近幾年來，有不少地下室因地下水的作用而造成工程事故，如某醫(yī)院兩層獨(dú)立地下車庫，在施工過程中，出現(xiàn)整體上浮，最大上浮高度達(dá)1.42m；又如，某體育中心游泳館，地下室上浮造成上部結(jié)構(gòu)梁、板、柱產(chǎn)生大量裂縫；再如，某高層建筑地下室底板局部隆起高達(dá)350mm，柱間板出現(xiàn)45°破壞性裂縫……諸如此類問題時有發(fā)生，造成了財產(chǎn)的損失。本文對產(chǎn)生這些事故的原因歸納總結(jié)成以下四個方面，與同行們共同討論：
一、抗浮設(shè)計中基本概念
在多個地下室因水浮力作用而引發(fā)的工程亊故中，我們發(fā)現(xiàn)有些設(shè)計人員對地下水的作用認(rèn)識不足，抗浮設(shè)計的基本概念不夠清晰，常見的有下列幾種情況：
1）重視地下室的梁、板、柱、墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計，忽視整體抗浮驗算分析，忽視施工的抗浮措施，總認(rèn)為具有上萬噸自重的地下室怎么會浮起來呢
2）地下室底板裂縫、漏水，甚至成為地下游泳池，把某些實(shí)質(zhì)上是因為地下水的作用遠(yuǎn)大于設(shè)計荷載而造的工程事故，錯判為溫度應(yīng)力作用、砼施工質(zhì)量問題等。
3）對于基底為不透水土層的地基（基巖、堅硬粘土），深基坑支護(hù)又采用了止水帷幕或樁、錨、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，忽視水的浮力。
試想萬噸級以上大船能在江、河、海中航行，可見水的作用力之大。地下室就像一條“船”，地下室底板和側(cè)墻形成一個密閉的船身，它的水浮力有多少呢，是它浸泡在水中的體積乘以水容重，若一個50×100m的地下室，抗浮水位為5m，它的浮力為25000噸，可見水浮力之大。地下室的抗浮設(shè)計就是要使這個船既不上浮，船身又不破壞，因此，地下室的抗浮設(shè)計應(yīng)進(jìn)行整體抗浮和局部抗浮驗算。
為防止地下室整體上浮我們通常采用兩類做法，一類為“壓”，一類為“拉”。 當(dāng)采用“壓”的做法時，利用建筑的自重（包括結(jié)構(gòu)及建筑裝修、上部覆土等，不含樓面活荷載）平衡地下室水的總浮力，當(dāng)不能平衡時，必須增加“拉”的做法，即采用樁或錨桿等來抵抗地下水的浮力。無論是“壓”還是“拉”的做法，都必須進(jìn)行整體抗浮驗算，保證抗浮力（壓重+抗拉力）大于水的總浮力，即 。
局部抗浮驗算，除了梁板墻柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度驗算、變形驗算和裂縫驗算，還應(yīng)包括局部的抗浮驗算，對于大面積地下室上建有多棟高層和低層建筑，建筑自重不均勻，當(dāng)上部為高層或恒荷載較大時，該范圍的整體抗浮能力可能較高，但上部沒有建筑或建筑層數(shù)不多的局部范圍，特別應(yīng)進(jìn)行分區(qū)、分塊的局部抗浮驗算，例如：柱、樁、墻的壓力或拉力能否平衡它所影響區(qū)域里的水浮力總值。
然而有些設(shè)計人員對上述最基本的概念還不夠清晰，例如，有些設(shè)計人員只對地下室底板的梁、板、墻在地下水浮力荷載作用下的強(qiáng)度計算，未做整體抗浮的認(rèn)真分析，特別是獨(dú)立地下室、水池等，造成地下室整體上浮，給地下室結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重破壞，難以進(jìn)行復(fù)原處理。又如有些設(shè)計人員利用上部結(jié)構(gòu)自重抗浮，只計算上部結(jié)構(gòu)總自重標(biāo)準(zhǔn)值大于總的水浮力設(shè)計值，就認(rèn)為抗浮設(shè)計滿足要求。既不分析其上部建筑荷載的分布，又未計算局部抗浮，局部范圍因抗浮力小于水浮力，底板隆起、造成地下室及上部結(jié)構(gòu)局部范圍內(nèi)大面積破壞。再如，在地下室底板計算中只驗算強(qiáng)度不進(jìn)行變形的裂縫寬度的計算，造成底板產(chǎn)生裂縫，漏水嚴(yán)重，形成“地下游泳池”。
更值得一提的是，有些設(shè)計人員和施工人員對地表水作用認(rèn)識不足，當(dāng)?shù)叵率业鼗鶠椴煌杆膸r土層、支護(hù)又嚴(yán)密的基坑，一般認(rèn)為不存在水的浮力，因此造成施工期間或使用期間地下室上浮破壞的盲點(diǎn)，一旦暴雨來臨，地面的地表水全流入基坑形成“腳盆”效應(yīng)，即基坑為 “大腳盆”，地下室成為“小腳盆”。施工期間一旦未及時采取降水措施就會將“小腳盆”浮起，使用期間若不將四周的回填土采用粘性土分層夯實(shí)形成止水層，也同樣會產(chǎn)生“腳盆”效應(yīng)。
