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摘要：根据笔者的设计工作实践和多起高层建筑地下室上浮事故的调查，对目前高层建筑地下室抗浮设计中的一些关键问题进行分析，从而提出抗浮设计的基本原则，给出抗浮措施合理选用的基本思路。
关键词：高层建筑；地下室；抗浮设计
1 问题的提出
随着高层建筑的大量兴建，人们对其地下空间的开发利用越来越重视，资金投入比重不断增大，地下室正朝着多层和超深的规模发展。为了充分利用建筑红线范围内的地下空间，多数地下室的占地面积会远大于上部建筑塔楼，造成一部分地下室上部没有足够的建筑重量来压浮，往往仅有1到2层裙楼或1m左右的覆土，这对于层数在2层以上或底板埋深>7m的地下室来说，永久抗浮安全度往往不足够，近年高层建筑地下室整体或局部上浮的工程事故时有发生，给国家和建设单位造成了巨大的损失。究其原因，主要有以下几点：
（1）对地下室受水浮力作用的机理认识不足，未进行抗浮验算；
（2）抗浮计算参数中地下水位取值不当，盲目选用地质钻探资料中的场地地下水位，而忽略了可能出现的最高值；
（3）抗浮计算失误或抗浮措施不当；
（4）对建筑物施工过程中的抗浮措施未给予足够重视。笔者根据多年的设计经验，提出抗浮设计中应注意的几个关键问题，供同行参考。
2 抗浮设计中地下水位的取值
建筑设计方案一旦确定，结构设计人员就应根据经验判断该工程地下室是否需要进行抗浮设计，若需要的话则应明确提出由勘察单位对场地水文地质条件作详尽的调查分析，并提出场地可能出现的最高地下水位，供设计参考。实践证明，设计地下水位直接取用地质报告中地下水位的做法是不可行的，还应根据场地地质条件、周围地形地貌以及地下结构本身情况、基坑开挖和支护情况等，进行详尽分析后才能确定。在很多情况下，地下室建成后底板所承受的地下水托浮力会超过根据原始自然地下水位最高值计算得出的托浮力，现举例说明。
2.1 当地下室处于不透水或弱透水地层中，尤其是山坡上时，原始自然地下水位往往很低，其危险性很易被忽视，因基坑开挖后刚回填的土并不密实，透水性很强，若周围未设置良好的排水设施，遇连续大雨时地表水便会直接渗入回填土中，又无法通过渗透及时排走，基坑内的水位便会很快上升至地表面，对地下室产生短期上浮力，如图1所示。若设计中对这种工况未加以考虑，则很易导致地下室上浮或破坏。
2.2当地下室底板下部为不透水层，周围为强透水层且施工了止水帷幕时，若止水帷幕与地下室相隔一定距离，也会有上述情况发生。
2.3内陆河流防洪堤附近的地下室（见图2）这种情况虽然按照防洪部门的要求，地下室必须建在防洪堤安全距离外，但若地下室埋深较大，下部透水层渗透系数很大，则应根据堤外百年一遇最高洪水位和持续时间推算建筑场地可能出现的最高水头，该水头值可能会超过场地最高地下水位甚至室外地面标高，这时不仅要根据最高的水头验算地下室抗浮安全，更重要的是必须验算地下室周围被扰动土层在高水头作用下的稳定。以上两种情况均说明建成后的高层建筑地下室所受到的地下水浮力有可能大于按原始自然地下水位计算的浮力，因此设计人员在获得原始资料后，应对各种情况作详尽分析，按可能出现的最不利情况确定地下室抗浮设计地下水位。
3整体抗浮和局部抗浮
高层建筑地下室不是一个刚体，它会产生整体或局部的变形和破坏，水对地下室的浮力主要以水压力的形式作用在地下室底板上。抗浮设计首先应验算结构的整体抗浮安全度，若满足则再验算局部抗浮安全度，要按逐个柱的受荷面积来进行，并主要针对那些上部结构层数少，结构自重小的部位，特别是地下室超出高层塔楼范围较多的部位以及高层塔楼围合的内天井部位。对于箱型基础地下室，虽然箱内纵横隔墙具有足够的刚度可将局部抗浮不足问题转换为整体抗浮问题，如地下室伸出高层塔楼部分按箱体悬臂考虑，多塔楼之间或内天井中间按箱体跨越考虑但必须对箱体结构进行刚度和强度计算以确认转换是否可行。
