劉澤坤

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

1 概述

在飼料車間地下結構抗浮設計時，其安全性與經濟性與廠區(qū)場地的地形地貌、地下水分布規(guī)律及其變化趨勢等因素密切相關[1]，如果設計不夠合理，容易造成工程經濟性差或有安全隱患；因此，在實際工程應用中，如何經濟合理的進行飼料車間地下結構抗浮設計是必須解決的復雜問題。

地下結構抗浮設計中存在的問題大部分屬于交叉專業(yè)學科，結構工程師在進行抗浮設計時，如何兼顧工程的安全性與經濟性，是個十分復雜的問題；本文針對地下結構抗浮設計中存在的主要問題，進行較為全面深入的分析，探討其在實際工程應用中的設計原則及注意事項，并提出相應的合理建議，以供結構工程師在進行地下結構抗浮設計時參考。

2 抗浮設防水位

抗浮設防水位是整個使用期內地下結構可能遭遇的地下水峰值水位，它與多種因素有關，例如場地地形、地貌單元、地下水類型、地下水水位、歷史水位的變化及幅度、工程建設可能導致水文地質條件改變引起的地下水位變化程度、鄰近工程降水、區(qū)域地下水開采和水文環(huán)境變化的影響程度和趨勢、區(qū)域水利規(guī)劃、鄰近地表水系水位變化等對場地地下水水位的影響程度和趨勢、場地及其周邊已有排水系統(tǒng)的分布和有效能力等，因此，如何確定經濟合理的抗浮設防水位是個十分復雜的問題。

另外，由于勘察階段工作工期短，很難滿足一個完整水文年的地下水位監(jiān)測要求，且大部分勘察單位無長期的、系統(tǒng)的區(qū)域水文觀測資料；因此，為保證建筑物的結構安全，抗浮設防水位的確定不能僅依靠勘察單位，應根據建筑使用功能、勘察報告建議、工程經驗綜合分析后確定[2]。

在確定抗浮設防水位時，定的過高，工程費用浪費巨大，經濟性差；定的過低，在水浮力作用下，結構可能產生上浮破壞，后果很嚴重；因此，需要注意以下情況：

(1)當場地賦存多種類型地下水，且各類地下水有水利聯系時，應按各類地下水的最高水位確定[3]。

(2)當場地位于低洼地帶時，確定抗浮設防水位應考慮雨季可能被淹沒的情況[3]。

(3)當場地位于坡地且高差較大時，應考慮地下水的滲流影響，分區(qū)分段確定抗浮設防水位[3]。

抗浮設防水位是整個使用期內地下結構可能遭遇的地下水峰值水位，這個水位是根據建筑場地條件預測的未來可能出現的一個水位[4]，它實際依賴于各地區(qū)長期、完整的水位動態(tài)監(jiān)測記錄；由于我國地域廣闊，且各地區(qū)水文地質情況千差萬別，大部分勘察單位受水位觀測資料不足的限制，很難對抗浮設防水位提出合理的建議，建議國家有關部門能夠整合各方力量，聯合編制，建立區(qū)域級乃至國家級的水位動態(tài)監(jiān)測數據庫，為工程建設提供基礎信息支持。

3 抗浮穩(wěn)定性驗算

3.1 整體抗浮穩(wěn)定性驗算

文獻[5]第6.4.1條規(guī)定，抗震縫或變形縫劃分的各區(qū)抗浮穩(wěn)定狀態(tài)應按下式進行計算確定：

Kf=∑W/(A∑Ff)

(1)

式中：Kf為計算區(qū)域整體的抗浮穩(wěn)定性系數，按表1取值；∑W為計算區(qū)域總抗浮力標準值，包括結構自重、結構上的填筑材料自重、結構上的固定設備及永久堆積物自重、抗浮構件提供的抗拔力；A為計算區(qū)域的底板面積；∑Ff為計算區(qū)域地下結構底板所承受的浮力標準值總和，包括靜水位差產生的浮力、承壓水水頭產生的浮力、水力坡降穩(wěn)定滲流產生的浮力。

表1 建筑工程抗浮穩(wěn)定狀態(tài)判定標準

3.2 局部抗浮穩(wěn)定性驗算

對于主裙樓結構、高底層結構，因為建筑自重分布不均，可能存在整體抗浮穩(wěn)定性滿足，而局部區(qū)域抗浮穩(wěn)定性不滿足的情況；此時，應按照上部結構荷載分區(qū)、不同基礎形式分區(qū)、抗震縫或變形縫分區(qū)，進行局部區(qū)域的抗浮穩(wěn)定性驗算；文獻[5]第6.4.3條規(guī)定，局部區(qū)域抗浮穩(wěn)定狀態(tài)應按下式進行計算確定：

