地下室混凝土抗浮這幾個問題一定要注意！
對于地下室設計，水浮力是設計人員必須面對的問題。但到目前為止，國家規(guī)范沒有統(tǒng)一規(guī)定抗浮水位的取值方法，只給出了取值原則，這給勘察和設計人員帶來困擾。對于抗浮驗算，不同規(guī)范有不同計算方法，但又沒有一本規(guī)范完整地對抗浮設計進行規(guī)定，設計人員往往無所適從，導致設計要么偏于保守，要么不安全。筆者結合多年設計和圖審經(jīng)驗，對地下室水浮力問題進行探討。
1、抗浮水位的確定
隨著城市建設的高速發(fā)展，高層建筑大量興起，很多高層建筑的基礎埋深超過 10m，甚至數(shù)十米，且高層建筑一般都附有純地下室。因此，在抗浮設計、地下室外墻和防水板的內(nèi)力計算配筋中，抗浮水位的確定成為一個涉及造價、施工難度和工期的十分重要的問題。但影響抗浮水位的因素眾多，不僅與氣候、水文地質(zhì)等自然因素有關，有時還與地下水開采、上下游水量調(diào)配、跨流域調(diào)水和大量地下工程建設有關，準確確定施工和使用期間的抗浮水位非常困難，抗浮水位一般應根據(jù)長期水文觀測資料確定?，F(xiàn)將較權威資料確定抗浮水位的原則羅列如下:
( 1) 規(guī)范［1］第3.0.4條第1款第6項要求，巖土工程勘察報告應提供用于計算地下水浮力的抗浮水位。
( 2) 規(guī)范［2］第4.1.13條規(guī)定: 詳細勘察應論證地下水在施工期間對工程和環(huán)境的影響; 對情況復雜的重要工程，需論證使用期間水位變化，需提出抗浮水位時，應進行專門研究。
( 3) 文獻［3］第7.1.4條第1款對抗浮水位的選取規(guī)定如下：抗浮水位應由勘察報告提供，抗浮水位參照如下情況綜合考慮確定: 1) 設計基準期內(nèi)抗浮水位應根據(jù)長期水文觀測資料確定。2) 無長期水文觀測資料時，可采用豐水期最高穩(wěn)定水位( 不含上層滯水) ，或按勘察期間實測最高水位并結合地形地貌、地下水補給、排泄條件等因素綜合確定。3) 場地有承壓水且與潛水有水力聯(lián)系時，應實測承壓水位，并考慮其對抗浮水位的影響。4) 在填海造陸區(qū)，宜取海水最高潮水位。5) 當大面積填土面高于原有地面時，應按填土完成后的地下水位變化情況考慮。6) 對一、二級階地，可按勘察期間實測平均水位增加1～3m；對臺地，可按勘察期間實測平均水位增加2～4m; 雨季勘察時取小值，旱季勘察時取大值。7) 施工期間的抗浮水位可按1～2個水文年度的最高水位確定。
( 4) 我國長江以南，雨水豐富，地下水位高，特別是暴雨季節(jié)，雨水滲入地下來不及排走，或江、湖、河水上漲，可能出現(xiàn)較高的抗浮水位。有不少工程由于未考慮這一因素，抗浮水位取值太低，導致地下室防水板強度和抗浮不足，出現(xiàn)防水板開裂、地下室上浮和傾斜等現(xiàn)象。因此，抗浮水位取值應高些。
如: 1) 《合肥市地下建( 構) 筑物抗浮設防管理規(guī)定》( 合建〔2011〕18號) 第六條規(guī)定，如無可靠的長期觀測資料，合肥市抗浮水位建議取值如下: a) 當建設場地地勢較低且較平坦時，可取室外設計地坪下0. 50m 作為抗浮水位; b) 當建設場地地勢較高且較平坦時，可取室外設計地坪下1. 00m 作為抗浮水位; c) 當建設場地地勢顯著高于周邊，地表水、地下水徑流條件較好時，可結合場地情況確定抗浮水位;d) 對于地質(zhì)條件復雜的重要工程，應進行專項水文試驗，并經(jīng)專家論證。2) 上海地區(qū)要求基本同合肥
