地下室抗浮设计相关问题

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，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γ0，一般均取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ζ2，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、墙影响区域和纯底板抵抗区域。若按上述第二种方法计算，减去自重后，水浮力由所有锚杆平均承担，必然导致靠柱、桩、梁、墙附近的锚杆未发挥其作用，而中间区域的锚杆又超过其原设计的承载力，造成梁柱间中部底板下锚杆破坏和失效，然后慢慢延伸至柱、墙、梁边，最后局部范围底板隆起，梁板开裂破坏。合理做法是：抗浮锚杆数的计算应分两种区格进行，即柱、墙、梁影响区格和纯底板区格，在柱、墙、梁影响区格中应充分利用上部建筑自重进行抗浮，其计算方法是每平方米的水浮力除以梁、墙可以传递的建筑自重线荷载，得到影响区域的宽度。纯底板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。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2.3*2.3米。靠近梁、墙的第一排锚杆的间距应是梁、墙传递建筑自重影响区域的宽度与纯板区格锚杆的间距的和除以二。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