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关于地下建筑物抗浮设计的讨论 湖北建鄂勘察设计审查咨询有限公司 袁内镇 内容提要 地下建筑物抗浮设计是一个普遍存在的重要技术问题，由于缺乏专门、系统的研究，抗浮设计中常出现缺陷或错误，导致地下建筑物浮起，结构损坏的事例屡见不鲜；另一方面抗浮水位确定不合理或抗浮措施采取不当，造成重大浪费的问题也时有发生。本文根据规范的原则要求，结合地下建筑物浮起事故处理的经验及笔者的认识，对地下建筑物浮起的机理、浮起的类型、抗浮水位的确定、抗浮设计计算以及抗浮措施等进行了阐述，可供地下建筑物设计和施工参考。 地下建筑物抗浮设计是一个复杂的技术问题，由于岩土工程条件及地下水的多变性，特别是缺乏专门系统的研究资料和观测资料，对于几乎成为学术研究空白点的地下建筑物抗浮设计，相关规范没有条件作出更加明确具体的规定，导致认识上的分岐和设计工作的困难和混乱，不断引发地下建筑物浮起、结构破坏事故，或出现不应有的浪费现象。 为解决抗浮设计的基本认识和具体操作问题，有必要对抗浮机理等重要概念进行澄清，对抗浮设计涉及的重要问题进行探讨。 一、地下建筑物浮起的机理及基本条件 众所周知，水对地下建筑物的浮力大小遵循阿基米德原理，水对物体的浮力等于物体排开同体积水的重量。容易引起忽视的是在地下水长期作用下，水的浮力同时也遵循连通管原理，即在地下水长期作用且均匀补给的渗透系数相同的透水土层中孔隙和孔道中的水位等高，地下水位下同一标高孔隙水的压强相等。鉴于实际情况中土的渗透系数不等，特别是水的补给来源不均，补给水量也不等，因此，客观表现的地下水位呈动态变化，在一个场地各点水位往往不相等，上层滞水水位变化更大，但各点水位按连通管原理逐步平衡的趋势是不变的。因此，透水土层在地下水长期浸泡下，地下建筑物与周围岩土介质间因地下水通过大孔道或微小的孔隙渗入达到一定水位时，无论水的性质是潜水、上层滞水或承压水，无论渗入水量的多少，即使岩土介质与地下结构外墙间形成薄层水膜，即可产生强度为γh的浮力(γ为水的重度，h为建筑物基底以上的水深)，当水浮力强度大于地下建筑物单位面积的重量时，建筑物即可浮起，当水不断补充，建筑物将继续上浮。所以，建筑物浮起是一个渐进过程。水位高低是控制建筑物上浮的基本要素，水量的大小控制着建筑物的上浮量，地下建筑的浮起破坏是上述两个因素综合作用的结果，缺一不可。单是水位达到上浮临界水位，建筑物开始微小浮起，此时，如果水未继续补充，或渗入的水量小于基底和周边土的渗出水量时，则建筑物不会继续上浮，地下结构不致破坏，已渗入基底的水在建筑物重量作用下，渗入基底或周边土介质之中，此时人们并未发现地下建筑上浮的危险征兆。这就是许多地下建筑物未采取抗浮措施，也未发现严重浮起的原因。 一个简单的试验可以说明问题，将大小与形状相同的两个碗叠摞在一起，两碗之间的空隙填充砂或土，用滴管向两碗间隙中滴水，由于两碗间的间隙较小，间隙内水位达到临界上浮水位时，虽然滴入的水量远不到碗的重量，但上面的碗已被浮起。 至于水在岩土中的渗流规律对浮力的影响问题，属深层次的课题，但其结果对抗浮设计的影响不大。 二、地下建筑物上浮的类型和破坏特点 按上浮的时间和阶段可分为施工阶段上浮、使用阶段上浮和地下储罐、水池检修卸载时的上浮。 按上浮诱因可分为上层滞水(含地面水及雨水)、潜水和承压水单独引发的上浮或不同性质地下水有水力联系时综合引发的上浮。其中以上层滞水引发的上浮最为常见。 地下建筑物上浮有整体上浮和局部上浮两种，面积不大的地下建筑物和水池等，常发生整体上浮。面积很大的地下建筑物常发生局部上浮，如一个连通的大的地下室上分布有若干栋塔楼的常见结构形式，塔楼下的地下室不致浮起，而塔楼以外的单纯地下室则可能浮起；一个大的地下室周边因有外墙的重量以及外墙与墙外填土摩阻力的影响，周边不浮起，而地下室中部重量较轻，可能会浮起等。 不论地下建筑物是整体上浮或局部上浮，其浮起量是不均匀、不对称的，原因是地下建筑物重量分布不一定均匀，填土与外壁的摩阻力不相等、水渗入基底的通道分布不均匀、土的渗透系数不等、地下水位不等高、水位上升速度不同等因素所致。当地下建筑物某一处的地下水位率先达到上浮临界水位后，该处结构将先行浮起。 由于地下建筑物浮起量的不均匀、不对称，浮起过程常发生结构的破坏，具体表现为：底板及顶板出现不规则裂缝，梁柱节点柱的上下端出现反对称水平裂缝，梁端出现垂直裂缝或斜裂缝等，上述裂缝的产生，均为不均匀上浮形成的巨大的附加弯矩和剪力作用的结果。 三、地下建筑物的抗浮设计 地下建筑物的抗浮设计应考虑以下几个主要问题，并进行必要的验算。 1、施工阶段、使用阶段及检修卸荷阶段等不同阶段及工况的抗浮稳定验算。 2、整体抗浮稳定的验算及局部抗浮稳定的验算。地下建筑物不仅要满足整体抗浮的稳定要求，在墙体较少或荷载较小的