4 抗浮措施的合理选用
4.1压重抗浮
抗浮安全度不足是由于结构自重加恒载重量小于地下水对结构托浮力而造成，故最直接的办法是增加结构自重或增加其上的恒载，如在地下室顶板上覆土，既可解决上部建筑排水管道出户的问题，又能增加恒载来提高结构的抗浮能力。当结构的局部抗浮不能满足要求，且采用其它方法均不奏效时，可结合当地的材料供应情况，采用重混凝土（铁屑混凝土或用重金属矿石作骨料的混凝土）抗浮也是可行的。
4.2工程桩抗浮利用高层建筑结构桩基础的抗拔能力抗浮也是工程中的常用措施之一，由于桩基础大多为现浇大直径桩，整体性好，桩周与土层间摩擦力较大，尤其是嵌岩桩，其桩周与基岩间的摩擦力对提高单桩抗拔力极为有效。另外桩内可配置足够的连续抗拔钢筋，以满足桩身的强度、变形量和裂缝宽度限值要求。因此对于大直径灌注桩基础，对其抗拔力作一定验算来抵抗浮力，是较经济的选择。
4.3锚杆抗浮
当高层建筑采用天然地基（箱型或厚筏）且无法采取前述的抗浮措施时，可以考虑锚杆或树根桩等拉锚措施抗浮，该方式适宜于基岩或良好锚固土层埋深较浅、锚杆长度较短等情况，但若地下室底板以下地下水的水头压力较大，松散砂层太厚，则锚杆施工会有一定困难。
4.4排水法抗浮
排水抗浮法的应用已有许多工程实例，但过去均用于建筑场地标高相对于周围地面较高或附近有较低水位的排水系统工程中。这种方案主要是采用排水盲沟将地下室周围的地下水通过自流方式排到较低的疏水系统中，以防止地下室周围的地下水升高而产生浮力，但它只适用于某些特殊的场地条件，故不可能普遍采用。
一种先进的排水抗浮方法即标准静水压力释放系统（Typical hydrostatic pressure relief system，简称THPRS），在国内外一些重要工程中使用取得了良好的效果。该系统将地下水位降至地下室底板以下某个标高，使底板不受或仅受很小的水反力，不仅可防止地下室上浮，还能大为减小底板的厚度。其主要原理如下：（1）采用永久止水帷幕从室外地面一直向下延伸到相对隔水层中，使外围的地下水很难渗入到地下室底板周围；（2）在地下室底板以下做1层满铺的高质量砾石反滤层，这样少量透过下部隔水层向上渗入的水中所带的泥砂被反滤层阻止在外而只有清水流入，且流入的地下水可沿反滤层横向流动；（3）在反滤层中埋设多孔聚乙稀排水管网，形成完整可靠的排水系统，将渗入到反滤层的水引流到专门的集水井中；（4）沿排水管安置一系列的清洁箱用以清洁沉积的少量泥砂，以保证通道畅通；（5）长期用低容量水泵将集水井内的少量水抽出。这种方法在国内的使用时间尚短，有关经济指标和长期使用效果均没有详细的统计资料，对其长期运行的管理尚未积累出成熟的经验，因此在工程实践中可将该法作为一种可选方案与其他方案比较后择优选用。
5结语：
高层建筑地下室抗浮设计虽不复杂，但必须慎重对待，对场地条件、周围环境和土层情况要仔细分析，荷载取值和计算必须准确，可运用的抗浮方式很多，但必须根据各个工程的具体情况加以灵活应用，才能达到经济可靠的目的。
参考文献：
[1]熊小辉.高层建筑地下室的抗浮设计探讨[J].广西城镇建设.2011
[2]杜子博.水池抗浮设计方案的选择[J].科技风.2009（14）
[3]张第轩.地下结构抗浮模型试验研究[D].上海交通大学2007
