地下室抗浮设计相关问题.doc

地下室抗浮设计中的几个问题讨论摘要：许多地下室因水浮力而导致结构整体上浮或地下室底板局部隆起，造成工程事故和经济损失。本文对这些工程事故产生的技术因素进行归纳总结，与同行共同探讨。主题词：地下室，整体抗浮，局部抗浮，传力途径，锚杆近几年来，有不少地下室因地下水的作用而造成工程事故，如某医院两层独立地下车库，在施工过程中出现整体上浮，最大上浮高度达到1.42m；又如，某体育中心游泳馆，地下室上浮造成上部结构梁、板、柱产生大量裂缝，有些构件丧失承载能力；再如，某高层建筑地下室底板局部隆起高达350mm，柱间板出现45破坏性裂缝诸如此类问题时有发生，造成了不良的社会影响和财产的损失。本文对这些事故的产生原因归纳总结成以下四个方面，与同行们共同讨论：一、抗浮设计基本概念在多个地下室因水浮力作用而引发的工程亊故中，发现有些设计人员对地下水的作用认识不足，抗浮设计的基本概念不够清晰，常见的有下列几种情况：1）重视地下室的梁、板、柱、墙的结构构件设计，忽视整体结构的抗浮验算分析，忽视施工中的抗浮措施，认为具有上万吨自重的地下室怎么会浮起来呢？2）地下室底板裂缝、漏水，甚至成为地下游泳池，把某些实质上是由于地下水的作用力远大于手里构件的设计荷载而造的工程事故，归咎于温度应力作用或砼施工质量。3）对于基底为不透水土层的地基（基岩、坚硬粘土），深基坑支护又采用了止水帷幕或桩、锚、喷射混凝土联合支护，忽视地表水可能引起的水浮力作用。试想万吨级以上大船能在江、河、海中航行，可见水的作用力之大。地下室底板和侧墙形成了一个密闭的空间，就像一条“船”，它的水浮力是它浸泡在水中的体积乘以水容重。例如，一个50100m的地下室，水位浸泡高度为5m，它的浮力为25000吨，而一般独立的两层混凝土地下室的结构自重约为15000吨，若不采用相应措施，必然上浮。地下室的抗浮设计就是要使这个船既不上浮，船身又不被破坏。因此，地下室的抗浮设计必须进行整体抗浮和局部抗浮验算。为防止地下室整体上浮，我们通常采用三类做法，“压”、“拉”和“压拉并举”。 “压”就是利用建筑的自重（包括结构自重、建筑装修、上部或四周覆土等，不含楼面活荷载）平衡地下室水的总浮力；“拉”就是设置抗拉桩、锚杆等，强制拉住建筑防止上浮；“压拉并举”就是利用建筑自重不能满足抗浮要求时增加“拉”的做法，即采用桩或锚杆等来抵抗地下水的浮力。无论是“压”还是“拉”的做法，除了对梁、板、墙、柱结构构件的强度、变形和裂缝验算外，还必须进行抗浮验算，保证压力或拉力大于水的上浮力，即满足静力平衡条件。抗浮验算中，应分别进行整体和局部抗浮验算。特别是对于大面积地下室，其上部建有多栋高层和低层建筑，建筑自重不均匀，当上部为高层或恒荷载较大时，该范围的压重较大，而上部没有建筑或建筑层数不多的范围，压重可能不能平衡水浮力的作用，因此应进行分区、分块的局部抗浮验算。然而，有些设计人员只对地下室底板的梁、板、墙在地下水浮力荷载作用下的进行强度、变形和裂缝计算，而缺失地下室的抗浮设计意识。虽然在一些无地下水的工程中未发生工程事故，但当有地下水作用的工程，地下水会给地下室结构带来严重破坏，且难以进行复原处理。又如，有些设计人员利用上部结构自重抗浮，只计算上部结构总自重标准值大于总的水浮力设计值，就认为抗浮设计满足要求，未分析其上部自重荷载的分布和抗浮力的传递途径，造成局部范围因抗浮压力或拉力小于水浮力，导致底板隆起，甚至造成地下室及上部结构构件大面积破坏。