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摘要：地下水的浮力对基础的稳定有不利的影响。本文根据地下工程的特点，分析了几种常用抗浮措施的适用条件，提出了地下工程抗浮设计的步骤和方法。
关键词： 地下工程；抗浮措施；抗浮设计；浮力
Abstract: The buoyancy of groundwater makes adverse effects to stability of foundation. In this paper, based on the characteristics of the underground engineering, the appliable conditions of several measures for buoyancy resisting are analyzed, and the steps and methods of buoyancy resistance design are put forward.
Key words: undergroundengineering ; buoyancy resistance measures；design of buoyancy resistance; buoyancy
中圖分类号：TV554文献标识码：A 文章编号：
1 前言
随着我国城市化进程的不断加快，城市地下空间的开发利用日益引起政府的重视，许多城市结合城市建设，利用广场、绿地等建设各类地下工程。许多工业项目例如加热炉、连铸机等其基础都在地下8、9米左右。对于地下工程，特别在高水位地区，往往存在着工程的抗浮问题。因地下水浮力引起的地下工程结构的破坏事故时有发生，破坏的形式主要有:地下工程底板隆起破坏，工程的整体浮起导致梁柱节点处开裂及底板的破坏。因此，工程的抗浮设计是否正确合理，直接关系到工程的安全可靠和工程造价， 应引起设计者的高度重视。
2工程抗浮措施的选择
为防止地下工程的浮起破坏，目前，工程上通常采用配重法、设置抗浮桩或抗浮锚杆来解决地下工程的抗浮问题。
配重法即通过增加工程的自重来抵御水浮力的作用，抗浮桩和抗浮锚杆则主要利用桩侧阻力和锚杆提供的拉力平衡浮力。
配重法简单、可靠，相对比较经济，适用于各类地下工程。抗浮桩相对造价较高，施工较复杂，而近年来兴起的抗浮锚杆因其造价低、施工方便而越来越受到工程界的欢迎。
配重法适用于各类工程条件，配重的部位主要在底板。通常根据工程配重要求，在底板上设回填层，用土、砂、石、混凝土等材料压实回填，利用回填物的重量增加工程自重，达到平衡浮力的目的。有时也利用底板外挑部分的回填物作为配重的一部分。对于底板为板柱或梁板结构，利用底板柱帽或梁至地坪之间的空间设置回填配重层，既解决了工程的抗浮问题，又便于底板的防水处理，不失为一种较为理想的方法。但是，也应看到，因设回填层增加了工程埋深而使浮力增大，配重提供的抗浮力自身也“消耗”了约一半。配重法受地质条件、施工环境的影响相对较少，造价低，因此，常作为基本方法予以采用。
抗浮桩利用桩侧阻力起抗浮作用，其抗浮能力与桩型、桩径、桩长及周围地质条件有关。抗浮桩的单桩承载力较大，一般布置在柱、墙下，其抗浮面积较大，受环境条件、施工条件影响较大，造价较高。
抗浮锚杆则利用锚杆与砂浆组成的锚固体与岩土层的结合力作为抗浮力。因其造价低廉、施工方便、受力合理等优点而被广泛应用。
在实际工程中，应根据地下工程的结构形式、地质条件、浮力大小、施工条件和工期要求等因素确定采用何种抗浮措施，也可以根据工程特点，采取多种抗浮措施。
3地下工程的抗浮设计
3.1 设计流程
地下工程的抗浮设计，采用安全系数法，公式表示为：
N+F≥KV (1)
式中：N—结构自重；F—抗浮力；V—静水浮力；
K—抗浮安全系数，一般取1.05~1.10。
抗浮设计流程见下图。
抗浮设计流程图
3.2 水浮力计算
水浮力计算是抗浮设计的前提，对地下工程而言，应正确合理确定工程的设防水位。因此要求工程勘察单位提供用于计算地下水浮力的设计水位。它不是工程所在位置的常年最高水位，更不是勘察期内的当前水位，而应综合分析历年水位地质资料，根据工程重要性以及工程建成后地下水位变化的可能性确定抗浮设计的设防水位。