地區(qū)。3) 福建省防洪設計暫行規(guī)定要求，對重大工程按室外地面以上0. 50m高度確定地下室的抗浮水位。
( 5) 我國北方廣大缺水地區(qū)，地下水位較低，應根據(jù)水文地質(zhì)情況及其地下水位的變化規(guī)律綜合確定抗浮水位。如：1) 《北京市建筑設計技術細則》( 結構專業(yè)) 第3.1.8 條第3、第4款規(guī)定: 地下室外墻、獨立基礎加防水板基礎中的防水板等結構構件進行承載力計算時，抗浮水位取最近3～5水文年的最高水位( 水位高度不包括上層滯水) 。2) 考慮到南水北調(diào)工程，北方地區(qū)抗浮水位應適當提高。但也有觀點認為，南水北調(diào)工程對抗浮水位的提高影響不大，如文獻［4］第361頁認為: 由于我國是缺水國家，考慮到經(jīng)濟因素，南水北調(diào)的目的僅僅是解決北方地區(qū)工業(yè)與生活用水，兼顧生態(tài)和農(nóng)業(yè)用水，不可能用于地下水回灌，因此，不會引起北方地區(qū)地下水位的明顯改變。
( 6) 對重大工程或抗浮水位對結構投資影響較大的工程，可組織專家論證，采取切實可行措施，如設盲溝或明溝將地下水排走，降低抗浮水位。
2、地下室抗浮問題
2.1、抗浮驗算方法
( 1) 文獻［3］第7.1.2條第2款規(guī)定( 規(guī)范 ［1］第5.4.3條第1款與之相同) ，按下列公式進行抗浮驗算:
G /S ≥ K (1)
式中：G為結構自重及其上作用的永久荷載標準值的總和( 不包括活荷載) ，kN; S為地下水對建筑物的浮托力( 浮力) 標準值，kN; K 為地下結構抗浮安全系數(shù)，一般取1. 05。
( 2) 文獻［3］第7.1.2條第3款規(guī)定，在進行整體抗浮驗算的同時，應對結構自重較小的區(qū)域進行局部驗算，特別是上部結構缺層或大范圍樓板缺失開洞部位。規(guī)范［1］第5.4.3條第2款規(guī)定，在整體滿足抗浮穩(wěn)定性要求而局部不滿足時，也可采用增加結構剛度的措施。
2.2、純地下室抗浮驗算
( 1) 當抗浮水位低于地下室頂時
2.4、關于抗拔樁和抗浮錨桿問題
2.4.1、抗拔樁和抗浮錨桿計算方法
當?shù)叵率铱垢〔粷M足式( 1) 時，可設置抗拔樁或抗浮錨桿。按文獻［3］第 7. 1. 5 條，采用抗拔樁或抗浮 錨 桿，應 滿 足 下 式 要 求，K 按 文 獻［3］第7. 1. 2 條第 2 款規(guī)定取值，即一般為 1. 05。
G /K + nＲ ≥ S ( 8)
式中: Ｒ 為單根樁或錨桿抗浮承載力特征值，取群樁( 群錨) 基礎呈整體破壞或非整體破壞時基樁抗拔力較小值; n 為抗拔樁或抗浮錨桿的數(shù)量。
抗拔樁或抗浮錨桿的設計可分別按文獻［3］第7. 2 節(jié)、7. 3 節(jié)方法進行。
群樁基礎呈整體破壞時基樁抗拔力可按文獻［3］第 7. 2. 2 條第 2 款計算，但文獻［3］中沒有給出群錨基礎呈整體破壞時基樁抗拔力計算方法，此時基樁抗拔力可采用基礎下錨桿范圍內(nèi)總的土體重量( 此時采用浮重度計算土體重量) 除以錨桿數(shù)量?；A下錨桿范圍內(nèi)總的土體重量為規(guī)程［5］第 4. 4. 9
2.4.2、抗拔樁和抗浮錨桿抗拔承載力確定
