【设计经验】建筑工程地下室抗浮问题的思考

建筑工程地下室抗浮问题的思考近几年来,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；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,造成了财产的损失.本文对产生这些事故的原因归纳总结成以下四个方面,与同行们共同讨论：一、抗浮设计中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,我们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,忽视整体抗浮验算分析,忽视施工的抗浮措施,总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,把某些实质上是因为地下水的作用远大于设计荷载而造的工程事故,错判为温度应力作用、砼施工质量问题等.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,忽视水的浮力.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.地下室就像一条“船”,地下室底板和侧墙形成一个密闭的船身,它的水浮力有多少呢,是它浸泡在水中的体积乘以水容重,若一个50×100m的地下室,抗浮水位为5m,它的浮力为25000吨,可见水浮力之大.地下室的抗浮设计就是要使这个船既不上浮,船身又不破坏,因此,地下室的抗浮设计应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两类做法,一类为“压”,一类为“拉”.当采用“压”的做法时,利用建筑的自重(包括结构及建筑装修、上部覆土等,不含楼面活荷载)平衡地下室水的总浮力,当不能平衡时,必须增加“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,都必须进行整体抗浮验算,保证抗浮力(压重+抗拉力)大于水的总浮力,即.局部抗浮验算,除了梁板墙柱结构构件的强度验算、变形验算和裂缝验算,还应包括局部的抗浮验算,对于大面积地下室上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,该范围的整体抗浮能力可能较高,但上部没有建筑或建筑层数不多的局部范围,特别应进行分区、分块的局部抗浮验算,例如：柱、桩、墙的压力或拉力能否平衡它所影响区域里的水浮力总值.然而有些设计人员对上述最基本的概念还不够清晰,例如,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强度计算,未做整体抗浮的认真分析,特别是独立地下室、水池等,造成地下室整体上浮,给地下室结构带来严重破坏,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.既不分析其上部建筑荷载的分布,又未计算局部抗浮,局部范围因抗浮力小于水浮力,底板隆起、造成地下室及上部结构局部范围内大面积破坏.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土层、支护又严密的基坑,一般认为不存在水的浮力,因此造成施工期间或使用期间地下室上浮破坏的盲点,一旦暴雨来临,地面的地表水全流入基坑形成“脚盆”效应,即基坑为“大脚盆”,地下室成为“小脚盆”.施工期间一旦未及时采取降水措施就会将“小脚盆”浮起,使用期间若不将四周的回填土采用粘性土分层夯实形成止水层,也同样会产生“脚盆”效应.另外,有些设计人员和施工人员忽视施工对地下室抗浮的重要性,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,没有采取降水措施或在抗浮结构未达到设计预定目标时就停止了降水,导致在施工期间产生地下室整体上浮事件时有发生,产生上述现象的主要原因除经验外,主要是对我国现行的技术规范,规定不了解.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,我们应该严格按照相关规定做好地下室的抗浮设计和抗浮施工.综上所述,我们在进行工程的抗浮设计时,要做到以下三个步骤：1)仔细研读勘察报告；2)进行整体抗浮和局部抗浮验算,并提出施工期间的抗浮措施和降水措施；3)对存在“脚盆”效应的结构进行分析.二、地下室抗浮水位的确定勘察单位在提供的勘察报告中,地下室的抗浮水位不严谨,而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；2)临近江河且具有透水层的建筑场地,按一般场地提出抗浮水位,未考虑设计使用年限的江河最高洪水位的影响.3)根据业主节约投资的需要,或者业主要求增设地下室后,原勘察报告无抗浮水位的参数,又未进行补充勘察,随意修改或确定抗浮水位.4)对坡地建筑,提供的抗浮水位远高于建筑设计的地坪标高,设计人员未进行认真的分析造成浪费.以上四种做法中,第1)、2)、3)种情况,导致地下室因抗浮能力不够而使得结构破坏,第4种导致不合理的设计,增大工程投资,造成资源浪费.地下室抗浮水位是一个十分复杂的问题,地质场地土层差异性,场地土内地下水复杂多变性,给地下室抗浮水位的确定带来了较大困难,然而抗浮水位又是地下室抗浮设计中一个决定性的参数.如何做到既安全又合理的确定其抗浮水位？勘察、设计人员应遵照《岩土工程勘察规范》(GB50021)及《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ72)的相关规定进行勘察和分析.其中,根据《高层建筑岩土工程勘察规程》第8.6.2条,场地地下水抗浮设防水位的综合确定宜符合下列规定：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.此外,设计人员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.水是往低处流的,若建筑物一侧或多侧是敞开的,水浮力不可能高出室外地坪；三是在有水头压差的江、河岸边,且存在滤水层,应按设计基准期的最高洪水位来确定其抗浮水位；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,防止产生地表水聚集效应对地下室的破坏.三、抗浮验算中的几个参数讨论水浮力的分项系数和抵抗力的分项系数,以及抗浮锚杆钢筋抗拉工作条件系数、抗拉设计强度如何取值,是目前在地下室抗浮设计中很有争议的问题.