[4]孙梅英.既有地下结构物抗浮加固措施[D].华中科技大学2007
[5]陈飞铭.地下室上浮破坏及处理措施研究[D].重庆大学2004
关键词：高层建筑；地下室；抗浮设计
1 问题的提出
随着高层建筑的大量兴建，人们对其地下空间的开发利用越来越重视，资金投入比重不断增大，地下室正朝着多层和超深的规模发展。为了充分利用建筑红线范围内的地下空间，多数地下室的占地面积会远大于上部建筑塔楼，造成一部分地下室上部没有足够的建筑重量来压浮，往往仅有1到2层裙楼或1m左右的覆土，这对于层数在2层以上或底板埋深>7m的地下室来说，永久抗浮安全度往往不足够，近年高层建筑地下室整体或局部上浮的工程事故时有发生，给国家和建设单位造成了巨大的损失。究其原因，主要有以下几点：
（1）对地下室受水浮力作用的机理认识不足，未进行抗浮验算；
（2）抗浮计算参数中地下水位取值不当，盲目选用地质钻探资料中的场地地下水位，而忽略了可能出现的最高值；
（3）抗浮计算失误或抗浮措施不当；
（4）对建筑物施工过程中的抗浮措施未给予足够重视。笔者根据多年的设计经验，提出抗浮设计中应注意的几个关键问题，供同行参考。
2 抗浮设计中地下水位的取值
建筑设计方案一旦确定，结构设计人员就应根据经验判断该工程地下室是否需要进行抗浮设计，若需要的话则应明确提出由勘察单位对场地水文地质条件作详尽的调查分析，并提出场地可能出现的最高地下水位，供设计参考。实践证明，设计地下水位直接取用地质报告中地下水位的做法是不可行的，还应根据场地地质条件、周围地形地貌以及地下结构本身情况、基坑开挖和支护情况等，进行详尽分析后才能确定。在很多情况下，地下室建成后底板所承受的地下水托浮力会超过根据原始自然地下水位最高值计算得出的托浮力，现举例说明。
2.1 当地下室处于不透水或弱透水地层中，尤其是山坡上时，原始自然地下水位往往很低，其危险性很易被忽视，因基坑开挖后刚回填的土并不密实，透水性很强，若周围未设置良好的排水设施，遇连续大雨时地表水便会直接渗入回填土中，又无法通过渗透及时排走，基坑内的水位便会很快上升至地表面，对地下室产生短期上浮力，如图1所示。若设计中对这种工况未加以考虑，则很易导致地下室上浮或破坏。
2.2当地下室底板下部为不透水层，周围为强透水层且施工了止水帷幕时，若止水帷幕与地下室相隔一定距离，也会有上述情况发生。
2.3内陆河流防洪堤附近的地下室（见图2）这种情况虽然按照防洪部门的要求，地下室必须建在防洪堤安全距离外，但若地下室埋深较大，下部透水层渗透系数很大，则应根据堤外百年一遇最高洪水位和持续时间推算建筑场地可能出现的最高水头，该水头值可能会超过场地最高地下水位甚至室外地面标高，这时不仅要根据最高的水头验算地下室抗浮安全，更重要的是必须验算地下室周围被扰动土层在高水头作用下的稳定。以上两种情况均说明建成后的高层建筑地下室所受到的地下水浮力有可能大于按原始自然地下水位计算的浮力，因此设计人员在获得原始资料后，应对各种情况作详尽分析，按可能出现的最不利情况确定地下室抗浮设计地下水位。
3整体抗浮和局部抗浮
高层建筑地下室不是一个刚体，它会产生整体或局部的变形和破坏，水对地下室的浮力主要以水压力的形式作用在地下室底板上。抗浮设计首先应验算结构的整体抗浮安全度，若满足则再验算局部抗浮安全度，要按逐个柱的受荷面积来进行，并主要针对那些上部结构层数少，结构自重小的部位，特别是地下室超出高层塔楼范围较多的部位以及高层塔楼围合的内天井部位。对于箱型基础地下室，虽然箱内纵横隔墙具有足够的刚度可将局部抗浮不足问题转换为整体抗浮问题，如地下室伸出高层塔楼部分按箱体悬臂考虑，多塔楼之间或内天井中间按箱体跨越考虑但必须对箱体结构进行刚度和强度计算以确认转换是否可行。