對于抗拔樁的承載力確定，不同規(guī)范要求稍有區(qū)別，設計可從嚴執(zhí)行：1) 規(guī)范［1］第8.5.9條規(guī)定，應通過單樁豎向抗拔載荷試驗確定單樁豎向抗拔承載力特征值。2) 規(guī)范［6］第 5. 4. 6 條及條文說明規(guī)定，甲、乙級應通過單樁上拔靜載荷試驗確定單樁豎向抗拔承載力; 群樁基礎和丙類樁基可按規(guī)范［6］第5.4.6條第2款計算確定單樁豎向抗拔承載力，不試樁( 該條條文說明指出，事實上群樁抗拔難以通過試驗確定) ，但該條文說明要求丙類樁基應進行工程樁抗拔靜載試驗( 驗收) 檢測。3) 文獻［3］未對試樁要求做具體規(guī)定，承載力估算可按文獻［3］第7.2.2條、7.2.7條進行，但第11.3.11條規(guī)定，抗拔工程樁完成后應采用靜載荷試驗進行抗拔承載力檢驗。4) 規(guī)程［7］第5.2.8條規(guī)定，甲、乙級應通過單樁靜載荷試驗確定單樁豎向抗拔承載力，丙級可按規(guī)程［7］第5.2.8條第2款計算確定單樁豎向抗拔承載力。5) 規(guī)范［8］第3.3.1條規(guī)定，為設計提供依據(jù)的試驗樁，應依據(jù)設計確定的基樁受力狀態(tài)，采用相應的靜載 試 驗 方 法 確 定 單 樁 極 限 承 載 力。6) 規(guī)范［9］第8.6.7條規(guī)定，高層抗拔樁的抗拔承載力應通過現(xiàn)場抗拔靜載荷試驗確定，也可按規(guī)范［9］第8.6.8～8.6.10 條估算抗拔承載力，但第8.6.8～8.6.10條條文說明指出，正式施工前仍應進行抗拔靜載荷試驗驗證。
對于抗浮錨桿的承載力確定，不同規(guī)范要求也有區(qū)別，設計也可從嚴執(zhí)行: 1) 規(guī)范［1］未涉及抗浮錨桿，只涉及巖石錨桿。2) 文獻［3］第7.3.2條第1款規(guī)定，設計等級為甲級的建筑物，單根錨桿軸向抗拔承載力應通過現(xiàn)場試驗確定; 對其他建筑物可按文獻［3］第7.3.2 條第 1 款進行單根錨桿軸向抗拔承載力估算，分別按文獻［3］第7.3.2 條第2款、第3款進行錨桿桿體的橫截面積及錨桿桿體與砂漿之間的錨固長度驗算，同時，第11.3.13條規(guī)定，抗浮錨桿完成后應采用靜載荷試驗進行抗拔承載力檢驗。3) 對 于高壓噴射擴大頭 錨 桿，按規(guī)程［5］第4.6.3條規(guī)定，錨桿抗拔力應通過現(xiàn)場原位基本試驗確定；無試驗資料時，可按該條計算，但實際施工時必須經(jīng)過現(xiàn)場基本試驗驗證確定。4) 規(guī)范［9］第8. 6. 7 條規(guī)定，高層抗浮錨桿的抗拔承載力應通過現(xiàn)場抗拔靜載荷試驗確定，但初步設計估算時可按規(guī)范［9］第8.6.11條進行。5) 規(guī)范［10］第11.2. 2條規(guī)定，錨桿承載力可按該規(guī)范第4.6節(jié)計算；規(guī)范［10］第12.1.6條規(guī)定，永久性錨桿工程( 地下室抗浮錨桿屬永久性錨桿) 應進行錨桿基本試驗；規(guī)范［10］第12.1.14條規(guī)定，塑性指數(shù)大于17的土層錨桿、強風化的泥巖或節(jié)理裂隙發(fā)育張開且充填有黏性土的巖層中的錨桿應進行蠕變試驗。
抗拔樁還要進行樁身承載力與裂縫控制計算算，可按文獻［3］第7.2.3條進行。
2.4.3、抗拔樁和抗浮錨桿驗收檢測