再如，在地下室底板计算中只验算强度不进行变形的裂缝宽度的计算，造成底板产生裂缝，漏水严重，形成“地下游泳池”。更值得一提的是，有些设计人员和施工人员对地表水作用认识不足，当地下室地基为不透水的岩层且支护严密的基坑，认为不存在水浮力，造成施工期间或使用期间地下室上浮破坏的盲点。此类基坑一旦暴雨来临，地面的地表水可能流入基坑，低洼场区或城区地下下水管道复杂的地段，极易形成“脚盆”效应，基坑成为“大脚盆”，地下室就是“小脚盆”。在施工过程中，若未及时，水的破坏力较之四周松散的土层的基坑更严重，因为水易进难出；另一方面，若对四周回填土的施工没有进行认真处理，不能形成止水带，在使用期间同样会产生“脚盆”效应。有些设计人员和施工人员对“脚盆”效应认识不足，设计图纸对施工时抗浮措施的要求只字不提，施工人员在施工过程中不关注降水或在抗浮结构未达到设计预定目标时就停止降水，该类地下室上浮事件在南方地区时有发生。产生上述现象的主要原因，除缺乏经验外，主要是对我国现行的技术规范，规定还不熟悉。例如地下室防水技术规范在第10章中明确规定了，“明挖法地下室防水施工时，地下水位应降至工程底部最低高程500mm以下，降水作用应持续至回填完毕”。 建设部建筑工程设计文件编制深度规定的第4.4.3条第8款中，规定了“地下室抗浮（防水）设计水位及抗浮措施，施工期间的降水要求及终止降水的条件等；”应在结构设计说明中明示，这些规定是经验的总结，我们应该按照相关规定做好地下室的抗浮设计和施工的抗浮措施。二、地下室抗浮水位的确定 有些勘察单位提供的勘察报告对地下室的抗浮水位阐述不严谨，设计人员又缺乏对勘察报告的认真研读和分析，表现出如下四种情况的随意性：1、勘察报告未明确抗浮水位，只描述钻孔的可见水位，设计人员凭需要定抗浮水位。2、临近江河且建筑场地土层具有透水性，按一般场地提出抗浮水位，未考虑设计基准期内江河最高洪水位的影响。3、根据业主节约投资的需要或改变原设计意图新增地下室，既不进行补充勘察，又不分析场地地下水文地质条件，随意确定抗浮水位，严重缺乏设计依据。4、建筑场地为坡地时，勘测报告只提供了整个场区的抗浮水位，对场区内的某些单体建筑地下室抗浮水位的取值出现远高于建筑设计的地坪标高现象，设计人员也不进行分析，照搬整个场区的抗浮水位进行地下室抗浮设计，造成极大浪费。以上四种情况中，前三种，在一些实际工程中因抗浮能力不够而导致地下结构及上部结构的破坏，影响结构安全，最后一种因选择抗浮水位不合理，导致了工程投资增大和资源浪费。地下室抗浮水位是一个复杂的问题，场地土层差异性，场地地下水复杂多变性，给地下室抗浮水位的确定带来了较大困难，但抗浮水位又是地下室抗浮设计中一个重要的参数。究竟如何做到既安全又合理的确定？勘察、设计人员应遵照岩土工程勘察规范（GB 50021）及高层建筑岩土工程勘察规程（JGJ 722004）的相关规定进行勘察和分析。高层建筑岩土工程勘察规程第8.6.2条对场地地下水抗浮设防水位的综合确定明确规定如下：1、当有长期水位观测资料时，场地抗浮设防水位可用实测最高水位，无长期水位观察资料时，应按勘察期间实测最高水位并结合场地地形地貌、地下水补给、排泄条件等因素综合确定。2、场地有承压水且与潜水有水力联系时，应实测承压水位并考虑其对抗浮设防水位的影响。3、只考虑施工期间的抗浮设防时，抗浮设防水位可按一个水文年的最高水位确定。