沈德飞

（河海大学设计研究院有限公司，南京210098）

1 引言

随着我国经济高速发展，城市空间容量需求增加、交通压力加大，人们对美好城市环境的要求越来越高，合理开发城市地下空间显得尤为重要。而建设地下建（构）筑物比地上建（构）筑物要复杂，需考虑的因素多，有更多的不可预见性。

因在设计阶段对地下水浮力作用计算不准确、地下结构的抗浮措施选取不当，或在施工阶段忽略对场地内地表水进行有组织引排，以及遇到恶劣天气等不可抗力时，均有可能导致地下结构上浮事故的发生，将出现地下墙体、柱被破坏或底板因上浮而开裂等现象，结构一旦破坏，修复起来很不容易，结构的安全使用受到威胁。因此，结合具体工程特性，选择安全、经济、可行的抗浮措施，是地下建（构）筑物需解决的重要问题之一。

2 抗浮设计

2.1 整体抗浮和局部抗浮

抗浮设计应进行建（构）筑物整体抗浮和局部抗浮稳定性验算，在满足整体抗浮稳定性验算的前提下，还需对承受上部应力较小的结构单元进行局部抗浮稳定性验算。整体抗浮稳定性验算保证地下结构不整体上浮，局部抗浮稳定性验算可保证基础底板、地下墙体、梁柱节点不出现因局部应力较大而发生开裂或变形，因此，只有整体抗浮和局部抗浮稳定性验算均满足，方可确保建筑不受地下水影响以避免结构安全问题。

2.2 抗浮设计

当建筑地下室或地下建（构）筑物存在地下水浮力作用时，应进行抗浮验算，抗浮验算的一般设计流程为：

1）计算建筑物自重；

2）依据抗浮设防水位，计算抗浮设防水浮力；

3）抗浮稳定性验算；

4）抗浮措施技术经济方案比选；

5）确定抗浮措施；

6）设计基础施工图。

目前，抗浮验算主要采用安全系数法，根据GB 5007—2011《建筑地基基础设计规范》【1】，基础抗浮稳定性验算如下：

式中，Gk为建筑物自重及压重之和，kN；Nw，k为抗浮作用值，kN；Kw为抗浮稳定安全系数，一般情况下可取1.05。

2.3 抗浮设防水位取值

抗浮设计中抗浮设防水位是一个很重要的参数，影响因素众多，不仅与气候、水文地质等自然因素有关，有时还涉及地下水开发、上下游水量调配、跨流域调水和大量地下工程建设等复杂因素。针对情况复杂的重要工程，现行标准GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》（2009年版）规定，需论证使用期间水位变化，应进行专门研究，提出抗浮设防水位。工程设计时，抗浮设防水位通常依据地勘报告，根据勘探期地下水位和历史最高水位等因素综合确定给出数值。对于超大地下室或紧邻河岸、湖泊等水体的建（构）筑物，以及有可能会在雨季或者汛期施工的工程，抗浮设防水位可取场地标高，以提高抗浮稳定安全系数。

3 抗浮措施

为防止地下结构整体上浮，采取的抗浮措施主要分为2类，即主动抗浮和被动抗浮。工程实践中，常用的主动抗浮措施有泄水降压法；被动抗浮措施有压重法、抗浮桩、抗浮锚杆。

3.1 泄水降压法

泄水降压法，即通过排水盲沟、井点降水等措施，将地下水引排至场外，降低场地内地下水头高度，以减小地下水压力，使得建（构）筑物满足抗浮。

排水通常依靠地下水静止水压力主动排水，或依靠地下水静止水压力集水与机械排水相结合的主动为主、被动为辅的排水方式。其中，依靠静止水压力主动排水的方式，主要运用在场地存在显著高差时的抗浮【2】。若地下建（构）筑物持力层存在弱透水层时，可采用盲沟排水联合隔水措施协同抗浮，利用静止水压力、集水井的方案或者机械排水相结合的方案，将地下水引排出。引排出的水可用于场内浇灌、清洗或营造水景观等，不仅解决了工程抗浮问题，而且对水资源进行了合理利用，充分体现了绿色建筑技术在工程实践中的运用，做到了排水、节水与水资源的合理利用。

同时，泄水降压法，因其见效快，成本低，且对已有建筑的影响相对较小，故当地下建（构）筑物发生上浮事故或在地下室应急抗浮处理时，常采用泄水降压法并结合压重法等其他手段进行应急抗浮处理【3～5】。

3.2 压重法

压重法，即通过在地下结构顶板增加覆土、延伸底板、地下室底板压载、增厚底板等手段，利用增加外部荷载或结构自重来平衡水浮力的一种抗浮方法。

当地下水作用在基底的浮力不大，其与结构自重相差不多，需要平衡的水浮力有限，且条件允许的情况下，采用在地下室顶板或底板增加压重法较好，其成本低，且工艺简单、操作方便。当地下水浮力作用较大时采用压重法抗浮，则需在顶板增加较厚覆土、延伸较长底板，或加厚底板，而增加较厚覆土将加大结构荷载，对其他受力构件的性能也提出更高的要求，提高建设成本，且对抗震不利；若延伸底板，可通过外伸底板上的覆土重平衡部分水浮力，但加大了基坑土方开挖量，地下建筑边线将被外扩，需复核建筑边线与建筑红线的关系，同时对周边已有建（构）筑物亦可能产生影响；如果通过在地下室底板压载、增厚底板的方法进行抗浮，其对建设工期、成本与后期的养护均会带来一定的影响。