( 1) 抗拔樁: 規(guī)范［1］第 10. 2. 17 條、規(guī)范［6］第9. 4. 6 條、規(guī)范［8］第 3. 3. 8 條規(guī)定，單樁豎向抗拔樁承載力驗收檢測應進行單樁抗拔靜載試驗。檢測數(shù)量不應少于 3 根，且不應少于總樁數(shù)的 1% ; 當工程樁總數(shù)在 50 根以內(nèi)時，不應少于 2 根。另外，抗拔樁還應進行樁身完整性檢測。
( 2) 抗浮錨桿: 文獻［3］第 11. 3. 13 條、規(guī)程［5］第 5. 8. 2 條、規(guī)范［10］第 12. 1. 19 條規(guī)定，抗浮錨桿完成后應采用靜載荷試驗進行抗拔承載力檢驗。檢測數(shù)量，文獻［3］第 11. 3. 13 條規(guī)定，不應少于總數(shù)的 5% ，且不少于 6 根; 規(guī)程［5］第 5. 8. 2 條規(guī)定，不應 少 于 總 數(shù) 的 5% ，且 不 少 于 3 根; 規(guī) 范［10］第12. 1. 19 條規(guī)定，占錨桿總量 5% 且不少于 3 根的錨桿應進行多循環(huán)張拉驗收試驗，占錨桿總量 95% 的錨桿應進行單循環(huán)張拉驗收試驗。
2.4.4、高層和裙房相連且均采用天然地基基礎時，裙房抗浮不能采用抗拔樁
當高層采用天然地基基礎且高層與裙房間未設縫時，由于高層沉降較大，為減小沉降差，使裙房沉降量不至過小，裙房應該優(yōu)先采用獨立基礎或條基( 如有防水板，防水板下應設褥墊) ，不宜采用滿堂筏基。如裙房抗浮不滿足，不能設置抗拔樁抗浮，因為抗拔樁的支承作用將導致裙房的沉降受到限制，從而加大了高層與裙房的沉降差。規(guī)范［9］第 8. 6. 6條也指出，高層建筑附屬裙房宜推薦使用抗浮錨桿。
2.4.5、抗拔樁和錨桿平面布置應注意的問題
抗拔樁和錨桿宜布置在獨立基礎或條基下，板厚較小的筏板的柱和墻下，不宜布置在防水板( 剛度較小) 或厚度較小的筏板下( 對于板厚較大的筏板，可在板下布置) 。對于防水板及板厚較小的筏板，如果將抗拔樁和錨桿均勻布置在板下，則由于防水板及板厚較小的筏板，不足以調(diào)整樁頂作用力的均勻分布，底板受到水的浮力作用而上拱，使得靠近柱的基樁分擔的水浮力較小，遠離柱的基樁分擔的水浮力較大。如果按照所有樁均勻分擔水浮力設計，則由于遠離柱的基樁實際分擔的水浮力比計算分擔的水浮力大而率先破壞，然后其余樁各個被破壞，從而導致整個結構抗浮失效。
3、防水板下褥墊設置問題
文獻［3］第 5. 2. 3 條第 1 款指出，防水板下設易壓縮材料褥墊，如聚苯板時，防水板設計配筋應按兩種情況包絡設計: 第一種情況為水浮力( 向上) 減去板自重( 板上有找平層或回填土及面層時也應扣除) 產(chǎn)生的作用; 第二種情況為板自重( 板上有找平層或回填土及面層時也應計入) 與板上恒、活載( 向下) 產(chǎn)生的作用。筆者認為: 當水浮力較大時，防水板配筋實際上是由第一種情況控制。
若防水板下不鋪設易壓縮材料褥墊，應考慮地基反力對防水板的影響。此時實際是變剛度筏基，須用有限元法分析防水板和基礎承擔的地基反力，對基礎和防水板進行配筋。
