・２４４・ 工程科技 地下工程抗浮设防水位与抗浮技术研究 赵先锋李波 （中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川成都６１００５２） 摘要：随着城镇化的快速发展．地下工程也得到迅速发展，但是因为地下水的作用，特别是工程抗浮问题尤为明显。本文采用理论 分析、资料收集、经验总结等多种方法，对地下工程抗浮设防水位进行研究，界定浮力作用范围，为类似工程提出抗浮措施；在回填、抗浮 锚杆方面做了研究分析，为同类工程提供参考。 关键词：抗浮设计水位；浮力作用范围；抗浮措施；回填；抗浮锚杆 １地下工程抗浮问题现状 随着城镇化陕速发展，土地资源的缺乏，为了充分开发利用地下空 间，地下工程得到迅速发展。不可避免的遇到了新的工程地质问题一 地下水的作用，尤其是地下工程抗浮问题，从本世纪初才开始逐步得到 重视。《岩土工程勘察规范》、《高层建筑岩土工程勘察规程》 （ＪＧＪ７２—２ｏｏ４）（以下简称规程）已经对地下水的作用引起了足够的重 视，但是仍属原则性规定，可操作性差，尚有许多有待完善之处。 由于城市的建设迅速，极大地改变了城市的水文地质条件，加之缺 乏长期的地下水观测资料，要求勘察成果预测建筑物使用年限内可能 的水位变化情况，这对勘察提出了很高的要求。另外目前地下水对基础 的浮力计算普遍仍然采用最高水位下的静水压力方法，没有考虑地下 水赋存状态与渗流特性、基础埋深与地下水层关系，导致与现场实测的 孔隙水压力存在较大的出入，因此在理论盲面还需进一步研究。 可喜的是有新的行业标准《建筑地下结构抗浮技术规范》近期已通 过审查，为建筑地下结构抗浮设计、施工和检验提供依据，以期解决抗 浮设防水位的合理性问题。 ２抗浮设防水位的确定 图１定量计算简图 图２公式各项参数含义示意 ｚｌ抗浮设防水位的定义。《规程》定义为：地下室抗浮评价计算所 需的、保证抗浮设防安全和经济合理的场地地下水水位。 ２．２地下室抗浮评价内容。根据《规程》，地下室抗浮评价应包括以 下基本内容：①当地下水位高于地下室基础底板时，根据场地所在地貌 单元、地层结构、地下水类型和地下水位变化隋况，结合地下室埋深，上 部荷载等情况，对地下室抗浮有关问题提出建议；②根据地下水类型、 各层地下水水位及其变化幅度和地下水补给，排泄条件等因素，对抗浮 设防水位进行评价；③对可能设置抗浮锚杆或抗浮桩的工程，提供相应 ＾底部作用承压水（张忠胤，ｌ９８０ 的谢ｈ十算参数。 图３ ２．３抗浮设防水位的确定 ２．３．１《规程》确定方法。一般情况下地下水抗浮设防水位的综合确 规则的基坑计算方法见公式（２）。本方法也可用于深厚回填土、无良好 定宜符合下列规定：①当有长期水位观测资料时，抗浮设防水位可根据 含水层部位地下工程的抗浮水位估算。（图１） ！！ ！ ： （１） 该层地下水实测最高水位和建筑物运营期间地下水的变化来确定；无 ２ｎ（１＋ 、６ 长期水位观测资料或资料缺乏时，按勘察期间实测最高稳定水位并结 ｉｘｔ ｘ（１ ＋ｌＯ％）ｓ 一×Ｃ×』 （２）、厶， 合场地地形地貌、地下水补给、排泄条件等因素综合确定；在滨海和滨 江地区，抗浮设防水位应考虑洪水、潮汐及涌浪的影响，一般可取室外 式中：ｂ为基坑Ｌ边线短边长（ｍ）；ｄ为基坑上边线长宽比； 为地 地坪标高；②场地有承压水且与潜水有水力联系时，应实测承压水水位 下室挡土墙距基坑边坡的平均距离（ｍ）；ｉ为降雨强度（ｍ，ｈ）；ｔ为降雨持 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 续时间（ｈ）；ｎ为室外回填土的孔隙率；ｋ为渗透系数（ｃｍ／ｓ）；Ｓ为基坑的 浮设防水位可按一个水文年的最高水位确定。 