高层建筑地下室抗浮设计的几个问题

2022-05-30陈芝诚

大众标准化 2022年9期

陈芝诚

（浙江省天正设计工程有限公司，浙江杭州 310012）

因为高层建筑可以容纳更多的居住人员，能够缓解城市建设用地紧张的问题，所以近年来高层建筑数量不断增加。但是因为高层建筑整体高度较高，且结构较为复杂，必须做好科学的设计工作，特别是在地下室的设计工作中，需要采用科学的抗浮设计技术，明确抗浮设计的关键要点，并依据建筑工程实际情况，准确掌握地下室抗浮设计的注意事项，从而能够有效提高地下室整体质量，发挥出地下室的实际作用，进而能够促进高层建筑整体质量提升。

1 地下室抗浮设计概述

地下室抗浮设计是指以地下水位的高低，确定高层建筑承受浮力大小的设计流程。地下室抗浮设计有利于实现高层建筑自身重量的平衡，同时能够对地下室承受的荷载进行平衡，使得地下室结构更加稳定，同时还能够提高高层建筑整体稳定性。地下室抗浮设计按照结构设计概念以及相关经验，通常可以分为整体抗浮设计和局部抗浮设计；地下室抗浮设计过程中，地下水浮力是最为重要的影响因素，在对浮力进行计算的基础上，需要对地下室抗浮结构和功能进行优化，确保地下室抗浮设计方案科学性。

2 高层建筑地下室抗浮设计注意事项

地下室水浮力是地下水对建筑物所产生的浮力，地下水浮力大小与地下水位具有直接关系，如果地下水所产生的水浮力较大，则可能会导致建筑物整体上浮，或出现地下室局部结构被浮力破坏的问题，且结构修复难度较大，所以通过降低地下水浮力，对地下室结构设计进行抵抗，是提高地下室抗浮设计科学性的有效方式。现阶段，我国高层建筑地下室一般采用较为传统的配重法抗浮技术，主要通过对地下室结构进行回填处理，增加地下室整体结构质量，从而使其更好地应对地下水浮力。在对高层建筑地下室进行抗浮设计时，需要注意以下几点问题：

（1）地下水因素。因为高层建筑地下室结构区域的地基需要进行夯实处理，经过夯实后的地基土层较为密实，区域内的水只能进入而难以排出，这就会使高层建筑地下室所处区域的地下水位逐渐提高，从而导致部分地基出现上浮的问题，导致地基平整性较差，最终导致抗浮设计完全失效，进而引起高层建筑地下室结构变形。

（2）外部影响因素。在一些特殊的工况条件下，抗浮桩、抗浮锚杆等会受到高层建筑周围环境的物理因素和化学因素影响，从而导致其质量变差，最终引起抗浮结构设计整体失效，抗浮桩、抗浮锚杆等在外力的作用下被破坏，且后期维护难度较大，修复效果不够理想，高层建筑地下室则无法安全使用。

3 高层建筑地下室抗浮设计存在的问题

3.1 地下水的浮力存在问题

因为缺乏实践经验，当前部分高层建筑，在抗浮设计过程中，对于地下水的浮力计算存在一定不足，没有相关的计算参考和标准参数，这就导致地下室地下水浮力计算结果不够准确。同时，受到设计人员技术水平的影响，在对地下水浮力进行计算时，无法根据地下水的实际情况确定具体浮力，以此为基础设计的抗浮结构难以满足实际需求，导致地下室抗浮设计不够合理。地下水浮力作为抗浮设计的核心要素，必须具有明确的标准数值和计算方法，通过计算得到准确的浮力计算结果，才能够保证地下室抗浮设计的科学性，但是当前在地下水浮力计算方面依然存在着许多问题。

3.2 地下水的水位确定问题

地下水水位的高低，能够直接决定地下室浮力大小，所以在进行抗浮结构设计时，需要做好地下水位调查工作，但是在实际设计工作中，因为地质勘察存在的问题，导致地下水水位相关资料较为缺乏，从而难以确定地下水位的准确数值，对于抗浮设计产生很大负面影响。地下室抗浮设计必须具有明确的地下水位资料，才能够满足抗浮设计要求，所以需要通过水文地质勘察工作，得到准确的地下水资料，但是当前在勘察工作中还存在着一些问题，从而导致地下室抗浮设计方案不够科学。

4 高层建筑地下室抗浮设计的要点

4.1 地下水位取值

在高层建筑地下室抗浮结构设计过程中，必须做好地下水位调查工作，根据前期勘察资料，明确地下水位的具体数值，并结合实际情况对其进行计算，从而能够提高抗浮设计的科学性。首先，如果地下水位高于地下室的基础底板，需要按照工程所在区域的地形结构、地下水类型以及地下水位变化情况等，对底板需要承受的荷载进行验算，确保基础底板抗力荷载超过地下水所产生的浮力。其次，在分析地下水位时，需要结合地下水类型、补给关系以及排泄关系等，对抗浮结构设计的可行性进行评价，从而保证抗浮结构能够抵抗地下水位产生的水浮力。其三，地下水位计算需要采用数学模拟软件，而不能采用估算的方式，必须确保地下水位计算结果的准确性，否则很容易出现抗浮结构与地下水位实际情况不符的问题。地下水位取值工作对于抗浮结构设计具有直接影响，所以需要得到准确的地下水位勘测结果，在对地下水位进行取值的过程中，需要充分考虑到地下水位可能发生的变化，并根据历史资料明确其变化极限数值，确保地下室抗浮结构能够在地下水位变化极限数值范围内，才能够提高高层建筑地下室抗浮结构质量。

