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浅析房屋建筑地下室结构抗浮设计
作者：曹江才
来源：《科学与财富》2013年第02期
摘要：抗浮是地下室设计过程非常重要的一部分，如何解决地下室的抗浮问题已经成为一个经常面临的问题，引起建筑结构设计师的广泛关注。地下室的抗浮一旦处理不当将直接影响建筑的安全性。本文结合笔者多年房屋建筑工程设计实践，详细对地下室的抗浮设计进行了探讨。
关键词：地下室 抗浮设计 房屋建筑 1、引言
随着城市建设的快速发展，地下室得到了广泛的开发和利用。地下室不得不面临的问题就是抗浮问题，尤其埋深较大的地下室。因为浮力的存在，会对地下结构及上部结构产生破坏，地下建筑物整体不均匀浮起，导致梁柱节点处开裂和底板破坏以及建筑物的倾斜等，如不进行抗浮设计，将给结构留下安全隐患。因此，地下室的抗浮设计不容忽视。 2、地下室的抗浮设计分为三种情况
2.1地下室施工完毕后便停止降水，这时即便地上结构层数较多，但因上部结构还没有施工，地下室的自重无法抵抗地下水的浮力。这种情况下应对地下室进行施工阶段的抗浮验算，并采取相关的抗浮措施。
2.2地下水位较高，且地下室埋深较大、地上结构层数较少。这种情况下，结构的自重无法抵抗地下水的浮力，需对整体结构进行抗浮验算。
2.3本身的自重可以抵抗地下水的浮力，但是地下室底板也需进行抗浮设计。 3、地下室抗浮水位的合理选取
设防水位的确定对建筑物的安全和业主的投资有较大的影响。较多文献已指出岩土地基中的地下水浮力的确定，不能简单按静水压力公式计算，即地下水的水压力在垂直方向上并非随深度增加而线性增加。从《岩土工程手册》的规定中可以看出建筑物基础位于不同持力层时，浮力计算有差别。当位于粉土、粘土、砂土、 碎石土和节理裂缝发育的岩石地基时 ，由于地层的透水性好，水浮力不应折减，而位于节理裂隙不发育的岩石地基时，甚至工程底板与岩石密贴时，可考虑水浮力的折减，甚至不考虑水浮力的作用。当建筑物位于黏土地基时，其浮力较难准确确定，应结合地区的实际经验考虑。
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根据勘察单位提供的岩土工程勘察报告，确定地下室抗浮设防水位时，应根据设计规范中确定的原则：防水要求严格的地下室，其设防水位可按历年最高地下水位；对防水要求不严格的地下室其设防水位可参照近3～5年最高水位及勘查时的实测静止地下水位。
由此，如何合理确定抗浮水位的取值，应根据工程的特点、地理环境、地质情况及场地条件等因素，还有工程勘察报告中提供场区历年最高水位和近年的最高地下水位 ，并结合当地的工程经验综合考虑 ，确定建筑物的设防水位和抗浮设计水位，使设计做到经济、安全。 在建筑允许的情况下，尽可能提高基坑坑底的设计标高，间接降低抗浮设防水位。具体措施可采用平板式筏板，一般而言，平板式筏板基础的重量与“低板位”梁板式筏板基础上填覆土的重量基本相当，但后者的基础高度一般要比前者高。地下室楼盖提倡使用宽扁梁或无梁楼盖。宽扁梁的截面高度一般为跨度的1/16～1/22，宽扁梁的使用将有效地降低地下结构的层高，从而相对降低了抗浮设防水位。 4、地下室抗浮方案
目前针对地下室抗浮问题主要有增加自重法和设置抗拔桩这两种方案。 4.1、增加自重法方案
增加自重法包括地下室顶板压载、地下室底板加载及边墙加载等方法，增加地下结构物自身重量，使其自身的重力始终大于地下水对结构物所产生的托浮力，确保结构物不上浮。这种方法的优点是：施工及设计较简单；缺点是：当结构物需要抵抗浮力较大时，由于需大量增加混凝土或相关配重材料用量，故费用增加较多，还可能影响对地下结构物室内使用净高。 ①、顶部压载措施