有效面积（ｍ ）；ｌ为基坑Ｅ边线的周长；１０％是考虑坑外汇水区域面积的 ２．３－２公式法。目前常用的确定地下水最高水位的计算公式 ｌ为：地 影响，对基坑面积的增大系数。需要说明的是，当降雨强度小于土壤表 下水最高水位＝勘察期间该层地下水最高水位＋该层地下水在相当于 面的人渗能力时，计算入渗速率取为降雨强度；当降雨强度大于土壤表 入渗的强度就等于土壤的人渗能力。根据降雨强度与 勘察时期的年变幅＋可能的意外补给造成的该层水位上升值。以上两 面的入渗能力时，种方法均要求：勘察期间要充分掌握拟建场地的水文地质条件，即场地 土体渗透ｌ生的关系，决定计算人渗率的取值。当降雨强度ｉ高于饱和渗 地下水类型、各层地下水水位及其变化幅度等因素，并结合场地地形地 透系数ｋ时，计算人渗速率按ｋ取值；否则按降雨强度取值。类似的计 貌、地下水补给、排泄条件、地下工程基础埋深等因素综合确定。按公式 算方法可参考文献日。第三种隋况，首先是要进行调查访问．了解拟建场 法，勘察期间地下水最高水位可以实测得到，地下水的年变幅（多年平 地是否属于洪水淹没区，如果是淹没区，就按地下室出１５１处的标高作为 均丰水期地下水水位减去枯水期地下水水位）也有据可查。最难确定的 抗浮设防水位。如果不是淹没区，则需要收集拟建场地附近河段的最高 是可能的意外补给造成的地下水水位上涨值，在此进行详细分析。可能 洪水位，以此水位来校正场地的最高水位；若无拟建场地附近河段的最 的意外地下水补给因素主要有：周边工程降（采）水、暴雨入渗、洪水等。 高洪水位，则需收集洪水期最大流量，以及对应的最大流速，然后根据 第一种情况可通过资料搜集工作，收集相邻工程的已有成果，以及该地 场地附近河段的河道地形图估算最高该河段的最高洪水位，对场地地 貌单元Ｉ＝类似的早期的勘察成果，根据当时的地下水水位情况来校正 下水水位进行校正。 本场地的地下水水位。第二种情况可以通过近似计算口，得出在暴雨极 ２．３－３坡地抗浮设防水位。以上分析的为平坦场地、无良好排泄条件 端天气下（不考虑机械排水），由于降雨沿地下室肥槽部位入渗引起地 情况下的抗浮设防水位的估算，坡地大多有良好的排泄条件，地下水位 下水水位的上升数值△ｈ，形状规则的基坑计算方法见公式（１）、形状不 常常是一条顺坡向下的连续曲线。根据文献【２擞值模拟极端天气下降 ： ：—工程科技 丽入渗，得出：极端天气条件下，基坑下游水位超过基坑最低点后，基坑 ・２４５・ ４．３《规范》结构抗浮中有“利用周边护坡结构竖向抗力”的方法。比 钻孑Ｌ灌注桩或地下连续墙卜般是永久ｌ生支护， 匕游水位继续增长，上、下游最终水头差值较大，不能直接按取下游的 如地铁车站的围护结构（耋．夕 地坪面来验算其极端条件下的抗浮承载力。基坑沿坡方向的水头 设计时常采用“抗浮梁压顶法”在车站顶板上方沿围护结构设置一圈压 直按照折线方程的计算结果分段取值是可行的。其简化公式见公式 顶梁，使车站在受水浮力上浮时，压顶梁对车站顶产生向下压力，同时 利用围护结构的自重及侧摩阻力共同达到抗浮目的目。 ３），具体推导过程详见文献［２］。（图２） ４．４回填＿￣ｋＴＥ４ｔ的影响。地下室外周回填土的质量好，对加强 ， ｈ（ｘ ｕＪ 、／ ｄ Ｊ， 上部结构的嵌固作用很有利；同时，回填土质量的好坏，对抗浮设计也 式中：ｈ一为最大水头…Ｈ Ｈ 分别为基坑匕、下游回填土面的高度； 是十分重要的。若回填土的渗透眭小，且回填质量较高，那么雨水和施 Ｌ为基坑下游地下室外墙至上游基坑边的距离。 