王浩然

新疆永升建筑勘察设计研究院（有限公司） 新疆 克拉玛依 834000

引言

在我国的城市现代化建设中，随着城市人口数量激增，城市用地日益紧缺，在地上空间日益减少的情况下，地下空间的开发和利用成为建设的必然，愈来愈多的建筑物设置了地下室，地下室的层数也达到了地下三层甚至四层，地下室的埋深随之加深。然而地下室的设置也带来了一个严峻的问题：地下室的抗浮设计。在自然界的地下岩土孔隙中，通常存着丰富的地下水，加之城市建设中大量绿化水资源的下渗，使得地下水的抗浮水位逐渐变高，如果在设计工作中不重视地下室的抗浮设计，就会致使地下室底板裂缝、底板上浮甚至整体结构“漂浮”，发生严重破坏。

1 地下室概述及其抗浮设计原理

（1）根据《建筑工程建筑面积计算规范》（GB/T 50353-2013[3]）：房间地平面低于室外地平面高度超过该房间净高1/2者为地下室。高层建筑基础埋深一般较大，工程建设中通常利用该部分深度建造地下室，以此达到最佳的经济效果和使用效果。

（2）根据阿基米德原理，浸在液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的液体所受的重力。当地下室底板埋深在抗浮设计水位以下时，地下室会受到向上的浮力，浮力的来源就是地下室底板与抗浮设计水位之间的抗浮水头高度。根据《建筑工程抗浮技术标准》（JGJ 476-2019[4]）第6.2.1条，抗浮设计水位高程与地下结构底板底面高程水位差产生的浮力标准值计算如下：

式中：Fw——静水位差产生的浮力标准值（kN）；

Ɣw——水的重度（kN/m3）；

△hw——抗浮设计水位与地下结构底板底面地下水位差值（m）。

由以上公式可以得出，地下室所受到的浮力标准值主要与抗浮设计水位与地下结构底板底面地下水位差值，也即抗浮水头高度有关，抗浮水头高度越大，浮力标准值也越大。因此，准确合理地确定地下水的抗浮水位，是抗浮设计的关键问题之一，勘察设计人员应该严格按照相关国家规范标准进行勘察和分析，并且当地下水赋存条件变化较大时、有充分的江河水补给时以及降水丰富地区，应当进行更为严格的分析和论证。

（3）根据《建筑工程抗浮技术标准》（JGJ 476-2019[4]）第3.0.3条，建筑工程抗浮稳定性应符合下式规定：

式中：G——建筑结构自重、附加物自重、抗浮结构及构件抗力设计值总和（kN）；

Nwk——浮力设计值（kN）；

Kw——抗浮稳定安全系数，按表1确定。

因此，地下室结构应按照施工期和使用期分别进行抗浮设计，且当地下室结构及附加物的自重之和与浮力设计值之比大于表1中的安全系数时，则此时该结构满足抗浮验算要求。

表1 建筑工程抗浮稳定安全系数

2 地下室抗浮设计措施

工程设计中，当地下室结构抗浮验算不满足《建筑工程抗浮技术标准》（JGJ 476-2019[4]）的相关规定时，应对该地下室结构采取抗浮措施。

（1）利用结构自重或配重进行抗浮。该措施通常用于结构自重与地下水浮力相差不大的情况。由抗浮基本原理，用于结构抗浮的结构自重主要包括，上部结构传递至地下室顶的恒荷载、地下室结构梁板自重、地下室墙体自重以及地下室底板自重，且结构自重计算时应采用结构材料自重的标准值，当结构材料自重标准值在某一范围内取值时，建议取范围内的低值，此时计算得到的结构自重偏低，抗浮验算偏于安全。若利用结构自重抗浮不满足要求时，可进行配重法抗浮，即利用附加物的自重抵抗水浮力，工程中常采用的配重法包括：加深地下室底板埋深后覆土或浇筑素混凝土抗浮、加厚地下室底板厚度抗浮、加宽底板外挑宽度抗浮等。同时应注意，加深底板埋深的同时，地下室抗浮设计水头随之增加，结构受到的水浮力也在增大，因此，若结构自重与地下水浮力相差较大，采用此方法进行抗浮设计时需大量覆土或浇筑素混凝土，则对工程的经济性不利。