顶部压载措施是将地下结构物顶板的混凝土加厚或增加其他压载材料，使自身重量增加以抵抗地下水的上浮力，但增加的混凝土却占去原有覆土的位置，所以增加的重量仅为混凝土与覆土重量之差。因为混凝土与覆土重量的差距不大 ，所以此法的效益不大，并且使地下结构与地表的距离拉近 ，由此减少了地下结构上方覆土厚度。此法一般用于埋深较浅、不需增加太厚压载物且其顶部有条件压载的地下结构物的抗浮，否则，其顶部有条件压载也会增加结构自身造价和基础造价，对规模较大、埋深较深的地下结构物的抗浮不宜采用此法作抗浮措施。 另外，当采用此法作抗浮措施时，施工时应避开雨季；因为刚封顶后地下室，还来不及做其他项目时，雨季使地下室处于其最不安全的时期。 ②、底板加载措施
基板加载措施是将地下结构物底板的混凝土加厚，使自身重量增加以抵抗地下水的上浮力，但在增加混凝土的同时也增加了水的上浮力，所以它增加的重量是混凝土与水的重量之
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差。因为混凝土与水的重量差距远比混凝土与覆土的重量差距大，所以每增加单位体积的基底板混凝土，其抗浮效益比顶板压载法要大，但会提高工程造价，采用基板加载抗浮措施 ，不仅在地下室底板需浇筑大量的压载混凝土，在材料上造成极大的浪费，厚板给施工也带来非常大的困难和不便。因压载增加了地下室底板的厚度，造成地下室净空变小，给以后的使用带来不便。此方案造价很高既费钱又费工，此法一般用于埋深较浅、不需增加太厚混凝土的地下结构物的抗浮。 ③、侧墙加载措施
侧墙加载措施是将地下结构物侧墙的混凝土加厚，这种做法虽然增加了水的上浮力，但也由此加宽了地下结构物上方覆土的范围。这种做法虽然也可得到较大的抗浮力，并且不需要加深基坑开挖，但开挖的范围却因此增宽，在地价昂贵的地区，经济效益也将因此折减。此法一般适用于不受场地限制、地价不贵地区的规模较小地下结构物的抗浮。 4.2设置抗浮桩
目前，设置抗拔桩是在地下室抗浮设计中使用较为广泛的一种方法。但仔细分析，这种方法也有一定的局限性。因为地下室的抗浮设防水位是根据拟建场地历年最高水位，并结合近几年的水位变化情况提出来的，即使经过重新评估后确定的抗浮设防水位，也是按一定的统计规律得出的结论。显然，该方法确定的地下水位在一般的情况下是很难达到的；加之设计计算的不精确性，也使得抗拔桩都具有一定的安全储备，因此，“抗拔桩”实际上长期起着“抗压桩”的作用，这种“反作用”将阻碍有抗浮要求的地下室的合理沉降，而这种变化将会使不设缝的大底盘地下室在主体结构和裙房之间产生更大的不均匀沉降差，这正是我们在设计中想极力避免的；同时设置抗拔桩后，计算基础底板内力及配筋时应考虑地下水压力，这样也会增加基础底板的荷载。因此，针对抗拔桩的使用时，应该结合工程的实际情况及当地的工程经验。 另外，在抗拔桩桩体结构设计中，抗拔桩主要依靠桩体的侧摩阻提供抗拔力，其受力机理基本类似于锚杆，但由于土体中应力垂分布使土体处于受拉状态。因此，其侧摩阻大小不能简单的依据承载桩的侧摩阻来计算其承载力，必须进行修正，修正系数可参考桩基规范；因此，设计时对抗拨桩的设计承载力取值不应过高，特别是预制管桩，光滑的圆断面桩在饱和土浸水条件下其抗拨能力是很低的，一旦被向上抽拨，扰动后桩的抗拨力将完全丧失。
抗拔桩桩体的配筋依据抗拔桩承载力极限标准值进行抗拉配筋，依据桩体应力分布原理，可采用不均一配筋法，即抗拔桩下段由于其拉力相对较小，可适当降低配筋量，底端依据混凝土抗拉强度的大小，减小钢筋笼长度，从而降低工程造价。 5、其他应该注意的问题
地下室斜坡道设计时，应进行抗浮验算，斜坡道与主体分缝处做作处理。