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混乱.《荷载规范》中第 3.2.5条规定,抵抗水浮力的结构自重作为永久荷载,对结构有利组合时其分项系数γG取1.0是无争议的,但水浮力是可变荷载,其分项系数γQ应如何取值呢？在该条第3款中,“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提到了关于水浮力可变荷载的分项系数问题.《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,1)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,水浮力的基本组合设计值为标准值乘上1.27.2)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).民用建筑地下室和给排水构筑物在使用功能上存在着一定的差异,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.3)若设计者对抗浮水位存在质疑,应将水浮力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1.4.2.锚杆工作系数和锚杆钢筋取值锚杆抗浮设计时,锚杆钢筋截面面积计算现行的规范中无明确的计算规定,因此设计单位有两种不同版本的设计公式.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fy是一致的,可按照《钢筋混凝土结构设计规范》第4.2.3条表4.2.3-1的抗拉钢筋设计强度取值.公式中不同的是,《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γ0,若取1.0,在本文中不做讨论,二是锚杆钢筋的抗拉工作条件系数ζ2,作为永久性锚杆时取0.69.上述两公式计算得出的锚杆钢筋截面面积就比较大了.加之,一般锚杆的抗拉钢筋直径大、强度高,有些设计人员采用《砼规范》中钢筋的轴心受拉强度公式,既未取工作条件系数,而且未按规范4.2.3-1表注取值,“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对于300N/mm2时,仍应按300N/mm2取用”,而设计人员采用HRB400级钢筋时,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ζ2取0.69,HRB400钢筋的抗拉强度又取300N/mm2,锚杆钢筋的计算面积之大,使人难以接受,两种不同的版本形成了相差一倍的计算结果,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,但抗浮锚杆的成孔及构造要求较之边坡锚杆要稳定得多,如清孔较容易,砼强度要求C30等,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,我们建议按《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,保守且不合理.2)利用上部结构自重和锚杆共同抗浮,其计算方法为：(总的水浮力设计值－底板及上部结构自重设计值)/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(包括柱底或砼墙下),锚杆间距用底部面积除所需锚杆根数确定.以上两种抗浮设计方法,都出现了传力途径不清晰的错误.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.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,而上部自重很难传递至远离梁、柱、桩、墙的区域.因此,上述第一种方法全部采用锚杆抗浮,上部结构自重未充分利用.第二种方法,减去上部建筑自重后的水浮力由锚杆平均承担,存在安全隐患.因为,中间区域的锚杆实际受力不会是减去上部自重的水浮力,上部建筑自重是集中在一个点(即柱)或一条线(即墙、梁)上的,要达到将自重均匀分布到底板上的假定,底板必须具备两个条件,一是完全按自重抗浮,底板的梁板采用倒置楼盖计算,保证水浮力传至柱上或墙上,二是做到底板刚度无穷大,才有可能将点线作用力均匀分布与锚杆共同抗浮.实际结构未满足上述两个条件时,一旦地下水达到抗浮设计水位,首先中间纯底板抵抗区域的锚杆破坏和失效,然后慢慢延伸至柱、墙、梁影响区域的锚杆,造成所有锚杆失效,最后底板隆起,梁板开裂破坏.合理做法是：抗浮力与水浮力平衡计算可分成两种区域：柱、墙、梁影响区域和纯底板抵抗区域.纯底板抵抗区域的计算方法应是抗浮锚杆设计承载力除以每平方米水浮力(减去每平米底板自重),得到抗浮锚杆的受力面积；而柱、墙、梁影响区域应充分利用上部建筑自重进行抗浮,验算传递的上部建筑自重是否能平衡该区域的水浮力,此外,还应验算在水浮力作用下梁强度和裂缝满足要求.计算方法具体可分解为以下四个方面：1)在柱、墙、梁影响区格中：梁、墙可以传递的建筑自重线荷载除以每平方米的水浮力,得到影响区域的宽度b.其中梁传递的建筑自重荷载,根据柱子的建筑自重按照与其相连的梁刚度分配所得.2)靠近梁、墙的第一排锚杆：其从属宽度b0应是梁、墙传递建筑自重影响区域的宽度b,即b0=b,由于每根锚杆的抵抗面积有限,当上部自重较大时,为充分利用该部分自重,可以考虑加密靠近地梁第一排锚杆的间距.3)纯底板抵抗区域的计算方法应是抗浮锚杆设计承载力除以每平方米水浮力,得到抗浮锚杆的受力面积,即A单根锚杆=c2=q水/F单根锚杆,其中c为纯底板抵抗区域中间排锚杆的间距.例如,水浮力设计值为每平方米50kN,单根抗浮锚杆的设计承载力为250kN,它能承受的抗浮力的受力面积为5平方米,若采用点式布置,锚杆的间距为2.25*2.25米.4)第一排锚杆与第二排锚杆的间距a=b/2+c/2.无论是柱、墙、梁和纯底板区格的结构构件(锚杆、梁、板、墙)计算时应注意两个问题,一是水浮力设计值都不应该直接采用抗浮的水浮力值,应减去底板本身的自重.二是梁、板、柱、墙构件计算时应根据其实际受力情况确定相应计算模型,进行强度、裂缝宽度计算.例如,梁传递建筑自重的影响区域的宽度为2米,每平米水浮力设计值为50kN,作用在梁上的线荷载为每米100kN.梁要将该荷载传递到柱、桩上,该梁必须根据其跨度计算其强度、裂缝宽度,以确保梁能将实际的受力荷载传递给柱、桩、墙形成平衡.。