从有关资料看，地下水的作用相当复杂，要准确地确定地下水的压力是比较困难的。实际上在不同的地基环境中地下水浮力是变化的。当地下工程位于粉土、粘土、砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基时，地下水浮力计算可不折减，而位于节理裂隙不发育的岩石地基时，可对地下水浮力予以折减，甚至在地下工程底板与岩石地基紧密结合时，可不考虑浮力的使用。因此，在实际工程中，对符合条件的，可考虑对浮力进行折减，或作为工程抗浮的安全储备，这一点设计人员应胸中有数。
目前，对设防水位的选定没有明确的规定，作者认为应选取工程场地最高洪水位作为工程抗浮设计设防水位。
3.3 抗浮设计
在确定了结构形式、尺寸、埋深等条件后，根据设防水位，分别计算工程自重和净水浮力，并判断是否需要采取抗浮措施。如需要采取抗浮措施，应根据前述原则选择抗浮措施，进行工程抗浮设计。
3.3.1 配重法
用配重解决抗浮问题，设计和计算比较简单，根据抗浮力大小，确定回填材料和深度。常用的回填材料有土、砂石、混凝土等，必须保证回填物的密实，达到对回填物的容重要求，采取措施对回填层进行处理。
3.3.2 抗浮桩设计
抗浮桩的桩型选择，一般主要根据工程地质情况、施工条件和周围环境等因素综合确定。常用桩型为预制桩、沉管灌注桩和钻孔灌注桩。
布桩时应力求使各桩受荷均匀，一般将抗浮桩布置在柱下、纵横墙交叉处、沿外墙均匀布置。
抗浮桩设计的基础是单桩抗拔承载力的确定，由于目前对抗浮桩的研究成果还比较少，相对抗压柱而言，其荷载作用机理及设计方法还不够成熟，仍处于套用抗压桩设计方法的阶段。单桩抗拔承载力一般采用静载试验法或经验参数法。用静载试验法确定桩的抗拔力比较接近工程实际，但由于往往缺少条件进行抗拔试验，因此，工程设计中较多地采用经验参数法。目前规范采用的方法，都是利用桩的侧阻力值导入抗拔系数后作为抗拔桩侧阻力值,抗拔系数一般取0.5~0.8。
抗浮桩按轴心受拉构件进行承载力计算，桩的配筋由计算确定，并满足各类桩的最小配筋率要求。抗浮桩的主筋沿桩通长布置，桩与柱的连接可参考抗压桩的要求。
3.3.3 抗浮锚杆的设计
抗浮锚杆因具有造价低廉、施工方便、受力合理等优点而被广泛使用。但抗浮锚杆的设计、施工和检测还没有专业规范，给抗浮锚杆的应用带来不便。目前，可参考的规范有：《土层锚杆设计与施工规范》（CECS22:90）、《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001）、《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2002）、《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）。
抗浮锚杆一般为全长粘结型锚杆，孔径不大于200mm。土层锚杆长度4-10米，岩层锚杆长度3-8 米。相对抗浮桩其单根锚杆的抗浮能力较之为小。在锚杆布置时，一般沿柱或其周边，或在底板平面内均匀布置。如沿底板均匀布置，因在底板上附加应力较小并均匀，可减少底板厚度，降低工程造价。
土层抗浮锚杆截面面积和长度分别由下式确定。
K1Nt≤Agfyk (2)
K2Nt≤laQs (3)
Nt=abqf (4)
式中：K1、K2—抗力系数，K1=1.5，K2=2.2；
Nt—抗浮锚杆轴向拉力值；
a、b—分别为抗浮锚杆在横向和纵向间隔；
qf—抗浮锚杆承担荷载；
Ag—抗浮锚杆截面积；
fyk—抗浮锚杆强度标准值；
la—抗浮锚杆锚固段长度；
Qs—抗浮锚杆单位长度抗拔力。
对岩石中抗浮锚杆，目前没有比较明确适用的规范。根据抗浮锚杆的受力机理，建议采用如下计算公式。
Na≤ξ1fyAs （5）
式中：As—锚杆钢筋截面积（m2）；
ξ1—锚杆抗拉工作条件参数，取0.69；
Na—锚杆抗拔力设计值（KN）；
fy—鋼筋抗拉强度设计值（KPa）
Na≤ξ2nπd fb la1 （6）
