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摘 要：本文就地下构筑物设计时抗浮设计水位的确定和抗拔桩的合理设计进行分析，并且简要分析了对于不同含（隔）水层地层组合及地下室埋深，选取合理的抗浮设计水位方法。
关键词：地下空间，设计水位，抗拔桩设计
中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：
引言：随着我国城市化进程的不断深入，城市建筑在向高层发展的同时，地下空间的利用已经成为了一种趋势。地下建筑设计中最重要的核心问题就是抗浮设计，其关键是以抗浮设计水位的确定和抗拔桩的合理设计方法为主。
本文在水浮力分类计算方法的基础上，提出了通过对含水地层的不同分布，对地下水赋存状态的不同情况与产生地下水位的不同，有针对性地选取合理的抗浮水位；并根据水位变化的范围来考虑桩基础的抗拔与抗压受力性状的变化，以此提出抗拔桩的合理设计方法。
一、抗浮设防水位的确定方法
1.对抗浮设防水位认识的现状
现有的岩土工程勘察报告只提及最高水位及常年平均水位。因此，设计人员出于安全考虑，通常以最高水位作为设计水位。但以勘察报告提及的最高水位作为设计水位显然缺乏合理性和经济性。
其实，地下水位包括历年最高水位、最低水位、静止水位、稳定水位等，它是随季节或补给条件而变化的。地下水位变化是一个随机过程，受人为因素和自然因素影响很大，因此，确定合理的抗浮水位十分困难，取历史最高水位明显是不合理的。
合理的确定方法应该是，在结构设计基准周期内（包括施工期），对多层地下含水层的水位进行测量，确定各含水层的赋存状态和地下水位，在此基础上确定抗浮水位。
2.地下水的类型
根据赋存状态，一般将地下水划分为上层滞水，潜水和承压水。
（1）上层滞水：是指埋藏在地表浅处，且具有自由水面的地下水。它的分布范围有限，其来源主要是由大气降水补给。
（2）潜水：是指埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上，具有自由水面的地下水。潜水直接受雨水渗透或河流渗入土中而得到补给，同时也直接由于蒸发或流入河流而排泄。
（3）承压水：是指埋藏在上下两个隔水层之问的地下水。承压水主要是依靠大气降水与河湖水通过潜水补给的。
3.地下室埋深与含（隔）水层的几种关系
就抗浮设计而言，抗浮设防水位确定与地下水位的类型以及建筑物所处位置都有关系一个共同的特点就是，对地下室的浮力作用取决于地下室底板直接持力含（隔）水层的类型及地下水位（水头）值，设计水位的确定是需要全面了解地下水各含水层状况。按照岩土工程勘察规范 强制性条文要求：“对多层含水层的水位测量，应采取止水措施，将被测含水层与其他含水层隔开”。因此，在进行岩土工程勘察时，对于地下建筑一定要按要求，根据地下室的埋深及所在地层，分层测量含水层的地下水位，为抗浮设计提供可靠的依据，做到安全指标和经济指标的统一。
二、浮力的合理计算
浮力的计算原理。基本原理是根据阿基米德定律：浮力等于它所排开水体体积之重量，即 式中p为单位面积水浮力；A为物体底面积；为水容重；h为物体在水中的高度。水浮力的实用计算方法这里就不做具体阐述。
三、考虑水位变化幅度对桩基设计的影响
1.水位变化幅度
当地下室底板处于上层滞水或潜水层中时，由于其受大气降水渗透或河流渗入土中而得到补给，同时也直接由于蒸发或流入河流而排泄。因此，其水位的变化直接受气候条件变化影响。
针对此情况，勘察部门应该对拟建场地进行较长期的跟踪观测和水文地质勘察，在此周期内给出历年的最高最低水位，为设计人员提供合理的抗浮设计水位的变化范围作为设计依据。
2.抗拔桩与抗压桩的关系
由于抗拔桩与抗压桩的工作机理不同，所以其受力模型不同。随着地下建筑受力状态变化，桩的受力性状也会出现变化，而这种桩受力模型的改变正是由于地下水位的变化而造成。
例如，当单建式地下室埋深较浅、地下水位又较高且变化幅度范围大时，考虑上部覆土等的较大恒载及上部消防车等的较大活载，由于水位变化，荷载组合形式不同，会出现抗拔桩转换成抗压桩的情况。
