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摘要:随着高层建筑的日益增多，以及地下空间的开发利用，地下混凝土结构的埋置深度和体量也不断增加，地下水对建筑物施工、使用过程的影响也就不断加大。本文结合多年的工作实践，对影响地下室抗浮因素进行分析，结合工程实践提出解决抗浮技术措施，以解决地下结构物的抗浮问题。
关键词:地下室；抗浮；预防技术
随着地下结构物的日渐增多，埋深较大的地下室抗浮问题就显得尤为重要。在我国沿海地区因地下水浮力作用或抗浮措施不当曾发生过多起地下室破坏的事故。有的地下室底板隆起，导致底板破坏；有的地下建筑物整体浮起，导致梁柱结点处开裂及顶板、底板同时破坏等等。因此，地下室抗浮应是设计要重视的问题之一。
由于地下結构所受的浮力与其埋深、地质条件、地下水位、地下水的来源等诸多因素相关，如何选取抗浮验算参数及采取什么样的预防措施将成为重点。
1影响地下室结构上浮因素
对地下结构应进行整体抗浮和局部抗浮验算，局部抗浮要情况具体分析。整体抗浮应满足：K=G/F，式中：G-上部结构的重力；F-作用在结构上的水浮力；K—抗浮验算的安全系数。浮力计算主要需要考虑：水容重γw、水头高差Δh 及侧壁摩阻力。
1.1抗浮水位的影响与选取
建筑设防水位的确定对建筑物的安全和投资有着重要的影响。对于水头差，黄志仑《关于地下建筑物的地下水扬力问题分析》中认为水头差为地下水位与基础底面的差值。如高层楼房：假设其基础底面位于潜水层下h 处，由于水头差的存在，必然会有渗透，经过若干年，渗流将达到稳定。假定原地面水位不变，若干年后的水头差应小于h，基础底面所受浮力就要减小。而对于临时性构筑物如基坑工程，一般基坑开挖时采用支挡和隔水措施，基坑内外因水头差而形成渗流，水头差就更难确定。在地面下数十米的深度内，存在多层地下水，其水头高差选择应结合当地的水文、地勘资料及地下水位变化等相关资料研究确定，必须要确保安全又经济合理。
1.2地下室上部结构荷载取值
对于于上部结构重力G，应结合具体情况考虑：当地下室面积与上部主体结构面积相等时，可比较地下室水浮力与建筑总荷重的关系，判断是否可能发生上浮。但当上部主体建筑有裙房时，采用地下室总荷重只能计算到裙房的楼层；当地下室面积大于上部主体建筑±0.00 层面积，或按裙房楼层比较浮力与建筑物总荷重，浮力大于建筑物总荷重时，应以竖向受力构件为单元分析浮力的平衡状态，特别是边柱、角柱和上部没有压重的单元；对于地下室层数较多而地上层数不多之建筑物，应慎重验算地下水之浮力作用，在验算建筑物抗浮能力时，应不考虑活载。
1.3地下室刚度
地下室结构物在水浮力作用下是否产生不均匀上浮，板底荷载的实际分布和地下室整体刚度大小（即地下室整体变形协调能力大小）有很大影响。
对于高层建筑下的地下室结构，传统设计方法将底板上的高层主楼、低层裙房和纯地下车库分别与地下水浮力进行比较计算，而实际上诸多设计人员仅用建筑物基底的平均荷载（基底平均反力）与浮力比较来决定考虑结构上浮问题。对于无上部结构地下室底板在水浮力作用下的内力计算，对筏板基础，如地基较均匀，基础底板刚度大，一般采用倒置的倒楼盖计算；如基础底板刚度较小，常按弹性地基梁计算，水浮力的影响较大。基础在上部荷载作用下，产生盆形沉降的情况下，基底应力产生重分布。边柱有较大的超荷载，而内柱有不同程度的卸载，即出现“架桥”作用。
2地下室抗浮的常用措施
当抗浮安全系数大于1.05及以上时，在施工及使用过程可暂不考虑采取措施，仅对地下室结构进行定期沉降、变形观测。当抗浮安全系数小于1.05时则要考虑对地下室抗浮采取适当的措施，避免地下室上浮发生破坏。
