地下室抗浮设计中的几个问题讨论

1、地下室抗浮设计中的几个问题讨论(一)湖南省建筑设计院 刘冬柏 王璇 原版本已进行修改，重新发表于湖南勘察设计2010年第2期摘要：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3

2、50mm，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

3、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50×100m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

4、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

5、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

6、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，

7、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

8、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。引起地下室上浮的原因是地下水浮力大于建筑物当时的上部荷重，造成这种情况可能是设计上的疏失，也可能是施工的大意。例如，设计人员忽视了大体积地下室主体建筑外上部荷重较轻的受力单元的浮力验算或浮力的设计地下水位标高取值有误；施工过程太早停止人工降低地下水的措施，地下室回填土的回填质量太差无法形成有效摩擦力或施工场地排水不畅地表水倒灌等是地下室发生上浮事故的主要原因。因此，对于地下室上浮事故应仔细分析其原因，并针对性采取相应的应急处理措施与技术处理措施，以最大程度减小其对结构造成的不利影响。 一、地下室

9、上浮的工程实例分析 某工程为人工挖孔桩和箱形地下室基础，地下室埋深14.00m，长150.00m，宽71.50m（局部99.85m）；上部建筑为框剪结构，包括五层裙楼和双塔楼 （A区主塔楼39层，D区塔楼24层）；E区部位只有地下室，没有裙楼。工程完工后进行系统沉降观测时，发现-0.05m板上浮，最大点达149mm，位于E区；此时在E，C区段一些近柱边的框架梁端出现上宽下窄的贯穿性结构裂缝。通过分析，认为地下室上浮工程事故的主要原因有： 1设计抗浮力取值小于工程场地实际。本工程设计对地下水位高度估计不足，对基础局部抗浮未考虑及未提出施工控制要求，是本工程地下室在施工阶段上浮的主要原因。事后经实

10、测地下水最大水头大于12.00m，并经复核地下室底板水压达138.5kN/m2；而上浮波及的E区和C区段地下室单桩基础直径为1000mm1200mm，长度为12m20m，布桩间距为9000mm×9000mm的人工挖孔钢筋混凝土桩基，不可能承受差距极大的抗拔力（原设计为承受建筑物上部竖向下传荷载）。 2设计未考虑基础地下室结构局部抗浮受力差异。上部建筑高低悬殊，甚至同体地下室局部区段无上部建筑，造成上部建筑结构竖向荷载重心与地下室底板平面形心不重合，基底作用力（地基反力，包括浮力）对地下室底板的荷载分布不均。地下室上浮差值最大达138mm，地下室局部结构强度不足以抗拒，导致混凝土梁板开

11、裂；在上浮最大区段正是位于无裙楼部位，裂缝情况也最严重。 3施工组织抗浮防范意识不强。工程施工在地下室回填后即停止了降水，地下水位恢复，又因其他原因暂时停止施工，并未作沉降观测，以致发现混凝土结构出现裂缝，仍未觉察是地下室上浮所致。滞后近2个月才认识到事故原因，未能在第一时间内采取有效措施，加剧了本工程地下室和裙楼数层混凝土结构构件裂缝发展程度，增加了结构裂缝补强的工程量。 二、地下室上浮的应急处理措施 发生地下室上浮事故，首先应尽快采取措施增加压重和降低地下水位，减少水浮力，停止地下室的上浮趋势，其次应分析地下室上浮是否造成建筑结构的破坏，破坏的程度是否可以修复，根据大部分上浮案例的分析结果

12、证明，由于地下室上浮是一种趋势发展，上浮变形较缓慢，上浮对结构的破坏大部分是可修复的。在结构仍可使用的前提下，就要想办法使上浮的地下室压回原位，最直接的方法是迅速增加结构物的重量。若此方法失败，则须设法消除作用于底板水浮力，或者进一步清除底板下方的淤泥及侧壁的土壤常用的处理方式不外乎加载、抽水、解压或洗砂等数种。处理方式可视现场实际状况，单独使用或数种并用皆可，其处理原则是要使上浮的建筑物适度下沉，以利后续上部结构的施工。因地下室常因卡在土中和受底板下方淤积的泥砂影响，上浮的建筑物很难使其回沉至原始高程，经现场处理后残留的上浮量可能须变更建筑设计或依赖后续施工进行修正，而底板下方的空隙则以灌注

13、水泥沙浆的方式补实，几种常用处理措施如下： 1加载。加载即是设法快速增加地下室的重量，以克服水浮力及地下室侧墙与土壤间的摩擦力，使卡在土层中的地下室可沉回原位。简单的加载方式可于一楼楼板上堆置重物，包括钢筋或尚未运离现场之支撑、钢板桩等有份量的物品，主要放置于翘起的角落，但要注意核算楼板的承载能力。另一种快速加载的方法则是直接往地下室灌水，利用水重加压。但加载并不保证能达到所需的效果，增加的载重或许能克服水浮力及侧墙与土壤间的摩擦力，但淤积于底板与基地土之间的泥砂则阻止地下室下沉。继续增加载重只会使淤积的泥砂更紧密，进一步的下沉则难以发生。 2抽水。地下室上浮乃因地下水位过高所引起，因此可于现

14、场重行启动原有的抽水井或另行打设抽水井以降低水压。但因地下室上浮后常卡在地层中，仅将地下水位降低并不足以令地下室下沉，须配合加载或洗砂等措施始能见效。但抽水的确是处理地下室上浮的基本动作，消灭上浮的动力后其他配套动作方可达到事半功倍的效果。 3解压。某些上浮的案例因地层特性或场地限制以致无法抽水，此时蓄积于基础底板下方的地下水压可藉解压孔消除。所谓解压孔即是于地下室底板以钻机或破碎机凿孔，底板下方的地下水即可由此宣泄。某些运气较好的案例上浮的地下室在底板解压后即回沉至可接受的程度，否则仍须采用加载或洗砂等配套措施。此外若上浮的地下室外侧有足够使用之空地，可考虑将周边土塌方部份挖除，如此可自行解

15、除作用于地下室侧墙的摩擦力，使地下室较易于下沉。 4洗砂。若抽水、解压及加载等较简单的补救措施无法达到预期的效果，则可考虑进行洗砂作业。洗砂的方法有二，一是利用高压水扰动地下室侧墙边的土壤，以降低其摩擦阻力，但扰动后的土可能顺势流入底板下方，造成底板下方淤泥沉积众多，反而不利于后续作业，采用侧壁洗砂须加倍谨慎。洗砂的另一方法则是利用高压水经由洗砂孔冲散并洗出基础底板下方淤积之泥砂，使地下室得以顺利下沉。洗砂作业前须先评估底板下方泥砂淤积的范围，并于该范围内选取数个或十数个适当位置，凿穿基础底板作为洗砂孔。洗砂作业另须使用污水马达抽除洗出的泥水，其配置方式是在基础底板凿出开孔，或利用已凿出之洗砂孔，放入污水马达抽除以高压水由侧壁或底板下方洗出的泥砂、洗砂作业须有耐心，持续作业可观察到地下室稳定而缓慢的下沉。 三、地下室上浮的技术处理措施 地下室发生上浮后，应采取有效应急措施尽快控制地下室的上浮趋势并使地下室基本恢复到原设计标高。但地下水不可能持续采用人工降低，临时压重也需拆除。因此，当经验算，建筑物的荷重不足于抵抗地下室所受的浮力或地下室局部受力单元的垂直荷重不足于抵抗浮力时，就必须采取抗浮技术措施。抗浮桩可能是建筑工程抗浮设计应用最广的技术措施。应该说所有的工