因此，需要就两种情况进行分类讨论，设计人员往往会忽略这个问题。对各工况下的荷载也没有统一、较合理的荷载组合方法。
下面将着重讨论一种考虑水位变化的桩基设计方法。
3.考虑水位变化的抗拔桩设计
计算步骤
（1）抗浮状态下设计。 ①浮力计算：根据地下室底板直接持力含（隔）水层的类型及地下最高水位（水头）值选取合适的浮力计算模型，确定产生最大水浮力的设计水位，并按照本文前述方法完成对水浮力的计算；②荷载组合恒载：地下室顶板覆土，结构自重；活载：车库内车辆，地下室顶板处车辆（消防车）；水浮力：在抗浮设计状态下，应取最大水浮力，并在设计中作为活载考虑。 根据建筑结构荷载规范GB5009-2001，对活载仅考虑其对结构的不利效应，分项系数取1.4。恒载其效应对结构有利时的分项系数取0.9，不利时的分项系数取1.35。
综上，抗拔桩设计公式为式中，K为安全系数，通常取结构的重要性系数。以此求出抗拔桩总承载力设计值；③桩长与桩数的确定，桩长确定应分两种情况讨论：当结构在任何情况下，桩基都是处于抗拔状态时，桩长仅根据单桩抗拔承载力的需要选取；当结构可能出现随水位变化，桩基由抗拔桩转变成抗压桩时，桩长需要根据抗压桩的需要选取合适的持力层，以此确定桩长。
在此基础上，综合各条件确定了桩长和桩径后，通过计算可得单桩抗拔承载力。则
（2）结果。选取抗浮设计总桩数与抗压设计总桩数的较大值作为设计总桩数的依据。
四、结论
在上述研究中，可得到如下结论：
（1）地下水浮力计算应该针对不同的含水层类型区别对待。浮力计算的关键是抗浮设计水位和赋存状态的确定。设计人员在进行浮力计算时，应根据地下室的埋藏深度及所在地层正确选择抗浮设计水位及计算模型。
（2）抗浮桩的设计应该考虑抗浮及抗压两种情况下的最不利组合，包括水位变化产生的最高最低水位，以及相应的最不利荷载组合。这样才能够使结构在抗浮、抗压两种状态下都保证安全。
参考文献
[1] 王建英，佘广洪，程学军.建筑物抗浮设计中几个问题的分析[J].建筑技术，2005；36（7）：544—545.
[2] 裴豪杰.地下结构的抗浮设计探讨[J].福建建筑，2004；86（1）：59—60.
[3] 李广信，吴剑敏.关于地下结构浮力计算的若干问题[J].土工基础，2003；17（3）：39—41.
关键词：地下空间，设计水位，抗拔桩设计
中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：
引言：随着我国城市化进程的不断深入，城市建筑在向高层发展的同时，地下空间的利用已经成为了一种趋势。地下建筑设计中最重要的核心问题就是抗浮设计，其关键是以抗浮设计水位的确定和抗拔桩的合理设计方法为主。
本文在水浮力分类计算方法的基础上，提出了通过对含水地层的不同分布，对地下水赋存状态的不同情况与产生地下水位的不同，有针对性地选取合理的抗浮水位；并根据水位变化的范围来考虑桩基础的抗拔与抗压受力性状的变化，以此提出抗拔桩的合理设计方法。
一、抗浮设防水位的确定方法
1.对抗浮设防水位认识的现状
现有的岩土工程勘察报告只提及最高水位及常年平均水位。因此，设计人员出于安全考虑，通常以最高水位作为设计水位。但以勘察报告提及的最高水位作为设计水位显然缺乏合理性和经济性。
其实，地下水位包括历年最高水位、最低水位、静止水位、稳定水位等，它是随季节或补给条件而变化的。地下水位变化是一个随机过程，受人为因素和自然因素影响很大，因此，确定合理的抗浮水位十分困难，取历史最高水位明显是不合理的。
合理的确定方法应该是，在结构设计基准周期内（包括施工期），对多层地下含水层的水位进行测量，确定各含水层的赋存状态和地下水位，在此基础上确定抗浮水位。
2.地下水的类型
根据赋存状态，一般将地下水划分为上层滞水，潜水和承压水。
（1）上层滞水：是指埋藏在地表浅处，且具有自由水面的地下水。它的分布范围有限，其来源主要是由大气降水补给。
（2）潜水：是指埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上，具有自由水面的地下水。潜水直接受雨水渗透或河流渗入土中而得到补给，同时也直接由于蒸发或流入河流而排泄。