另外，有些設(shè)計人員和施工人員忽視施工對地下室抗浮的重要性，設(shè)計圖紙對施工時抗浮措施的要求只字不提，施工人員在施工過程中不關(guān)注降水，沒有采取降水措施或在抗浮結(jié)構(gòu)未達(dá)到設(shè)計預(yù)定目標(biāo)時就停止了降水，導(dǎo)致在施工期間產(chǎn)生地下室整體上浮事件時有發(fā)生，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因除經(jīng)驗外，主要是對我國現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范，規(guī)定不了解。例如《地下室防水技術(shù)規(guī)范》在第10章中明確規(guī)定了，“明挖法地下室防水施工時，地下水位應(yīng)降至工程底部最低高程500mm以下，降水作用應(yīng)持續(xù)至回填完畢”；建設(shè)部《建筑工程設(shè)計文件編制深度規(guī)定》的第 4.4.3條第8款中，規(guī)定了“地下室抗?。ǚ浪┰O(shè)計水位及抗浮措施，施工期間的降水要求及終止降水的條件等”應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計說明中明示；這些規(guī)定是經(jīng)驗的總結(jié)，我們應(yīng)該嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定做好地下室的抗浮設(shè)計和抗浮施工。
綜上所述，我們在進(jìn)行工程的抗浮設(shè)計時，要做到以下三個步驟：
1）
2）
3）
二、地下室抗浮水位的確定
勘察單位在提供的勘察報告中，地下室的抗浮水位不嚴(yán)謹(jǐn)，而設(shè)計人員又缺乏對勘察報告的認(rèn)真研讀和分析，表現(xiàn)出如下四種情況的隨意性：
1）
2）
3）
4）
以上四種做法中，第1）、2）、3）種情況，導(dǎo)致地下室因抗浮能力不夠而使得結(jié)構(gòu)破壞，第4種導(dǎo)致不合理的設(shè)計，增大工程投資，造成資源浪費(fèi)。
地下室抗浮水位是一個十分復(fù)雜的問題，地質(zhì)場地土層差異性，場地土內(nèi)陸下水復(fù)雜多變性，給地下室抗浮水位的確定帶來了較大困難，然而抗浮水位又是地下室抗浮設(shè)計中一個決定性的參數(shù)。
如何做到既安全又合理的確定其抗浮水位？勘察、設(shè)計人員應(yīng)遵照《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021）及《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》（JGJ 72）的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行勘察和分析。其中，根據(jù)《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》第8.6.2條，場地地下水抗浮設(shè)防水位的綜合確定宜符合下列規(guī)定：
1）
2）
3）
此外，設(shè)計人員對于下列一些特殊情況還應(yīng)進(jìn)行必要的分析和論證：一是地下水賦存條件復(fù)雜、變化幅度大、區(qū)域性補(bǔ)給和排泄條件可能有較大改變或工程需要時，應(yīng)進(jìn)行專門論證；二是對于斜坡地段的地下室或可能產(chǎn)生明顯水頭差的場地上的地下室進(jìn)行抗浮設(shè)計時，應(yīng)考慮地下水滲流在地下室底板產(chǎn)生的非均布荷載對地下室結(jié)構(gòu)的影響，不要籠統(tǒng)的采用勘察報告所提供的遠(yuǎn)高于室外地坪的地下室抗浮水位來進(jìn)行設(shè)計。水是往低處流的，若建筑物一側(cè)或多側(cè)是敞開的，水浮力不可能高出室外地坪；三是在有水頭壓差的江、河岸邊，且存在濾水層，應(yīng)按設(shè)計基準(zhǔn)期的最高洪水位來確定其抗浮水位；四是對于雨水豐富的南方地區(qū)，尤其應(yīng)注意因地面標(biāo)高發(fā)生變化后對原勘察報告抗浮水位的修正，防止產(chǎn)生地表水聚集效應(yīng)對地下室的破壞。