2.1配重抗浮
小型水池一般不需要配重抗浮，因其池壁相距较近, 再加上底板向外突出部分上部的土重和壁板与土的摩擦力，抗浮安全系数很容易满足规范要求。
配重抗浮一般有三种方法，一是在底板上部配低等级混凝土压重或者是在顶板覆土配重；二是设较厚的钢筋砼底板；三是在底板下部设低等级砼挂重。一、二种方法的优点是简单可靠，当构筑物的自身重度与浮力相差不大时，应尽量采用配重抗浮，对工程造价的影响小，投产后亦没有管理成本。但构筑物的自身重度与浮力相差较大时，因配重部分厚度增大及挖土排水、抗弯的增大，将会增加工程量使土建造价提高；如采用底板下设砼挂重的方法，壁板的弯矩值小，底板的钢筋用量也不会增加，但底板和挂重部分砼须用钢筋连接，施工比较麻烦，特别地下水对钢筋砼具有侵蚀性时，设挂重的方法须谨慎。
2.2 锚固抗浮
锚固抗浮可分为锚杆和抗拔桩抗浮两类。
锚杆抗浮：锚杆是在底板和板下土层之间的拉杆，当底板下有坚硬土层且深度不大时，设锚杆不失为一种即简便又经济的方法；近年来，在饱和软粘土地基中，锚杆技术也得到发展应用。锚杆抗浮要注意：一是当构筑物内无水时，锚杆处于受拉状态，当构筑物满水时，锚杆又处于受压状态，锚杆有可能受到反复拉压的作用；二是锚杆的施工需有专门的机械，施工前要进行试验，同时，较细的锚杆在施工时有一定的难度，如何控制钢筋偏移，如何使灌浆饱满、如何避免断杆等都是施工难题；三是当地下水有侵蚀性对锚杆的耐久性要求提高，这将在一定程度上限制其适用性。本文工程实例将重点介绍锚杆抗浮的施工。
抗拔桩抗浮：抗拔桩利用桩侧摩阻力和自身重度来抵抗浮力，桩型可采用灌注桩或预制桩，桩径一般为400mm，桩距和桩长应通过计算确定，桩距不宜过大，否则会增加底板厚度，桩端最好能伸入相对较硬的土层。抗拔桩也有拉压受力问题，但其施工较简单，耐久性亦比锚杆容易得到保证。
2.3降水抗浮
其具体做法是在构筑物底板下设反滤层，在周围可设降水井，降水井和反滤层间用盲沟相连，使水的浮力可以自由释放，从而保证构筑物的稳定。降水抗浮的关键问题是反滤层的设计，当土的颗粒较细时，应采取可靠措施防止土粒随地下水的涨落而进入反滤层，引起反滤层堵塞而失去作用。降水抗浮的优点是工程造价低。但其可靠性差，如反滤层被堵塞，则水位很难降至底板以下。
该方法可通过延长后浇带的封闭时间，使水的压力从底板扩散到地下室内配合使用。在后浇带封闭达到设计强度按设计要求及时顶板回土复压，使地下室抗浮系数大于1.05。但该方法在施工过程要重点观测沉降变化，如有超出要求应立即采取措施。
2.4摩擦抗浮法
摩擦抗浮法土壤与地下结构物间存在摩擦力，这种力量也可以抵抗地下结构物的上浮。该力的大小依土壤的侧压力及各土层的摩擦情况而定。但是这种侧压力的大小很难准确确定，可靠度不高，如需采用，其设计的安全系数应当提高，并且要在地下结构物有相当的位移后，才能真正地起动这种摩擦力。可配合将地下结构物的底板向外延伸而形成翼板，由翼板承托覆土以抵抗上浮力。但在实际工程中，对规模较大的地下结构物由于受场地及开挖土方造价限制，很少采用此法作抗浮措施。
3工程实例
3.1工程概况
某酒店，建筑面积5.8万m2，地下两层，地上十一层，框架结构。单层地下室面积9800 m2，其中约3000 m2为没有上部塔楼的纯地下室，无覆土。地质报告提供的地下水位为-1.500m。地下二层底板板面标高-9.65m，底板厚300mm，采用φ500PHC静压管桩桩基础。该工程于2009年底主体施工完毕，进入装修阶段，没有进行上浮稳定验算即停止降水。2010年2月进入雨季后，发现纯地下室部分上浮，最大上浮量达到195mm。