（2）增设抗浮锚杆进行抗浮。抗浮锚杆，指锚固在地基中与地下结构底板共同承担地下水浮力的抗拔构件。抗浮锚杆适用于抗浮水头较高、结构自重较小时，且需锚固在较坚硬的岩土层中。目前在工程设计中，常用的抗浮锚杆计算方法是：地下室底板下满铺锚杆，不考虑结构自重的抗浮作用，地下水浮力作用全部由抗浮锚杆承担，即总的地下水浮力设计值/单根抗浮锚杆设计值=抗浮锚杆根数。此方法忽略了结构自重对抗浮的有利作用，计算所得锚杆根数偏于保守，实际结果偏于安全。然而实际情况是，在地下室墙体下方的底板往往因墙体自重的有利作用，抗浮验算是满足要求的，此处在理论计算上不需要布置抗浮锚杆或者布置的数量较少。因此合理的做法是，在墙体下方地下水浮力设计值应扣除墙体自重后，再计算此区域应布置的抗浮锚杆根数，而仅有地下室底板的区域可根据前述方法进行计算。

《高层建筑岩土工程勘察标准》（JGJ/T 72-2017[5]）第8.6.12条给出了抗浮锚杆承载力特征值的计算方式：

式中：Fa——抗浮锚杆抗拔承载力特征值（kN）；

ui——锚固体周长（m）；

li——第i层岩土体与锚固体黏结强度特征值（kPa）。

应注意的是，抗浮锚杆施工前应进行锚杆基本试验，施工后应进行锚杆验收试验，这两项试验应符合《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011[1]）及《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2013[2]）的相关要求。

（3）根据《建筑工程抗浮技术标准》（JGJ 476-2019[4]），还可以利用排水限压法、隔水控压法以及泄水降压法进行抗浮设计。此三种方法均为对地下水进行限制，可通过盲沟、排泄沟等自流排水泄压，可通过地下连续墙、隔水帷幕等隔水控压，亦可通过设置于地下室底板上的纵向集水管和横向滤水层与地下弱透水层形成有效连通进行泄水降压。此方法对相关设备及设施的稳定性要求较高，且需进行定期维护，故相对运营成本较高。

3 工程案例

本工程抗浮设计等级为乙级，地下室平面及剖面见图1，长25.525m，宽13.800m，±0.000相对绝对标高为277.45m，根据岩土工程勘察报告，抗浮水位为273.00m。拟利用结构自重进行使用期的抗浮设计[6]。

图1 抗浮验算简图

地下室底板底部在抗浮水位以下的高度为273.00-（277.45-4.2-0.4）=0.15m

浮力Nwk=25.525×13.8×0.15×10×1.0=525.5kN

池壁自重：G1=[（13.8+24.925）×2×0.3+13.2×0.3]×4.6×25=3127kN

顶板自重：G2=25.525×13.8×0.15×25=1321kN

底板自重：G3=25.525×13.8×0.25×25=2202kN

整体抗浮安全系数Kw=G/Nwk=（3127+1321+2202）/525.5=12.65＞1.05，满足抗浮设计要求。

4 结束语

在经济高速发展的时代，我们所居住的城市也在大踏步地向前发展，城市建筑用地日趋紧张，地下空间结构的开发成为发展的趋势，随之带来的地下结构抗浮设计是工程设计人员必须着重关注的设计要点，相关设计人员需要仔细研读岩土工程勘察报告，理清地下室抗浮设计的基本原理，当结构自重抗浮验算不满足相关规范要求时，需要具体项目具体对待，综合安全性、适用性、经济性等原则，选择合适的抗浮设计措施。