前已述及，當高層采用天然地基基礎且高層與裙房間未設縫時，由于高層沉降較大，為減小沉降差，使裙房沉降量不至過小，裙房應優(yōu)先采用獨立基礎或條基，如有防水板，防水板下必須設褥墊。除此之外，防水板下是否必須設褥墊呢? 文獻［3］第5. 2. 3 條認為，防水板下宜鋪設有一定厚度的壓縮材料( 如聚苯板) ，若防水板下不鋪設易壓縮材料褥墊，應考慮地基反力對防水板的影響。筆者認為，是否設褥墊應經(jīng)經(jīng)濟分析比較后確定，當層數(shù)較多，即豎向荷載較大，而水浮力較小時，防水板下設褥墊，按有水浮力參與計算的配筋，比不設褥墊按變剛度筏基采用筏板有限元法計算的配筋小，此時應設褥墊，使防水板僅承擔水浮力，不承擔地基反力，從而節(jié)約造價; 反之，當層數(shù)較少，特別是純地下室，水浮力較大時，情況正好相反，此時設褥墊已無意義，可不設褥墊。下面給出 2 個算例加以說明。
例 3: 某地下室為獨立基礎加防水板，地下室結構自重標準值換算成混凝土板厚計算，混凝土板厚為 0. 8m，地下室頂板覆土厚度為 0. 9m，地下室高度為 3. 2m，抗浮水位在地面以下 0. 5m，地面及地下室底板( 防水板) 活荷載均為 5. 0kN /m2。查表 1 可知，允許的地下室高度為 3. 05m( 也可按式( 3) 求得) ，稍小于 3. 2m，抗浮不滿足，采用抗拔樁或抗浮錨桿解決。如底板已進入較好持力層且不設褥墊的話，底板地基反力設計值為永久荷載控制的組合，按規(guī)范［11］第 3. 2. 3 條第 2 款，平均地基反力設計值為1. 35 × ( 0. 8 × 25 + 0. 9 × 18) + 1. 4 × 0. 7 × 2 × 5. 0 =58. 67kPa; 地下室底板水浮力標準值為 10 × ( 3. 2 +0. 9 － 0. 5) = 36kN /m2 ，水浮力設計值為 1. 35 × 36 =48. 60kPa。地基反力設計值 58. 67kPa 大于水浮力設計值 48. 60kPa 較多，因此，按變剛度筏基計算的配筋可能大于按水浮力計算的配筋，此時應設褥墊，使防水板不承擔地基反力，僅承擔水浮力，按水浮力計算配筋，從而節(jié)約造價。
例 4: 將例 3 中地下室高度改為 4. 0m，其余參數(shù)不變。經(jīng)計算允許的地下室高度為 3. 05m，比地下室高度 4. 0m 小得較多，抗浮不滿足，采用抗拔樁或抗浮錨桿解決。如底板已進入較好持力層且不設褥墊的話，地下室底板平均地基反力設計值與例 3相同，為 1. 35 × ( 0. 8 × 25 + 0. 9 × 18) + 1. 4 × 0. 7 ×2 × 5. 0 = 58. 67kPa; 地下室底板水浮力標準值為10 × ( 4. 0 + 0. 9 － 0. 5) = 44kN /m2 ，水浮力設計值為1. 35 × 44 = 59. 40kPa。 可 見，水 浮 力 設 計 值59. 40kPa 大于平均地基反力設計值 58. 67kPa。無水浮力時，基礎和底板按變剛度筏基，采用筏板有限元法求得的基礎下和基礎附近的底板下地基反力設計值將大于平均地基反力設計值 58. 67kPa，其他部位的地基反力設計值將小于平均地基反力設計值58. 67kPa。這種情況下計算的配筋將小于基礎和底板下地基反力設計值均為 58. 67kPa 時計算的配筋，更小于水浮力設計值為 59. 40kPa 時計算的配筋。
也就是說，此時按水浮力計算的底板配筋，大于不設褥墊且無水浮力時上部荷載作用下底板按變剛度筏基采用筏板有限元法計算的配筋。因此，此種情況下設褥墊已無意義，可不設褥墊，從而節(jié)約造價。
從例 3、例 4 可知，不能認為抗浮不滿足時就可不設褥墊( 如例 3) ，必須在抗浮相差較多，且超過一定數(shù)值后才可不設褥墊( 如例 4) ，是否設置褥墊應通過計算確定。原因是，抗浮計算時水浮力乘以1. 05 的安全系數(shù)，也就是將水浮力放大了 1. 05 倍;而抵抗水浮力的 G 值又不計入活荷載，因而雙重加大了水浮力與計入活荷載的地基反力之間的差值。