工用水就不易回灌到基坑底部，基坑内地下水位的变化幅度较小，这对 抗浮没汁是有利的。但目前的基坑吧槽回填分项工程的施工水平很难 ３浮力荷载计算 （健筑地下结构抗浮技术规范》（征求意见）（以下简称规范）中６．２ 达到规范的要求，同时在部分地区，本着就地取材的原则，回填材料多 生土，导致雨水入渗地下水位短时间内增长较陕，对抗浮设计 浮力荷载计算，已详细叙述了如何进行地下水浮力计算，在此仅对浮力 采用非黏『计算提出一些个＾看法。 不利。由于回填土质量的重要性，必须按设计要求进行回填，局部由于 夯实填土施工有困难，可采取浇灌低等 ３．１《规范》表６．２．２不同土层基底浮力荷载标准值计算方法中所列 地下室外侧与护坡桩的距离小，计算公式，应该是在基坑肥槽按设计要求分层夯实回填密实的前提下， 级硅或者石粉渣掺水泥回填，以确保其质量目。 是在勘察期间钻孔均按规范要求进行封孔的前提下，否则需重新按最 ４５抗浮锚杆设计需注意的几个问题。首先是抗浮锚杆存在的—些 问题：地下结构、局部抗浮不稳定区域宜选用抗浮锚杆方案，不适 不利情况考虑地下水浮力影响。 ３．２《岩土工程手册》９４版中７．１．１节中：当建筑物位于粉土、砂土、碎 宜于地下水水位变化较大的场地，因锚杆在反复拉压状态下的工作性 石上和节理裂隙发育的岩石地基时，按设计水位ｌ００ 浮托力；当 能有待进一步的实验研究，普通锚杆受拉后杆体周围的灌浆体开裂艘 建筑物位于节理裂隙不发育的岩石地基时，按设计水位５∞ ｒ算浮托 钢筋或钢绞线极易受到地下水的侵蚀，锚杆截面小，易受腐蚀；抗浮锚 力；当建筑物位于粘陛土地基时，其浮托力较难确切地确定，应结合地 杆与底板的结点是防水的薄弱环节。目前对于永久构件抗拔锚杆的抗 生降低问题不易解 区的实际经验考虑。其中对于节理裂隙不发育的岩石地基的地下水浮 腐蚀问题一直不能得到很好的解决，长期存在耐久ｌ力是否可以按５０ 斗算？ 决，这将在一定程度上其适用性。其次是对抗浮锚杆的设计还有待 而《岩土工程勘察规范））（ＧＢ５００２１—２００１）中：对节理不发育的岩石 于优化。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 ａ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 和粘土且有地方经验或实测数据时，可根据经验确定。说明在对节理不 ．发育的岩石地基进行浮力计算时，按５ 新算时，需有充分依据可以证 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 明岩石地基的完整性。 ３３实际工程中常常会遇到两层含水层间存在较厚的糟陛土层，且 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 所受的水力梯度有限，此时受起始水力梯度的影响，含水层水头影响范 不合理。ｈ利用上部结构自重和锚杆共同抗浮，其计算方法为：（总的水 围受限。影响范围内存在正的孔隙水压力，其值可以通过越流渗流分析 浮力设计值一底板及Ｅ部结构自重设计值）／单根锚杆设计值＝所需锚 确定。影响范围以外粘性土体中结合水处于粘滞状态，土体也可能处于 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 非饱和状态，此时孔隙水压力远小于理沦静水压力甚至为负值，地下室 杆间距用底部面积除所需锚杆根数确定。本方法减去上部建筑自重后 可能不受浮力作用日。（图３）・ 的水浮力由锚杆平均承担，存在安全隐患。