后经多方讨论计算决定采用预应力锚杆抗浮措施进行加固，但目前，土中抗浮锚杆的设计、施工和检测尚无明确的规范标准，主要参考《土层锚杆设计与施工规范》CECS22∶90，因此施工的过程检测及控制将成为重点。
3.2锚杆的设计与试验
锚杆设计抗浮力经计算，工程单位面积上水浮力标准值为42kN/m2，覆土、顶底板和墙柱等结构自重标准值为33kN/m2，结构自重抗浮力分项系数取0.9，则单位面积上设计抗浮力标准值为12.3kN/m2。考虑抗浮锚杆间距为3.0m，梅花形布置，则单根锚杆的抗浮力设计值为111kN。
取三根锚杆发生破坏前的荷载作为极限荷载，其平均值240kN作为抗拔锚杆的极限承载力，抗拔承载力设计值取为120kN大于111KN。
3.3施工工藝
测量定位→锚索编号→成孔→洗孔、下锚索→注浆→张拉、锁定→质量检验。
3.4施工技术分析
成孔的水平方向偏差不大于50mm，垂直度偏差不大于1%，钻具直径为Φ168mm；钻孔深度应超出设计深度不少于0.5m。
为了保证孔内泥浆较彻底洗净，在清水洗孔后应采用高压空气洗孔。高压气管应伸至孔底，气管底端封死，底部500mm范围内布置4~5排出气孔，底部气管的直径应在Φ10mm以上。洗孔时，应从孔底洗起，慢慢来回转动出气管，并缓慢拔出气管，气管拔出的同时应通过注浆管从孔底注入水泥浆，水泥浆的水灰比为1.5:1，比重为1.3~1.4之间。气管的拔出速度应控制在1m/min之内，每根锚索洗孔时间不小于10min。
下索时，应防止锚索扭压弯曲，且预留张拉长度不得小于1.5m。同时注浆管应随锚索下放。
锚杆注浆采用两次注浆工艺。第一次注浆为常压注浆，从孔底开始注浆，待浆液流至孔口结束。一次注浆边灌注边拔管，保证注浆管的管头插入浆液口以下不小于1m，实际注浆量应大于理论注浆量，即充盈系数不得小于1.0。第二次采用高压注浆，范围为强风化岩，注浆压力不小于2.5MPa；在第一次注浆体初凝之后进行，并采用注浆压力控制(压力达到5MPa后，稳压注浆2min)。二次注浆管采用φ15铁管，管底注浆范围内每间距750周圈各钻3φ5孔后用工程胶布封牢，管底部封死。注浆水泥采用PO425R硅酸盐水泥，第一次水灰比为0.4:1，二次注浆水灰比为0.6~0.7:1。
张拉、锁定：锚杆张拉锁定在注浆体强度达到30MPa、锚头混凝土达设计强度80%后进行后进行，锚具为OVM锚具，用YC-100型穿芯式千斤顶、电动油泵加荷锁定。用油压表的读数换算成张拉压力进行锁定控制。
锚杆检测：采用抗拉试验检测承载力，同一条件下，试验数量不少于锚杆总数的10%。最后选择10根锚索进行试验，在各自最大试验荷载作用下，锚头位移相对稳定，未出现异常现象。锚索在各自极限荷载作用下的弹性变形值满足《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2002)规范中“锚杆(索)在各自极限荷载作用下的弹性变形值均大于自由段长度变形计算值的80%”，“且均小于自由段长度与1/2锚固段长度之和的弹性变形计算值”的要求。
4结束语
地下建筑物的抗浮设计关系到结构使用年限内的安全问题，应根据工程地质资料、施工条件、地下情况进行周密计算、精心施工，尤其注意施工阶段的抗浮问题。本工程经抗浮加固后，经历了几次大暴雨和雨季的考验，没有上浮，抗浮措施达到预期的效果。
参考文献：
[1]许录明 抗浮锚杆在郑州市中孚广场工程中的应用[J]岩土工程界2005年(04)
[2]贾金青 陈进杰. 大型地下建筑抗浮工程的设计与施工技术[J]. 建筑技术2002,(05)
[3]杨燕艳 有关于大型地下结构抗浮桩设计研究中国期刊网
