的靜水壓力。在地面打井至承壓水層時，水便在井中上升甚至噴出地表，形成所謂上升泉水。由于承壓水的上面存在隔水頂板的作用，它的埋藏區(qū)與地表補給區(qū)不一致。因此，承壓水的動態(tài)變化，受局部氣候因素影響不明顯。

土透水性的強弱一般由土的滲透系數(shù)反映。一般認為，在工程中滲透系數(shù)≤10-5cm/sec時，土具有不透水性，密實的粘性土一般能滿足上述要求。具體工程中，應以勘察報告為準。

二、地下水產(chǎn)生浮力的條件

存在于土中的液態(tài)水可分為結(jié)合水和自由水兩類，結(jié)合水與土粒表面牢固地粘結(jié)在一起，不能自由移動，不能傳遞壓力，因此，它不含對土粒產(chǎn)生浮力。自由水在土粒影響范圍以外，能傳遞靜力壓力，有溶解能力。其中的重力水可以自由運動，對土粒有浮力作用

因此，只有地下室底板下有重力水，且水位高于地下室底板時，地下室才會受到浮力。當?shù)叵滤缓艿?，在地下室底板以下或上層滯水水位較高，在地下室底板處以上時，地下室不會受到浮力，即使地下室底板周圍有地下水，但四周均有不透水土層隔離時，也不會產(chǎn)生浮力。

三、地下室在浮力作用下的應力狀態(tài)

建筑物通過地下室將荷載作用于地基上，地基土產(chǎn)生反力，在正常狀態(tài)下，兩者保持平衡，結(jié)構(gòu)荷載=基底反力。

當?shù)叵滤坏纳仙叵率业装瀹a(chǎn)生浮力，地基反力減小，根據(jù)力學平衡條件，結(jié)構(gòu)荷載=基底反力+浮力。

隨著浮力的增大，基底反力逐漸減小，當浮力＜結(jié)構(gòu)荷載時，結(jié)構(gòu)抗浮滿足要求。當浮力繼續(xù)增大，直至等于大于結(jié)構(gòu)荷載時，基底反力等于零，地下室的結(jié)構(gòu)抗浮不滿足要求，需采取其它措施。

四、高層結(jié)構(gòu)的抗浮驗算

高層結(jié)構(gòu)的周圍一般有較低的裙房，當兩者作為一個整體驗算時，高層部分的結(jié)構(gòu)荷載大，基底反力仍然存在，而較低的裙房結(jié)構(gòu)荷載小，基底反力可能為零，甚至存在向上的多余浮力。因此，當裙房為非對稱布置時，整體結(jié)構(gòu)的抗傾震驗算也是重點。

除驗算整體抗浮外，較低的部分還需進行局部抗浮驗算。在浮力的作用下，裙房地下室的受力發(fā)生很大的變化，跨度變大，有時甚至成為懸臂結(jié)構(gòu)，因此，局部抗浮不能忽略。

五、地下室抗浮驗算的基本原則

（一）不考慮水浮力的情況

地下建筑物埋于不透水層，周邊填土為密實的不透水土，當場地無積水時，可不考慮水的浮力作用。

（二）地下水最高水位的確定

在計算浮力時，地下水最高水位對浮力的大小起著關鍵作用，其取值原則如下：

①若有長期水文觀測資料或歷史水位記錄時，浮力的計算可取歷史最高水位；若無長期水文觀測資料或歷史水位記錄時，可采用中水期最高穩(wěn)定水位。

②場地有承壓水且承壓水與潛水有水力聯(lián)系時，應按承壓水和潛水的混合最高水位計算。

③在無動水壓力及承壓水時，最高水位不宜超過地下室頂板面標高。

（三）特殊情況下浮力的計算

①對處于斜板上的地下室或其他可能產(chǎn)生明顯水頭差的場地上的地下室，應考慮地下水滲流在地下室底板產(chǎn)生的非均布荷載對地下室底板的影響。

②地下室在穩(wěn)定地下水位作用下，浮力按靜水壓力計算，臨時高水位作用下的浮力，在粘性土地基中可適當折減，折減系數(shù)由勘察部門提出，在砂土不折減。

（四）具體計算中相關的系數(shù)取值

①抗浮穩(wěn)定驗算時，地下室結(jié)構(gòu)自重及頂板上覆土重（有效重度）以其標準值乘以分項系數(shù)0.9，水浮力的分項系數(shù)取1.0。水的浮托力為10kN/m3×hw1×1.0。

②地下室底板混凝土構(gòu)件承載力計算時，水浮力的分項系數(shù)取1.35，水的浮托力為10kN/m3×hw2×1.35。

式中：hw1—地下室頂板而標高至底板底標高的高度；

hw2—室外場地整平標高至地下室底板底標高的高度。

③單樁抗拔計算時，樁側(cè)表面抗拔側(cè)阻力取相應的抗拔壓側(cè)阻力乘以抗拔系數(shù)λ。抗拔系數(shù)λ的取值參見JGJ94-94表5.2.18-2砂土λ=0.50～0.70，粘性土、粉土λ=0.70～0.80，樁長L與樁徑d之比小于20時，λ取較小值。

④抗拔樁配筋應按GB50010-2002規(guī)范軸心受拉構(gòu)件驗算裂縫寬度不大于0.2mm。

六、抗浮不滿足時的處理措施

當?shù)叵率业目垢◎炈悴粷M足時，必須滿足相應的措施，這些措施必須根據(jù)當?shù)睾凸こ虒嶋H情況，滿足安全、經(jīng)濟和施工簡便的要求，常用的處理措施有：

第一，當持力層為不透水層時，用不透水土回填地下室四周，并采取措施，防止場地積水，根據(jù)規(guī)范要求，地下室不需考慮浮力作用。

第二，加大地下室上部覆土的厚度，當厚度不能增加時，也可以采用上部壓重，以滿足抗浮要求。

第三，加大地下室底板的挑出長度。采取這一措施時，地基梁的受力將有很大的變化，需進行復核。

第四，在底板下加抗浮樁或錨桿，采取這一措施時，需驗算結(jié)構(gòu)處于正常狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力和變形。

七、工程實例分析

筆者接觸一個工程實例，一幢商住樓，上部15層，下部地下層1層，地下室作為停車場，為滿足結(jié)構(gòu)的整體抗傾覆要求，地下室向一側(cè)擴大，基礎采用筏板基礎（梁板式），埋深6米。由于地下室的擴大部分抗浮驗算不滿足，設計人員在相應的柱下加人工挖孔樁，達到相關抗浮要求。但在正常使用的情況下人工挖孔樁會產(chǎn)生很多的隱患，首先，基礎一部分采用筏板基礎，而一部分采用樁基加筏板基礎，不符合規(guī)范的要求；其次，高層部分未加樁，為天然地基，而很低的部分下加樁基，如此輕重倒置，必然引起高低部分的不均勻沉降，引起嚴重的后果。后來，抗拔樁取消，采取其它方案達到抗浮的要求。

另外在施工期間應采取可靠措施，防止基坑內(nèi)積水，使用中應采取措施防止場地積水，這既減少了浮力，對持力層的承載力也有好處。

結(jié)語

隨著我國工程建設的發(fā)展，高層建筑越來越多，高層結(jié)構(gòu)中一般都有地下室甚至多層地下室，為地下水位較高時，所受的浮力很大，而我國現(xiàn)行的國家地基規(guī)范中，并無相關的抗浮驗算要求，因此，在正常使用下（即無地下水時）下對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響，這必須引起足夠的注意，采取必要措施。

參考文獻

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