文献 为合理做法是：抗 柱、墙、梁影响区域和纯底板 张忠胤教授（１９８０）将厚层粘性土中初见水位以下至底部含水层以 浮力与水浮力平衡计算可分成两种区域：上定义为粘土层“含水带”，文献［４】其定义为“浮力作用深度”。由图３ 抵抗区域。纯底板抵抗区域的计算方｛去应是抗浮锚杆设计承载力除以 ａ），上图中ａａ’面为钻孔刚好揭露的稳定初见水位面，该面即为“浮力 每ｍ 水浮力（减去每ｍ 底板自重），得到抗浮锚杆的受力面积；而柱、 乍用深度”顶面，浮力作用深度可以根据经验公式求得（见公式４），具体 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 隹导过程详见日。上述隋况为厚层粘土底部作用承压水的情形，同样当 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。 到丢粘土顶部作用潜水时仍有类似的规律出现，见图３（ｂ）。 ５结论 且 ，０＋ｌ （４） ５．１结合已有的研究成果，总结了抗浮设防水位确定的方法，着重分 式中：Ｒ为浮力作用深度㈤；Ｈ０为ｄ点的压力水头高度㈤；Ｉ 为粘 析了不可预料隋况对地下水水位的影响，并分别给出了估算的方法。 洼土中结合水运移的起始水力梯度，无量纲，可根据出现初见水位的位 ５．２通过对《规范》学习，提出了基坑肥槽回填与钻孔圭抒Ｌ质量对浮 力荷载计算模型的影响，并建议计算浮力荷载时考虑浮力作用深度。 置汁算得出。 ４常用抗浮措施的分析讨论 ５．３抗浮措施应根据工程实际情况选用，地下水类型多、ｔ＂：ＩＩＭ￣畅时 《规范》６．５节中对各类常见的抗浮措施的适用性做了详尽的说明， 宜采用多种措施联合的抗浮方案。并规定地下结构抗浮宜根据工程实际隋况和抗浮稳定状态选用减小浮 ５．４应重视基坑肥槽回填质量，抗浮锚杆应用越来越多，但不能忽视 在设计时应考虑其适用性及认真分析其传力途径。 力、抵抗浮力等工程技术措施，或采用多种措施联合的抗浮方案。根据 所存在问题，《规范》相关内容及已有的工程经验，对常用抗浮措施提出一些个人看 参考文献 法。 【１】王建英，余广洪，程学军．建筑物抗浮设计中几个问题的分析 建筑技 ４１在地下水类型比较多，排泄不畅的情况下，抗浮方案宜采用多 术２００５，３６（７）．－５４４－５４５． 种措施联合方式。前述用公式法估算场地最高水位时，勘察期间可以确 ｆ２１余良刚．岩体基坑地下室抗浮设计水头合理取值研究［Ｊ］．２０１３：１９－３ｎ 定的水位可采用被动抗浮方式，即锚固抗浮；对于不确定的可能的意外 ｆ３］张同波，王胜．岩体基坑地下室抗浮问题的分析ｆＡ１．第十七届华东六省 ｑ，２００８． 补给造成的地下水位匕升所产生的浮力，可在地下室周边采用排水减 市建筑施工技术交流会论文集『压法消除。这样既满足了地下结构抗浮的要求，也避免了单—抗浮方式 ［４】周鹏飞．城市复杂环境下地下水浮力作用机理试验研究［ｊ ０１３，８６－－９７． 【５］张景花．地铁车站的抗浮设计叨．山西建筑，２０１０，３６（８）．：１２２－１２３． 的缺陷，使抗浮设计更趋合理。 ４２，在地下水类型较为单一情况下，当岩土层透水性差，地下水水 网吴时适回填土质量对高层建筑嵌固作用和地下室抗浮设计的重要洼 量不大，且排泄条件良好时，可采用设置截排水沟、泄水沟、渗水井、排 【Ａ】．第二十一界高层建筑结构学术会议论文［ｑ，２０１０． ７】刘冬柏，王璇．地下室抗浮设计中的几个问题讨论Ⅱｌ结构师手记系列 水盲沟等措施降低地下水；当岩土层透水性较好，则必须采用锚固抗浮 ｒ— ， ，， ～ ：一方式。 一。出版年缺失＇４２．４４．