[4]刘冬柏地下室抗浮设计中的几个问题讨论《中外建筑》2010年02月
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:地下室；抗浮；预防技术
随着地下结构物的日渐增多，埋深较大的地下室抗浮问题就显得尤为重要。在我国沿海地区因地下水浮力作用或抗浮措施不当曾发生过多起地下室破坏的事故。有的地下室底板隆起，导致底板破坏；有的地下建筑物整体浮起，导致梁柱结点处开裂及顶板、底板同时破坏等等。因此，地下室抗浮应是设计要重视的问题之一。
由于地下結构所受的浮力与其埋深、地质条件、地下水位、地下水的来源等诸多因素相关，如何选取抗浮验算参数及采取什么样的预防措施将成为重点。
1影响地下室结构上浮因素
对地下结构应进行整体抗浮和局部抗浮验算，局部抗浮要情况具体分析。整体抗浮应满足：K=G/F，式中：G-上部结构的重力；F-作用在结构上的水浮力；K—抗浮验算的安全系数。浮力计算主要需要考虑：水容重γw、水头高差Δh 及侧壁摩阻力。
1.1抗浮水位的影响与选取
建筑设防水位的确定对建筑物的安全和投资有着重要的影响。对于水头差，黄志仑《关于地下建筑物的地下水扬力问题分析》中认为水头差为地下水位与基础底面的差值。如高层楼房：假设其基础底面位于潜水层下h 处，由于水头差的存在，必然会有渗透，经过若干年，渗流将达到稳定。假定原地面水位不变，若干年后的水头差应小于h，基础底面所受浮力就要减小。而对于临时性构筑物如基坑工程，一般基坑开挖时采用支挡和隔水措施，基坑内外因水头差而形成渗流，水头差就更难确定。在地面下数十米的深度内，存在多层地下水，其水头高差选择应结合当地的水文、地勘资料及地下水位变化等相关资料研究确定，必须要确保安全又经济合理。
1.2地下室上部结构荷载取值
对于于上部结构重力G，应结合具体情况考虑：当地下室面积与上部主体结构面积相等时，可比较地下室水浮力与建筑总荷重的关系，判断是否可能发生上浮。但当上部主体建筑有裙房时，采用地下室总荷重只能计算到裙房的楼层；当地下室面积大于上部主体建筑±0.00 层面积，或按裙房楼层比较浮力与建筑物总荷重，浮力大于建筑物总荷重时，应以竖向受力构件为单元分析浮力的平衡状态，特别是边柱、角柱和上部没有压重的单元；对于地下室层数较多而地上层数不多之建筑物，应慎重验算地下水之浮力作用，在验算建筑物抗浮能力时，应不考虑活载。
1.3地下室刚度
地下室结构物在水浮力作用下是否产生不均匀上浮，板底荷载的实际分布和地下室整体刚度大小（即地下室整体变形协调能力大小）有很大影响。
对于高层建筑下的地下室结构，传统设计方法将底板上的高层主楼、低层裙房和纯地下车库分别与地下水浮力进行比较计算，而实际上诸多设计人员仅用建筑物基底的平均荷载（基底平均反力）与浮力比较来决定考虑结构上浮问题。对于无上部结构地下室底板在水浮力作用下的内力计算，对筏板基础，如地基较均匀，基础底板刚度大，一般采用倒置的倒楼盖计算；如基础底板刚度较小，常按弹性地基梁计算，水浮力的影响较大。基础在上部荷载作用下，产生盆形沉降的情况下，基底应力产生重分布。边柱有较大的超荷载，而内柱有不同程度的卸载，即出现“架桥”作用。
2地下室抗浮的常用措施
当抗浮安全系数大于1.05及以上时，在施工及使用过程可暂不考虑采取措施，仅对地下室结构进行定期沉降、变形观测。当抗浮安全系数小于1.05时则要考虑对地下室抗浮采取适当的措施，避免地下室上浮发生破坏。
2.1配重抗浮
小型水池一般不需要配重抗浮，因其池壁相距较近, 再加上底板向外突出部分上部的土重和壁板与土的摩擦力，抗浮安全系数很容易满足规范要求。