除参照相关规定外，对于下列一些特殊情况还应进行必要的分析和论证：一是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，应进行专门论证；二是对于斜坡地段的地下室或可能产生明显水头差的场地上的地下室进行抗浮设计时，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结构的影响，不要笼统的采用勘察报告所提供的远高于室外地坪的地下室抗浮水位来进行设计。水往低处流，若建筑物一侧或多侧是敞开的，可以通过建筑排水构造措施将地下水引出采用直接排放，水浮力是不可能高出室外地坪的；三是在有水头压差的江、河岸边，且存在透水层，应按设计基准期的最高洪水位来确定其抗浮水位，以确保设计使用年限内可能出现的最不利情况时的建筑结构安全；四是对于雨水丰富的南方地区，尤其应注意因地面标高发生变化后，对原勘察报告抗浮水位的修正，考虑地表水聚集效应引起的地下室抗浮水位的提高，合理进行抗浮设计。三、抗浮验算的几个参数讨论 水浮力的分项系数、抵抗力的分项系、抗浮锚杆钢筋抗拉工作条件系数、抗拉设计强度等相关参数如何取值，是目前在建筑地下室抗浮设计中值得探讨的问题。1.我国不同规范对水浮力和抵抗力的分项系数有不同的取值，造成设计人员分项系数取值时的依据不足。荷载规范中第3.2.5条规定，永久荷载的分项系数G作为抵抗水浮力的结构自重，该值在建筑结构荷载规范2001版中明确取0.9，但在2006版中取消0.9的提法。作为可变荷载的水浮力，其分项系数Q应如何取值呢？在荷载规范中第3.2.5条中，“对结构倾覆、滑移和漂浮验算，荷载的分项系数应按有关结构设计规范的规定采用”。在查阅相关的结构设计规范中，民用建筑地下室及人民防空地下室均未涉及到此项内容，只有给排水工程构筑物结构设计规范GB50069提到了对有关的荷载分项系数问题。 给排水工程构筑物结构设计规范GB50069-2002第5.2.2条和5.2.3条中比较清楚的表述了，对于抗浮结构的设计，地表水或地下水作用应是第一可变荷载，在进行结构构件的强度计算时，它的分项系数取为1.27；即，在结构构件的强度计算时，结构有利组合时抗力的分项系数取1.0，水浮力的基本组合设计值为标准值乘上1.27。当计算整体抗浮的稳定性时，抵抗力只计入永久荷载，水浮力采用标准值乘以抗力系数Ks（取1.05）。但其水浮力的作用和结构的受力性能应是相似的。在相关规范还没有做出明确规定之前，此规范的相关参数值得借鉴。但对地下水丰富且水文地质条件复杂的地下室，笔者基于民用建筑地下室和给排水构筑物在使用功能上毕竟存在着差异，前者是涉及到人们的生命财产安全，后者涉及到生产工艺和使用，故建议按荷载规范中的永久荷载和可变荷载的方法来确定分项系数。根据建筑结构荷载规范第3.1.1条的条文说明，“按工程结构可靠度统一标准GB50153的规定，水位不变的水压力按永久荷载考虑，水位变化的水压力按可变荷载考虑”，是否可以理解为当抗浮水位平室外地坪时，水压力是不可能再增加了，视为不变的水压力。加之，在验算抗浮时，水浮力为主要可变荷载效应来控制的组合，它的分项系数宜取1.20；当抗浮水位低于室外地坪，水压力有可能再增加，视为可变荷载，它的分项系数宜取为1.4，抗力的荷载系数为1.0。2.锚杆钢筋截面计算抗浮锚杆设计时，锚杆钢筋截面面积计算现行的相关规范计算方法不尽统一，因此，设计中经常出现两种不同的设计计算公式。