4.2 整体抗浮与局部抗浮

在高层建筑地下室抗浮设计中，整体抗浮与局部抗浮存在着优先关系，首先需要考虑到抗浮结构整体是否能够满足要求，再对局部抗浮结构进行分析。在验证整体抗浮结构时，需要保证所设计的抗浮结构能够有效应对地下水产生的浮力，确保整体结构具有稳定性和安全性；在整体抗浮设计满足后，对局部抗浮结构进行验证，需要特别关注承受地下水浮力较大的局部结构，如果存在某些局部不符合设计规范要求的，需要对其进行优化，如果在优化设计过程中发现会对整体抗浮造成影响，那么则需要重新进行整体抗浮设计。由此可见，整体抗浮和局部抗浮存在相互影响、优先考虑的关系，是地下室抗浮结构设计中容易被忽视的问题，所以在设计过程中需要重点关注。结合高层建筑以及地下水浮力的具体情况，确保整体抗浮和局部抗浮都能够满足《建筑工程抗浮技术标准》3.0.3的要求。

G／Nw，k≥Kw

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）；

Nw，k——浮力设计值（kN）；

Kw——抗浮稳定安全系数，按下表1确定。

表1 建筑工程抗浮稳定安全系数

4.3 合理选择抗浮措施

在AH市经济技术开发区的一项建筑工程中，该建筑工程主要包括4栋高度分别为48.7 m、48.7 m、47.5 m、49.5 m的高层建筑以及二层地下室构成，主要功能为工业生产厂房、配套、公共配套以及地下车库。该工程地基土层质地良好，主要包括全风化、强风化及中风化砂砾岩，可以作为天然持力层。在建筑方案设计中，基坑开挖深度设计为3.5~12.5 m，采用复合土钉墙支护方式，三重管旋喷桩作为封闭式止水帷幕，深度设计进入中风化砂砾岩，降水方案为明排形式。在对其地下室结构设计过程中，为了提高地下水抗浮结构设计的科学性，对地下室抗浮设计方案进行全面分析，经过科学的论证，拟采用泄水抗浮技术，通过盲沟施工、集水井施工来收集地下水，将由地势高度差产生的自然排水接入市政管网。

根据《建筑工程抗浮技术标准》及《岩土工程勘察规范》的规定，对场地水文地质条件进行勘测，勘探点间距标准如下表2所示。

表2 勘探点间距标准规定

本次工程水文体地质条件复杂程度为中等，勘探点间距设计为20 m。该工程内的原始地貌是剥蚀残丘，下伏基层岩石主要为中风化砂砾岩；填土层为上层滞水；中部为空隙潜水，存在分值黏土和含砾砂岩土层，整体为弱含水层，下方为基岩强风化带、中风化带。地下水补充形式主要为自然降水渗透和地下水渗流补给，地下水位受到自然建筑影响显著。

泄水抗浮技术是指通过盲沟排水，从而达到主动降低抗浮水位、释放部分地下室水浮力的一种技术方案。在地下室结构设计中应用泄水抗浮技术时，盲沟排水可以采用完全借助地下水静止水压力主动排水和借助地下水静止水压力集水与人工排水两种方式，通过将主动排水与被动排水相结合，能够有效降低地下室所承受的浮力。传统抗浮技术在现代建筑工程应用过程中，其局限性逐渐体现，难以应对现代化地下室建筑工程的实际需要。为了推动地下室建筑工程发展，必须对传统抗浮技术进行创新，经过大量的工程实践，泄水抗浮技术被提出，在实际应用中具有良好的效果。与传统抗浮技术相比，抗浮结构有效时间更长，能够全面提高地下室结构质量，且具有广泛的适用性，适合在多种不同地质环境、地下水环境中使用。

经过前期计算，需要在该地下室结构中沿着基坑底部三条边线设置盲沟，盲沟设计坡度为0.5%，组合方式包括三条直径为300 mm的排水管，盲沟内填料采用土工布包裹碎石；为了防止泥沙、碎石等堵塞盲沟，设计在碎石垫层底部设置一层土工布，具有反滤层的作用；在不设置机械排水设施的条件下，盲沟能够通过地下水静止压力实现集水和排水，并在场地东南一侧引入室外排水管；在地下室回填施工中，当基坑降水停止时，地下水开始上升，当地下水位达到盲沟设计标高区域时，地下水会通过孔洞进入盲沟内部，并集聚到集水井中，从而能够通过室外排水管排出，最终进入市政雨水排水系统内部。图1为地下室盲沟结构简图。

图1 地下室盲沟结构简图

根据相关的地质资料和计算结果，在本次地下室工程中，采用泄水抗浮技术，抗浮设计水位标高为+19.2 m，周围岩土体因为长期抽水引起的最大沉降值为17.6 mm，最大沉降值差异为1.3 mm，满足相关标准要求，说明泄水抗浮技术在本次工程中具有良好的效果。

4.4 工程效益

通过采用泄水抗浮技术方案，与传统的地下室抗浮结构设计方案相比，预计能够节省投资成本约550万元，同时泄水抗浮技术能够有效提高施工效率，不会对原有线路和其他工程施工进度造成影响，具有良好的综合效益。在本次工程中，通过采用泄水抗浮技术，使得地下室抗浮结构质量得以提升，并结合前期设计方案的优化，使得工程成本投入降低，不仅保障地下室抗浮结构质量，同时提升了工程经济效益，说明该抗浮设计方案具有良好的应用效果，希望能够对同类型高层建筑地下室抗浮结构设计有所帮助。