配重抗浮一般有三种方法，一是在底板上部配低等级混凝土压重或者是在顶板覆土配重；二是设较厚的钢筋砼底板；三是在底板下部设低等级砼挂重。一、二种方法的优点是简单可靠，当构筑物的自身重度与浮力相差不大时，应尽量采用配重抗浮，对工程造价的影响小，投产后亦没有管理成本。但构筑物的自身重度与浮力相差较大时，因配重部分厚度增大及挖土排水、抗弯的增大，将会增加工程量使土建造价提高；如采用底板下设砼挂重的方法，壁板的弯矩值小，底板的钢筋用量也不会增加，但底板和挂重部分砼须用钢筋连接，施工比较麻烦，特别地下水对钢筋砼具有侵蚀性时，设挂重的方法须谨慎。
2.2 锚固抗浮
锚固抗浮可分为锚杆和抗拔桩抗浮两类。
锚杆抗浮：锚杆是在底板和板下土层之间的拉杆，当底板下有坚硬土层且深度不大时，设锚杆不失为一种即简便又经济的方法；近年来，在饱和软粘土地基中，锚杆技术也得到发展应用。锚杆抗浮要注意：一是当构筑物内无水时，锚杆处于受拉状态，当构筑物满水时，锚杆又处于受压状态，锚杆有可能受到反复拉压的作用；二是锚杆的施工需有专门的机械，施工前要进行试验，同时，较细的锚杆在施工时有一定的难度，如何控制钢筋偏移，如何使灌浆饱满、如何避免断杆等都是施工难题；三是当地下水有侵蚀性对锚杆的耐久性要求提高，这将在一定程度上限制其适用性。本文工程实例将重点介绍锚杆抗浮的施工。
抗拔桩抗浮：抗拔桩利用桩侧摩阻力和自身重度来抵抗浮力，桩型可采用灌注桩或预制桩，桩径一般为400mm，桩距和桩长应通过计算确定，桩距不宜过大，否则会增加底板厚度，桩端最好能伸入相对较硬的土层。抗拔桩也有拉压受力问题，但其施工较简单，耐久性亦比锚杆容易得到保证。
2.3降水抗浮
其具体做法是在构筑物底板下设反滤层，在周围可设降水井，降水井和反滤层间用盲沟相连，使水的浮力可以自由释放，从而保证构筑物的稳定。降水抗浮的关键问题是反滤层的设计，当土的颗粒较细时，应采取可靠措施防止土粒随地下水的涨落而进入反滤层，引起反滤层堵塞而失去作用。降水抗浮的优点是工程造价低。但其可靠性差，如反滤层被堵塞，则水位很难降至底板以下。
该方法可通过延长后浇带的封闭时间，使水的压力从底板扩散到地下室内配合使用。在后浇带封闭达到设计强度按设计要求及时顶板回土复压，使地下室抗浮系数大于1.05。但该方法在施工过程要重点观测沉降变化，如有超出要求应立即采取措施。
2.4摩擦抗浮法
摩擦抗浮法土壤与地下结构物间存在摩擦力，这种力量也可以抵抗地下结构物的上浮。该力的大小依土壤的侧压力及各土层的摩擦情况而定。但是这种侧压力的大小很难准确确定，可靠度不高，如需采用，其设计的安全系数应当提高，并且要在地下结构物有相当的位移后，才能真正地起动这种摩擦力。可配合将地下结构物的底板向外延伸而形成翼板，由翼板承托覆土以抵抗上浮力。但在实际工程中，对规模较大的地下结构物由于受场地及开挖土方造价限制，很少采用此法作抗浮措施。
3工程实例
3.1工程概况
某酒店，建筑面积5.8万m2，地下两层，地上十一层，框架结构。单层地下室面积9800 m2，其中约3000 m2为没有上部塔楼的纯地下室，无覆土。地质报告提供的地下水位为-1.500m。地下二层底板板面标高-9.65m，底板厚300mm，采用φ500PHC静压管桩桩基础。该工程于2009年底主体施工完毕，进入装修阶段，没有进行上浮稳定验算即停止降水。2010年2月进入雨季后，发现纯地下室部分上浮，最大上浮量达到195mm。
后经多方讨论计算决定采用预应力锚杆抗浮措施进行加固，但目前，土中抗浮锚杆的设计、施工和检测尚无明确的规范标准，主要参考《土层锚杆设计与施工规范》CECS22∶90，因此施工的过程检测及控制将成为重点。