第一种，采用钢筋混凝土结构设计规范正截面受拉承载力计算公式： 第二种，采用建筑边坡工程技术规范中，锚杆钢筋截面面积的计算公式： 从两个公式中，我们可以看出：钢筋强度是一致的；但建筑边坡工程技术规范公式中多了两个系数，一是边坡工程重要性系数0，一般均取1.0，在本文中不作讨论，二是锚杆钢筋的抗拉工作条件系数2，规范规定：永久性锚杆取0.69。上述两个不同公式计算得出的锚杆钢筋截面面积相差1.45倍。更值得一提的是，抗浮锚杆属轴心受拉构件且锚杆断面不宜太大，故希望锚杆钢筋的直径大、抗拉强度高，按规范4.2.3-1表注中明确的取值要求，“在钢筋混凝土结构中，轴心受拉和小偏心受拉构件的钢筋抗拉强度设计值大于300N/mm2时，仍应按300N/mm2取用”。设计人员采用不同的计算公式，再加之对规范理解的不同，计算出的锚杆钢筋截面面积可相差1.74倍，例如：有些设计人员采用钢筋混凝土结构设计规范正截面受拉承载力计算公式，计算HRB400级钢筋时，又不按规范中要求钢筋强度仍取fy=360N/mm2。而有些设计人员采用建筑边坡技术规范锚杆钢筋截面计算公式，工作条件系数2取0.69，HRB400钢筋的抗拉强度又取300 N/mm2，锚杆钢筋的计算面积相差1.74倍，这是值得我们探讨和研究的。从抗浮锚杆的工作条件，参照建筑边坡工程技术规范的计算公式，并无道理，但抗浮锚杆的成孔、构造及受力特点较之边坡锚杆要稳定得多，如清孔形式固定，锚杆砼强度必须为C30、构件受力主要为受拉等，笔者认为采用钢筋混凝土结构设计规范较为接近构件的受力特征。在锚杆钢筋截面的计算中，建议按钢筋混凝土结构设计规范的正截面受拉承载力计算的公式，但钢筋的取值应该按轴心受拉和小偏心受拉构件的钢筋抗拉强度设计值计算，这样显得较为合理。四、锚杆抗浮验算传力途径 在目前的地下室采用锚杆抗浮设计中，有下列2种混乱的方法： 1）上部建筑结构荷重不满足整体抗浮要求，采用锚杆抗浮。其计算方法为：总的水浮力设计值/单根锚杆设计值所需锚杆根数。具体做法：底板下（连柱底或砼墙下）满铺锚杆，水浮力全部由锚杆承担，既不考虑上部建筑自重，也不考虑地下室底板自重可抵抗水浮力的作用。 2）利用上部结构自重加锚杆共同抗浮，其计算方法为：（总的水浮力设计值底板及上部结构自重标准值）/单根锚杆设计值所需锚杆根数。具体做法：将锚杆均匀分布在底板下（连柱底或砼墙下），锚杆间距用底部面积除所需锚杆根数确定。 从理论上说，不管采用“压”还是“拉”的方法抵抗水浮力，水的浮力是均匀作用在底板上，而结构抗浮力作用（除底板自重外）都具有不均匀性，并不是在整个地下室底板区域均匀分布的，可能是集中在一个点上（即柱、桩和锚杆）或一条线上（即墙、梁），因此，分析其传力途径尤为重要。柱间板底的水浮力先传至板，板再传至梁，梁再传至柱，形成抗浮力的结构体系。如上述第一种做法，上部结构自重未充分利用，特别是底板上的自重是可以直接抵抗水浮力的，上部的恒荷载若设计得当，梁和柱间一定范围内，可以不设置锚杆，通过梁、柱传递的建筑自重来平衡水浮力；第二种做法，忽略了结构自重抗浮力作用（除底板自重外）是集中在一个点（即柱、桩和锚杆）或一条线（即墙、梁）上的，要达到该方法的假定，底板、底板梁必须满足一定刚度和强度，才有可能将点线作用力传递到底板上，与均匀分布的水浮力平衡，但一般设计中我们的设计人员很少对其进行传力途径的分析。如图所示，由于与柱、墙相连的梁板一定范围内具有一定的刚度，水浮力可直接与上部结构自重平衡，而远离梁、柱、桩、墙的板自重很难用自重平衡，因此自重与水浮力平衡可分成两种区域计算：柱、墙影响区域和纯