Kn=∑W1/(A1∑Fn)

(2)

式中：Kn為計算區(qū)域抗浮穩(wěn)定性系數，按表1取值；∑W1為計算區(qū)域總抗浮力標準值；A為計算區(qū)域的底板面積；∑Fn為計算區(qū)域地下結構底板所承受的浮力標準值總和。

在地下結構抗浮設計時，建議保證每根框架柱均能滿足局部抗浮穩(wěn)定性驗算；否則，在水浮力作用下，局部框架柱上浮，還須驗算抗浮穩(wěn)定不足處的局部次結構的強度問題；但是大部分的局部次結構與主體結構連接區(qū)域構造復雜，計算模型邊界條件難以準確模擬，目前應用時存在安全隱患；局部抗浮穩(wěn)定性驗算簡圖見圖1。

圖1 局部抗浮穩(wěn)定性驗算簡圖

3.3 施工期間抗浮穩(wěn)定性驗算

地下結構應考慮施工期間各種工況下不利荷載組合時的抗浮穩(wěn)定性驗算；驗算時，抗浮設防水位可根據勘察期間場地穩(wěn)定地下水位并考慮季節(jié)變化影響的最不利工況水位確定，并應根據降水停止時的施工進度決定是否計入結構上的建筑面層及覆土重量。

實際工程中，建議施工期間的抗浮穩(wěn)定性采用臨時抗浮措施解決，包括地下水的控制措施(施工期間的基坑降水、止水措施)、地表水的控制措施(施工期間的防地表水匯入基坑措施)、雨水抽排措施(雨季施工的基坑內積水抽排措施)。

4 抗浮技術方案

抗浮技術方案涉及因素多，對結構的安全性與經濟性影響巨大，建議結構工程師在前期方案設計階段即參與分析比較；例如可以在滿足場地土方平衡及與周邊道路標高銜接的情況下適度抬高場地標高，或通過控制建筑凈高、結構梁高的措施來降低地下結構埋深，減少地下水浮力作用；也可以采用結構自重較大的結構型式，例如無梁樓蓋、主梁大板樓蓋等來主動增加結構自重；上述措施均需多個相關專業(yè)的協(xié)調配合，在前期方案設計階段，時間相對充裕，配合相對簡單，容易取得良好的經濟效益。

當地下結構抗浮穩(wěn)定性驗算不能滿足時，應根據抗浮穩(wěn)定狀態(tài)、地下結構類型、場地實際情況采用適當的抗浮措施，并經技術經濟比較后最終確定；常用的抗浮措施根據采用的方式方法分為主動抗浮措施和被動抗浮措施，見表2、表3。

表2 主動抗浮措施

表3 被動抗浮措施

4.1 主動抗浮措施

當場地及其周邊水文地質條件允許時，可以采用排水限壓、泄水降壓、隔水控壓的方法對地下水進行主動控制，作為地下結構的抗浮措施。

主動抗浮措施選用是否合理，取決于對場地及其周邊水文地質條件的深入了解，例如地下水的類型、地下水與鄰近地表水系的水力聯系等等；與被動抗浮相比較，主動抗浮不僅能夠解決地下結構抗浮穩(wěn)定性問題，還能夠大大降低地下結構的基礎底板與擋土墻承受的地下水壓力，減少工程造價，經濟效益明顯[1]。

主動抗浮措施在地下結構整個使用期間，需要對其設備進行運行及檢修，并應配備長期維護與應急措施，增加了建筑運營管理成本，另外，主動降水容易引起周邊建筑物沉降，造成安全隱患。

4.2 被動抗浮措施

當水浮力與結構自重差距不大時[6]，推薦采用增加結構荷載的方法作為地下結構的抗浮措施；例如增大地下結構頂板上的覆土重量，或在地下結構底板上回填容重較大的鋼渣混凝土等措施，均能增加結構壓重[7]；但是該類措施同時需要加大地下結構的埋深，水浮力也會相應增大，另外，鋼渣混凝土等填充材料市場價格較高，因此，采用時需進行充分的技術經濟分析。