3.2锚杆的设计与试验
锚杆设计抗浮力经计算，工程单位面积上水浮力标准值为42kN/m2，覆土、顶底板和墙柱等结构自重标准值为33kN/m2，结构自重抗浮力分项系数取0.9，则单位面积上设计抗浮力标准值为12.3kN/m2。考虑抗浮锚杆间距为3.0m，梅花形布置，则单根锚杆的抗浮力设计值为111kN。
取三根锚杆发生破坏前的荷载作为极限荷载，其平均值240kN作为抗拔锚杆的极限承载力，抗拔承载力设计值取为120kN大于111KN。
3.3施工工藝
测量定位→锚索编号→成孔→洗孔、下锚索→注浆→张拉、锁定→质量检验。
3.4施工技术分析
成孔的水平方向偏差不大于50mm，垂直度偏差不大于1%，钻具直径为Φ168mm；钻孔深度应超出设计深度不少于0.5m。
为了保证孔内泥浆较彻底洗净，在清水洗孔后应采用高压空气洗孔。高压气管应伸至孔底，气管底端封死，底部500mm范围内布置4~5排出气孔，底部气管的直径应在Φ10mm以上。洗孔时，应从孔底洗起，慢慢来回转动出气管，并缓慢拔出气管，气管拔出的同时应通过注浆管从孔底注入水泥浆，水泥浆的水灰比为1.5:1，比重为1.3~1.4之间。气管的拔出速度应控制在1m/min之内，每根锚索洗孔时间不小于10min。
下索时，应防止锚索扭压弯曲，且预留张拉长度不得小于1.5m。同时注浆管应随锚索下放。
锚杆注浆采用两次注浆工艺。第一次注浆为常压注浆，从孔底开始注浆，待浆液流至孔口结束。一次注浆边灌注边拔管，保证注浆管的管头插入浆液口以下不小于1m，实际注浆量应大于理论注浆量，即充盈系数不得小于1.0。第二次采用高压注浆，范围为强风化岩，注浆压力不小于2.5MPa；在第一次注浆体初凝之后进行，并采用注浆压力控制(压力达到5MPa后，稳压注浆2min)。二次注浆管采用φ15铁管，管底注浆范围内每间距750周圈各钻3φ5孔后用工程胶布封牢，管底部封死。注浆水泥采用PO425R硅酸盐水泥，第一次水灰比为0.4:1，二次注浆水灰比为0.6~0.7:1。
张拉、锁定：锚杆张拉锁定在注浆体强度达到30MPa、锚头混凝土达设计强度80%后进行后进行，锚具为OVM锚具，用YC-100型穿芯式千斤顶、电动油泵加荷锁定。用油压表的读数换算成张拉压力进行锁定控制。
锚杆检测：采用抗拉试验检测承载力，同一条件下，试验数量不少于锚杆总数的10%。最后选择10根锚索进行试验，在各自最大试验荷载作用下，锚头位移相对稳定，未出现异常现象。锚索在各自极限荷载作用下的弹性变形值满足《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2002)规范中“锚杆(索)在各自极限荷载作用下的弹性变形值均大于自由段长度变形计算值的80%”，“且均小于自由段长度与1/2锚固段长度之和的弹性变形计算值”的要求。
4结束语
地下建筑物的抗浮设计关系到结构使用年限内的安全问题，应根据工程地质资料、施工条件、地下情况进行周密计算、精心施工，尤其注意施工阶段的抗浮问题。本工程经抗浮加固后，经历了几次大暴雨和雨季的考验，没有上浮，抗浮措施达到预期的效果。
参考文献：
[1]许录明 抗浮锚杆在郑州市中孚广场工程中的应用[J]岩土工程界2005年(04)
[2]贾金青 陈进杰. 大型地下建筑抗浮工程的设计与施工技术[J]. 建筑技术2002,(05)
[3]杨燕艳 有关于大型地下结构抗浮桩设计研究中国期刊网
[4]刘冬柏地下室抗浮设计中的几个问题讨论《中外建筑》2010年02月
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。