三、抗浮驗算中的幾個參數(shù)討論
1. 我國不同規(guī)范對水浮力和抵抗力的分項系數(shù)有不同的取值，造成設(shè)計人員分項系數(shù)取值時的混亂。
《荷載規(guī)范》中第 3.2.5條規(guī)定，抵抗水浮力的結(jié)構(gòu)自重作為永久荷載，對結(jié)構(gòu)有利組合時其分項系數(shù)γG取1.0是無爭議的，但水浮力是可變荷載，其分項系數(shù)γQ應(yīng)如何取值呢？在該條第3款中，“對結(jié)構(gòu)傾覆、滑移和漂浮驗算，荷載的分項系數(shù)應(yīng)按有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定采用”。在查閱相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，民用建筑地下室及人民防空地下室均未涉及到此項內(nèi)容，只有《給排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50069提到了關(guān)于水浮力可變荷載的分項系數(shù)問題。
2. 錨桿工作系數(shù)和錨桿鋼筋取值
錨桿抗浮設(shè)計時，錨桿鋼筋截面面積計算現(xiàn)行的規(guī)范中無明確的計算規(guī)定，因此設(shè)計單位有兩種不同版本的設(shè)計公式。
第二種，采用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中，錨桿鋼筋截面面積的計算公式：
從兩個公式中，我們可以看出鋼筋強(qiáng)度fy是一致的，可按照《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第4.2.3條表4.2.3-1的抗拉鋼筋設(shè)計強(qiáng)度取值。
公式中不同的是，《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》公式中多了兩個系數(shù)，一是邊坡工程重要性系數(shù)γ0，若取1.0，在本文中不做討論，二是錨桿鋼筋的抗拉工作條件系數(shù)ζ2，作為永久性錨桿時取0.69。上述兩公式計算得出的錨桿鋼筋截面面積就比較大了。加之，一般錨桿的抗拉鋼筋直徑大、強(qiáng)度高，有些設(shè)計人員采用《砼規(guī)范》中鋼筋的軸心受拉強(qiáng)度公式，既未取工作條件系數(shù)，而且未按規(guī)范4.2.3-1表注取值，“在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，軸心受拉和小偏心受拉構(gòu)件的鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值對于300N/mm2時，仍應(yīng)按300 N/mm2取用”，而設(shè)計人員采用HRB400級鋼筋時，仍取fy=360 N/mm2。而有些設(shè)計人員采用《建筑邊坡技術(shù)規(guī)范》錨桿鋼筋截面計算公式，工作條件系數(shù)ζ2取0.69，HRB400鋼筋的抗拉強(qiáng)度又取300 N/mm2，錨桿鋼筋的計算面積之大，使人難以接受，兩種不同的版本形成了相差一倍的計算結(jié)果，是值得我們探討和研究的，從抗浮錨桿的工作條件，參照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》的計算公式，并無道理，但抗浮錨桿的成孔及構(gòu)造要求較之邊坡錨桿要穩(wěn)定得多，如清孔較容易，砼強(qiáng)度要求C30等，采用《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》較為接近構(gòu)件的受力特征。在錨桿鋼筋截面的計算中，我們建議按《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的正截面受拉承載力計算的公式，但鋼筋的取值應(yīng)該按軸心受拉和小偏心受拉構(gòu)件的鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值計算，這樣顯得較為合理。
四、錨桿抗浮驗算傳力途徑
在目前的地下室采用錨桿抗浮設(shè)計中，有下列2種混亂的方法：