4、其他有關注意事項
( 1) 建筑物在施工階段也應符合抗浮穩(wěn)定性要求。
( 2) 在獨立基礎或條形基礎加防水板基礎中，當水浮力大于防水板自重及其上建筑做法( 如覆土、面層等) 重量之和時，應考慮防水板承擔的水浮力對獨立基礎或條形基礎彎矩的增大作用。具體計算方法可參見文獻［4］第 7. 4. 3 條。
( 3) 對于筏形基礎、箱形基礎，地基承載力驗算不需考慮水浮力的影響，基礎底板配筋計算一般情況下也不需考慮水浮力的影響。因為水浮力和地基反力之和與上部荷載平衡，當水浮力增大時，地基反力就減小，當水浮力減小時，地基反力就增大，當無水浮力時，就完全由地基反力平衡上部荷載。但對于抗浮不足而設抗拔樁或抗浮錨桿的筏基地下室的底板配筋，除按上部荷載作用下的基底地基反力設計值計算外，還應按水浮力設計值復核，因為后者配筋結果可能大于前者配筋結果( 參見例 4) 。并且應注意，采用水浮力計算底板配筋時，位于同一標高的水浮力相等，當上部結構布置及荷載分布較均勻時，可采用倒樓蓋法計算; 而采用上部荷載作用下的地基反力計算底板配筋時，應采用筏板有限元法求得基底反力，基底反力是不均勻的。
( 4) 地下室側(cè)板計算時，應考慮地下水側(cè)向靜水壓力，且應乘以 1. 35 的荷載分項系數(shù)。
5、結論及建議
( 1) 應根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況確定抗浮水位。
( 2) 雖然抗浮水位在地下室頂板和地面之間時的抗浮驗算公式與抗浮水位低于地下室頂板時的抗浮驗算公式不同，但其計算結果與抗浮水位低于地下室頂板時的抗浮驗算公式計算結果的誤差不大，且偏保守，保守幅度在 5% 以內(nèi)，絕大多數(shù)情況下保守幅度約為 2% 。
( 3) 不同規(guī)范對抗拔樁和抗浮錨桿的承載力確定及試樁、檢測方法稍有不同，宜從嚴把握。
( 4) 當主、裙樓基礎連成一體時，若主樓采用天然基礎，裙樓不能采用抗拔樁，應采用抗浮錨桿或壓重抗浮，否則會加大主、裙樓的沉降差。
( 5) 抗拔樁或抗浮錨桿不宜布置在防水板或板厚較小的筏板下，防水板宜布置在獨立基礎或條基下，板厚較小的筏板宜布置在墻、柱下。
( 6) 對于純地下室或?qū)訑?shù)較少的地下室，當?shù)叵滤×Ρ壬喜亢奢d大得較多，設抗拔樁或抗浮錨桿，以至于按水浮力計算的底板配筋不小于不設褥墊且無水浮力時上部荷載作用下底板按變剛度筏基，采用有限元法計算 的 配 筋 時，可 不 設 褥墊，以節(jié)約造價。當純地下室與設樁基礎的主樓地下室相連時，若純地下室部分的水浮力比上部荷載大得較多，也可不設褥墊。但純地下室或?qū)訑?shù)較少的地下室與天然地基基礎的主樓地下室相連時，由于主樓沉降較大，為減小主、裙樓沉降差，必須在純地下室或?qū)訑?shù)較少的地下室的防水板下設褥墊，加大其沉降。
( 7) 水浮力較大時，水浮力對帶防水板的獨立基礎和條形基礎有不利影響( 彎矩增大) ，應予以考慮。
( 8) 水浮力與防水板、地下室側(cè)壁配筋計算有關，但與筏基和箱形基礎的地基承載力驗算無關; 一般情況下與筏形基礎、箱形基礎底板配筋計算也無關，但水浮力比上部荷載大得較多時，水浮力與底板配筋計算有關。
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