4 抗浮措施的合理选用
4.1压重抗浮
抗浮安全度不足是由于结构自重加恒载重量小于地下水对结构托浮力而造成，故最直接的办法是增加结构自重或增加其上的恒载，如在地下室顶板上覆土，既可解决上部建筑排水管道出户的问题，又能增加恒载来提高结构的抗浮能力。当结构的局部抗浮不能满足要求，且采用其它方法均不奏效时，可结合当地的材料供应情况，采用重混凝土（铁屑混凝土或用重金属矿石作骨料的混凝土）抗浮也是可行的。
4.2工程桩抗浮利用高层建筑结构桩基础的抗拔能力抗浮也是工程中的常用措施之一，由于桩基础大多为现浇大直径桩，整体性好，桩周与土层间摩擦力较大，尤其是嵌岩桩，其桩周与基岩间的摩擦力对提高单桩抗拔力极为有效。另外桩内可配置足够的连续抗拔钢筋，以满足桩身的强度、变形量和裂缝宽度限值要求。因此对于大直径灌注桩基础，对其抗拔力作一定验算来抵抗浮力，是较经济的选择。
4.3锚杆抗浮
当高层建筑采用天然地基（箱型或厚筏）且无法采取前述的抗浮措施时，可以考虑锚杆或树根桩等拉锚措施抗浮，该方式适宜于基岩或良好锚固土层埋深较浅、锚杆长度较短等情况，但若地下室底板以下地下水的水头压力较大，松散砂层太厚，则锚杆施工会有一定困难。
4.4排水法抗浮
排水抗浮法的应用已有许多工程实例，但过去均用于建筑场地标高相对于周围地面较高或附近有较低水位的排水系统工程中。这种方案主要是采用排水盲沟将地下室周围的地下水通过自流方式排到较低的疏水系统中，以防止地下室周围的地下水升高而产生浮力，但它只适用于某些特殊的场地条件，故不可能普遍采用。
一种先进的排水抗浮方法即标准静水压力释放系统（Typical hydrostatic pressure relief system，简称THPRS），在国内外一些重要工程中使用取得了良好的效果。该系统将地下水位降至地下室底板以下某个标高，使底板不受或仅受很小的水反力，不仅可防止地下室上浮，还能大为减小底板的厚度。其主要原理如下：（1）采用永久止水帷幕从室外地面一直向下延伸到相对隔水层中，使外围的地下水很难渗入到地下室底板周围；（2）在地下室底板以下做1层满铺的高质量砾石反滤层，这样少量透过下部隔水层向上渗入的水中所带的泥砂被反滤层阻止在外而只有清水流入，且流入的地下水可沿反滤层横向流动；（3）在反滤层中埋设多孔聚乙稀排水管网，形成完整可靠的排水系统，将渗入到反滤层的水引流到专门的集水井中；（4）沿排水管安置一系列的清洁箱用以清洁沉积的少量泥砂，以保证通道畅通；（5）长期用低容量水泵将集水井内的少量水抽出。这种方法在国内的使用时间尚短，有关经济指标和长期使用效果均没有详细的统计资料，对其长期运行的管理尚未积累出成熟的经验，因此在工程实践中可将该法作为一种可选方案与其他方案比较后择优选用。
5结语：
高层建筑地下室抗浮设计虽不复杂，但必须慎重对待，对场地条件、周围环境和土层情况要仔细分析，荷载取值和计算必须准确，可运用的抗浮方式很多，但必须根据各个工程的具体情况加以灵活应用，才能达到经济可靠的目的。
参考文献：
[1]熊小辉.高层建筑地下室的抗浮设计探讨[J].广西城镇建设.2011
[2]杜子博.水池抗浮设计方案的选择[J].科技风.2009（14）
[3]张第轩.地下结构抗浮模型试验研究[D].上海交通大学2007
[4]孙梅英.既有地下结构物抗浮加固措施[D].华中科技大学2007
[5]陈飞铭.地下室上浮破坏及处理措施研究[D].重庆大学2004