1）上部建筑結(jié)構(gòu)荷重不滿足整體抗浮要求，采用錨桿抗浮。其計算方法為：總的水浮力設(shè)計值/單根錨桿設(shè)計值＝所需錨桿根數(shù)。具體做法：底板下（連柱底或砼墻下）滿鋪錨桿，水浮力全部由錨桿承擔(dān)，既不考慮上部建筑自重，也不考慮地下室底板自重可抵抗水浮力的作用，保守且不合理。
2）利用上部結(jié)構(gòu)自重和錨桿共同抗浮，其計算方法為：（總的水浮力設(shè)計值－底板及上部結(jié)構(gòu)自重設(shè)計值）/單根錨桿設(shè)計值＝所需錨桿根數(shù)。具體做法：將錨桿均勻分布在底板下（包括柱底或砼墻下），錨桿間距用底部面積除所需錨桿根數(shù)確定。
以上兩種抗浮設(shè)計方法，都出現(xiàn)了傳力途徑不清晰的錯誤。從理論上說，不管采用“壓”還是“拉”的方法抵抗水浮力，水的浮力是均勻作用在底板上，而結(jié)構(gòu)抗浮力作用（除底板自重外）都具有不均勻性，并不是在整個地下室底板區(qū)域均勻分布的，可能是集中在一個點(diǎn)上（即柱、樁和錨桿）或一條線上（即墻、梁），因此，分析其傳力途徑尤為重要。
如圖所示，由于與柱、墻相連的梁板一定范圍內(nèi)具有一定的剛度，水浮力可直接與上部結(jié)構(gòu)自重平衡，而上部自重很難傳遞至遠(yuǎn)離梁、柱、樁、墻的區(qū)域。因此，上述第一種方法全部采用錨桿抗浮，上部結(jié)構(gòu)自重未充分利用。第二種方法，減去上部建筑自重后的水浮力由錨桿平均承擔(dān)，存在安全隱患。因為，中間區(qū)域的錨桿實(shí)際受力不會是減去上部自重的水浮力，上部建筑自重是集中在一個點(diǎn)（即柱）或一條線（即墻、梁）上的，要達(dá)到將自重均勻分布到底板上的假定，底板必須具備兩個條件，一是完全按自重抗浮，底板的梁板采用倒置樓蓋計算，保證水浮力傳至柱上或墻上，二是做到底板剛度無窮大，才有可能將點(diǎn)線作用力均勻分布與錨桿共同抗浮。實(shí)際結(jié)構(gòu)未滿足上述兩個條件時，一旦地下水達(dá)到抗浮設(shè)計水位，首先中間純底板抵抗區(qū)域的錨桿破壞和失效，然后慢慢延伸至柱、墻、梁影響區(qū)域的錨桿，造成所有錨桿失效，最后底板隆起，梁板開裂破壞。
合理做法是：抗浮力與水浮力平衡計算可分成兩種區(qū)域：柱、墻、梁影響區(qū)域和純底板抵抗區(qū)域。純底板抵抗區(qū)域的計算方法應(yīng)是抗浮錨桿設(shè)計承載力除以每平方米水浮力（減去每平米底板自重），得到抗浮錨桿的受力面積；而柱、墻、梁影響區(qū)域應(yīng)充分利用上部建筑自重進(jìn)行抗浮，驗算傳遞的上部建筑自重是否能平衡該區(qū)域的水浮力，此外，還應(yīng)驗算在水浮力作用下梁強(qiáng)度和裂縫滿足要求。
計算方法具體可分解為以下四個方面：
1）在柱、墻、梁影響區(qū)格中：梁、墻可以傳遞的建筑自重線荷載除以每平方米的水浮力，得到影響區(qū)域的寬度b。其中梁傳遞的建筑自重荷載，根據(jù)柱子的建筑自重按照與其相連的梁剛度分配所得。
2）靠近梁、墻的第一排錨桿：其從屬寬度b0應(yīng)是梁、墻傳遞建筑自重影響區(qū)域的寬度b，即b0=b，由于每根錨桿的抵抗面積有限，當(dāng)上部自重較大時，為充分利用該部分自重，可以考慮加密靠近地梁第一排錨桿的間距。
3）純底板抵抗區(qū)域的計算方法應(yīng)是抗浮錨桿設(shè)計承載力除以每平方米水浮力，得到抗浮錨桿的受力面積，即A單根錨桿=c2=q水/F單根錨桿，其中c為純底板抵抗區(qū)域中間排錨桿的間距。例如，水浮力設(shè)計值為每平方米50kN，單根抗浮錨桿的設(shè)計承載力為250kN，它能承受的抗浮力的受力面積為5平方米，若采用點(diǎn)式布置，錨桿的間距為2.25*2.25米。
4）第一排錨桿與第二排錨桿的間距a=b/2+c/2。
無論是柱、墻、梁和純底板區(qū)格的結(jié)構(gòu)構(gòu)件（錨桿、梁、板、墻）計算時應(yīng)注意兩個問題，一是水浮力設(shè)計值都不應(yīng)該直接采用抗浮的水浮力值，應(yīng)減去底板本身的自重。二是梁、板、柱、墻構(gòu)件計算時應(yīng)根據(jù)其實(shí)際受力情況確定相應(yīng)計算模型，進(jìn)行強(qiáng)度、裂縫寬度計算。例如，梁傳遞建筑自重的影響區(qū)域的寬度為2米，每平米水浮力設(shè)計值為50kN，作用在梁上的線荷載為每米100kN。梁要將該荷載傳遞到柱、樁上，該梁必須根據(jù)其跨度計算其強(qiáng)度、裂縫寬度，以確保梁能將實(shí)際的受力荷載傳遞給柱、樁、墻形成平衡。