（3）承压水：是指埋藏在上下两个隔水层之问的地下水。承压水主要是依靠大气降水与河湖水通过潜水补给的。
3.地下室埋深与含（隔）水层的几种关系
就抗浮设计而言，抗浮设防水位确定与地下水位的类型以及建筑物所处位置都有关系一个共同的特点就是，对地下室的浮力作用取决于地下室底板直接持力含（隔）水层的类型及地下水位（水头）值，设计水位的确定是需要全面了解地下水各含水层状况。按照岩土工程勘察规范 强制性条文要求：“对多层含水层的水位测量，应采取止水措施，将被测含水层与其他含水层隔开”。因此，在进行岩土工程勘察时，对于地下建筑一定要按要求，根据地下室的埋深及所在地层，分层测量含水层的地下水位，为抗浮设计提供可靠的依据，做到安全指标和经济指标的统一。
二、浮力的合理计算
浮力的计算原理。基本原理是根据阿基米德定律：浮力等于它所排开水体体积之重量，即 式中p为单位面积水浮力；A为物体底面积；为水容重；h为物体在水中的高度。水浮力的实用计算方法这里就不做具体阐述。
三、考虑水位变化幅度对桩基设计的影响
1.水位变化幅度
当地下室底板处于上层滞水或潜水层中时，由于其受大气降水渗透或河流渗入土中而得到补给，同时也直接由于蒸发或流入河流而排泄。因此，其水位的变化直接受气候条件变化影响。
针对此情况，勘察部门应该对拟建场地进行较长期的跟踪观测和水文地质勘察，在此周期内给出历年的最高最低水位，为设计人员提供合理的抗浮设计水位的变化范围作为设计依据。
2.抗拔桩与抗压桩的关系
由于抗拔桩与抗压桩的工作机理不同，所以其受力模型不同。随着地下建筑受力状态变化，桩的受力性状也会出现变化，而这种桩受力模型的改变正是由于地下水位的变化而造成。
例如，当单建式地下室埋深较浅、地下水位又较高且变化幅度范围大时，考虑上部覆土等的较大恒载及上部消防车等的较大活载，由于水位变化，荷载组合形式不同，会出现抗拔桩转换成抗压桩的情况。
因此，需要就两种情况进行分类讨论，设计人员往往会忽略这个问题。对各工况下的荷载也没有统一、较合理的荷载组合方法。
下面将着重讨论一种考虑水位变化的桩基设计方法。
3.考虑水位变化的抗拔桩设计
计算步骤
（1）抗浮状态下设计。 ①浮力计算：根据地下室底板直接持力含（隔）水层的类型及地下最高水位（水头）值选取合适的浮力计算模型，确定产生最大水浮力的设计水位，并按照本文前述方法完成对水浮力的计算；②荷载组合恒载：地下室顶板覆土，结构自重；活载：车库内车辆，地下室顶板处车辆（消防车）；水浮力：在抗浮设计状态下，应取最大水浮力，并在设计中作为活载考虑。 根据建筑结构荷载规范GB5009-2001，对活载仅考虑其对结构的不利效应，分项系数取1.4。恒载其效应对结构有利时的分项系数取0.9，不利时的分项系数取1.35。
综上，抗拔桩设计公式为式中，K为安全系数，通常取结构的重要性系数。以此求出抗拔桩总承载力设计值；③桩长与桩数的确定，桩长确定应分两种情况讨论：当结构在任何情况下，桩基都是处于抗拔状态时，桩长仅根据单桩抗拔承载力的需要选取；当结构可能出现随水位变化，桩基由抗拔桩转变成抗压桩时，桩长需要根据抗压桩的需要选取合适的持力层，以此确定桩长。
在此基础上，综合各条件确定了桩长和桩径后，通过计算可得单桩抗拔承载力。则
（2）结果。选取抗浮设计总桩数与抗压设计总桩数的较大值作为设计总桩数的依据。
四、结论
在上述研究中，可得到如下结论：
（1）地下水浮力计算应该针对不同的含水层类型区别对待。浮力计算的关键是抗浮设计水位和赋存状态的确定。设计人员在进行浮力计算时，应根据地下室的埋藏深度及所在地层正确选择抗浮设计水位及计算模型。
（2）抗浮桩的设计应该考虑抗浮及抗压两种情况下的最不利组合，包括水位变化产生的最高最低水位，以及相应的最不利荷载组合。这样才能够使结构在抗浮、抗压两种状态下都保证安全。
参考文献
[1] 王建英，佘广洪，程学军.建筑物抗浮设计中几个问题的分析[J].建筑技术，2005；36（7）：544—545.
[2] 裴豪杰.地下结构的抗浮设计探讨[J].福建建筑，2004；86（1）：59—60.
[3] 李广信，吴剑敏.关于地下结构浮力计算的若干问题[J].土工基础，2003；17（3）：39—41.