當結構基礎型式為樁基礎時，采用抗浮樁是比較安全可靠的抗浮措施；抗浮樁設計時應注意基礎間的協(xié)調變形，盡量保證所有承壓樁均為抗壓抗浮兩用樁；對于上部荷載差異較大的主裙樓、高底層結構，應考慮地下水處于低水位時，重力荷載效應控制時的情況；抗浮樁優(yōu)先推薦采用單節(jié)預應力混凝土管樁，當單節(jié)長度不足采用多節(jié)管樁時，應注意節(jié)頭端板的焊接質量及樁身的垂直度，并應對抗浮力進行折減；當采用混凝土灌注樁作為抗拔樁時，應注意樁身裂縫的控制，鼓勵采用預應力混凝土灌注樁，其裂縫控制及經濟效益均較好。

當結構基礎型式為天然地基或復合地基時，采用抗浮錨桿是較為合理的抗浮措施，其具有施工簡單、構造簡單、單位造價低等優(yōu)點，在建筑工程中應用最為廣泛；抗浮錨桿設計時應注意，在水浮力作用下，由于地下結構底板的位移及各錨桿承受水浮力的不均勻，應充分考慮上部結構荷載分布、結構基礎型式、底板剛度等對抗浮錨桿的影響[8]，并建議采用跨中均勻布置(受力較均勻)或跨中非均勻布置(受力最均勻)的方式，不要將其集中布置在上部結構荷載直接影響范圍內；錨桿合理布置方式示意圖見圖2。無論采用何種抗浮技術方案，均應注意地下結構基坑的回填處理，基坑回填應采用黏性土、灰土等弱透水材料分層夯實回填，如肥槽寬度過窄，不能保證回填質量時，應采用素混凝土回填，另外，建議在地下結構基坑肥槽邊緣外不小于1 m范圍內，設置混凝土封閉帶，減小地表水下滲影響[5]。

圖2 錨桿合理布置方式示意圖

5 結論

(1)抗浮設防水位與多種因素有關，如何確定經濟合理的抗浮設防水位是個十分復雜的問題，由于勘察階段工作工期短，很難滿足一個完整水文年的地下水位監(jiān)測要求，且大部分勘察單位無長期的、系統(tǒng)的區(qū)域水文觀測資料，為保證建筑物的結構安全，抗浮設防水位的確定不能僅依靠勘察單位，應根據建筑使用功能、勘察報告建議、工程經驗綜合分析后確定。

(2)抗浮設防水位依賴于各地區(qū)長期、完整的水位動態(tài)監(jiān)測記錄,我國地域廣闊，且各地區(qū)水文地質情況千差萬別，大部分勘察單位受水位觀測資料不足的限制，很難對抗浮設防水位提出合理的建議，建議國家有關部門能夠整合各方力量，聯合編制，建立區(qū)域級乃至國家級的水位動態(tài)監(jiān)測數據庫，為工程建設提供基礎信息支持。

(3)在地下結構抗浮設計時，建議保證每根框架柱均能滿足局部抗浮穩(wěn)定性驗算；否則，在水浮力作用下，局部框架柱上浮，還須驗算抗浮穩(wěn)定不足處的局部次結構的強度;大部分的局部次結構與主體結構連接區(qū)域構造復雜，計算模型邊界條件難以準確模擬，具體設計中如果設計人員對其定義錯誤，或應用軟件錯誤，就會造成設計錯誤，存在安全問題。

(4)地下結構應考慮施工期間的抗浮穩(wěn)定性驗算；驗算時，抗浮設防水位可根據勘察期間場地穩(wěn)定地下水位并考慮季節(jié)變化影響的最不利工況水位確定，并應根據降水停止時的施工進度決定是否計入結構上的建筑面層及覆土重量；實際工程中，建議施工期間的抗浮穩(wěn)定性采用臨時抗浮措施解決。

(5)抗浮技術方案涉及因素多，對結構的安全性與經濟性影響巨大，建議結構工程師在前期方案設計階段即參與分析比較。

(6)當結構基礎型式為樁基礎時，采用抗浮樁是比較安全可靠的抗浮措施，設計時應注意基礎間的協(xié)調變形。

(7)當結構基礎型式為天然地基或復合地基時，采用抗浮錨桿是較為合理的抗浮措施，抗浮錨桿設計時建議采用跨中均勻布置(受力較均勻)或跨中非均勻布置(受力最均勻)的方式，不要將其集中布置在上部結構荷載直接影響范圍內。