3.3 抗浮桩

抗浮桩的抗浮力主要由桩侧混凝土与岩土体摩擦而提供的向下摩阻力和桩体本身所提供的竖向重力组成。即向上的水浮力通过桩体纵向钢筋与混凝土之间的相互作用将荷载传递到桩身，再由桩体与周围岩土体之间的摩擦作用将荷载传递到周围地层中。

抗浮桩作为一种有效的抗浮措施，且工艺流程成熟，适用于大部分的地下工程，常用桩型有预制桩、钻孔灌注桩等。在实际工程中，通常将抗浮桩与抗压桩统筹设计，当地下水位较高时，桩基承受拉力，作为抗浮桩，当地下水位较低时，桩基承受压力，作为抗压桩。当抗压桩兼抗浮桩不能满足整体抗浮设计时，可针对一些荷载作用较大区域再单独布置一定数量的抗浮桩。

根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》【6】，承受拔力的桩基，应同时验算群桩基础呈整体破坏和非整体破坏时基桩的抗拔承载力：

群桩呈整体破坏时：

群桩呈非整体破坏时：

式（2）、式（3）中，Nk为按荷载效应标准组合计算的基桩拔力；Tgk为群桩呈整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值；Tuk为群桩呈非整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值；Ggp为群桩基础所包围体积的桩土总自重除以总桩数，地下水位以下取浮重度；Gp为基桩自重，地下水位以下取浮重度。

群桩基础及其基桩的抗拔极限承载力：

1）对于设计等级为甲级和乙级建筑桩基，基桩抗拔极限承载力应通过现场单桩上拔静载荷试验确定。

2）群桩基础及设计等级为丙级建筑桩基，基桩的抗拔极限承载力标准值，Tuk取值为：群桩呈非整体破坏时：

式中，ui为桩身周长；qsik为桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值；∑λi为抗拔系数，砂土取0.50～0.70，黏性土、粉土取0.70～0.80；li为桩周第i层土的厚度。

群桩呈整体破坏时：

式中，ul为桩群外围周长。

3.4 抗浮锚杆

抗浮锚杆是利用锚杆的锚固体与周围岩土的摩擦阻力来承担地下水浮力作用，即通过向下的摩阻力约束向上的水浮力。

抗浮锚杆设计也需同时满足整体稳定性与局部稳定性验算的要求，在满足整体稳定性的前提下，还需注意因主体结构地基与其周边地基土受力不均匀而引起的局部稳定性。有研究表明，主体结构周围由近到远，抗浮锚杆的轴力在较短的距离内会发生压力到拉力的重大转变，且数值均较大【7】。在进行锚杆设计时，为了提高经济效益，节约材料，减少不必要的浪费，在保证降水和主楼荷载远大于浮力的前提下，可优化抗浮锚杆的布置，对主楼附近区域的锚杆可少布置，对于距离主楼位置较远、锚杆内力计算值较大的区域可采取减少锚杆间距、增加锚固体直径等措施提高抗浮锚杆承载力，避免因抗浮锚杆布置不合理，而引起主体结构周边地基土隆起、筏板翘曲或较大沉降差等现象，导致地下结构的破坏。同时，在布设锚杆时，还需避免群锚效应，从受力角度来说，采用梅花状布置形式对结构底板和锚杆受力更有利【8】。

抗浮锚杆钢筋截面面积、锚杆长度等应根据CECS 22—2005《岩土锚杆技术规程》【9】进行计算取得，且抗浮锚杆一般均为永久性锚杆，使用年限较长，应做好结构的防腐处理，满足JG/T 3007—1993《无粘结预应力筋专用防腐润滑脂》【10】的技术要求，同时在建筑基础部位也需做好防水处理。

4 施工期抗浮措施

在工程施工期间，尤其是在建设室外地面以下结构时，由于上部结构尚未施工，整体结构荷载较小，当遇到暴雨等恶劣情况时，场地地下水位升高，地下水浮力加大，若忽略地下水浮力的作用，当其大于结构自重时，可能导致整个建筑物脱离地基漂浮起来或发生变形导致地下结构构件被破坏。

因施工期遭遇高于抗浮设计水位，抗浮承载力不足而出现地下结构上浮或破坏的案例很多【11～15】。做好施工期抗浮的最有效措施是有效控制并降低地下水位，在施工期间应对场内地表水进行有组织疏排，确保场地内无积水；必要时还需采取井点降水、盲沟排水等泄水降压法来降低地下水位。当建设场地地下水位较高或建设场地紧邻水体时，还需做好隔水帷幕。并建立施工期地下水位监控与预报预警机制，完善抗浮措施，尽量避免或减少地下水在基础或地下结构施工时带来不利影响，确保工程建设期间的安全。

5 结语

工程建设过程中，应重视地下建（构）筑物抗浮，在工程设计阶段，应根据建（构）筑物结构形式，结合场地地质情况，通过技术、经济论证选择安全、合理的抗浮措施；施工阶段，需做好坑体的隔水措施，对场内地表水及时、合理地引排，以有效防止地下结构上浮事故的发生，确保工程顺利开展实施。