式中：la1—锚杆钢筋与砂浆间的锚固长度(m)；
d—锚杆钢筋直径(m)；
n—钢筋根数；
fb—钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值（KPa）
ξ2—钢筋与砂浆粘结工作系数，一般取0.6。
Na≤πDfrbla2（7）
式中：la2—锚固段长度(m)；
D—锚固体直径(m)；
frb—锚固体与地层粘结强度值（KPa）。
抗浮锚杆长度由计算确定，锚杆主筋锚入底板结构的长度按有关结构规范要求，杆体直径宜16-32mm，并采用HRB335、HRB400 类钢筋，并设杆体隔离架，使锚杆居中，为防止抗浮锚杆锈蚀，在底板与岩土界面上下一定范围内涂环氧树脂或防锈漆，在杆头底板内设止水板。
4 结束语
地下工程的抗浮设计是结构设计的重要部分组成，应根据工程结构特点、地质条件、施工环境等因素，选择合理的抗浮措施。在设计过程中，选择合理的设计参数，重视地区经验做好构造处理，使工程的抗浮设计更加合理可靠。
参考文献
[1]、上海市基坑工程设计规范，1997
[2]、土层锚杆设计与施工规范（CECS22:90）
[3]、锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001）
关键词： 地下工程；抗浮措施；抗浮设计；浮力
Abstract: The buoyancy of groundwater makes adverse effects to stability of foundation. In this paper, based on the characteristics of the underground engineering, the appliable conditions of several measures for buoyancy resisting are analyzed, and the steps and methods of buoyancy resistance design are put forward.
Key words: undergroundengineering ; buoyancy resistance measures；design of buoyancy resistance; buoyancy
中圖分类号：TV554文献标识码：A 文章编号：
1 前言
随着我国城市化进程的不断加快，城市地下空间的开发利用日益引起政府的重视，许多城市结合城市建设，利用广场、绿地等建设各类地下工程。许多工业项目例如加热炉、连铸机等其基础都在地下8、9米左右。对于地下工程，特别在高水位地区，往往存在着工程的抗浮问题。因地下水浮力引起的地下工程结构的破坏事故时有发生，破坏的形式主要有:地下工程底板隆起破坏，工程的整体浮起导致梁柱节点处开裂及底板的破坏。因此，工程的抗浮设计是否正确合理，直接关系到工程的安全可靠和工程造价， 应引起设计者的高度重视。
2工程抗浮措施的选择
为防止地下工程的浮起破坏，目前，工程上通常采用配重法、设置抗浮桩或抗浮锚杆来解决地下工程的抗浮问题。
配重法即通过增加工程的自重来抵御水浮力的作用，抗浮桩和抗浮锚杆则主要利用桩侧阻力和锚杆提供的拉力平衡浮力。
配重法简单、可靠，相对比较经济，适用于各类地下工程。抗浮桩相对造价较高，施工较复杂，而近年来兴起的抗浮锚杆因其造价低、施工方便而越来越受到工程界的欢迎。
配重法适用于各类工程条件，配重的部位主要在底板。通常根据工程配重要求，在底板上设回填层，用土、砂、石、混凝土等材料压实回填，利用回填物的重量增加工程自重，达到平衡浮力的目的。有时也利用底板外挑部分的回填物作为配重的一部分。对于底板为板柱或梁板结构，利用底板柱帽或梁至地坪之间的空间设置回填配重层，既解决了工程的抗浮问题，又便于底板的防水处理，不失为一种较为理想的方法。但是，也应看到，因设回填层增加了工程埋深而使浮力增大，配重提供的抗浮力自身也“消耗”了约一半。配重法受地质条件、施工环境的影响相对较少，造价低，因此，常作为基本方法予以采用。
抗浮桩利用桩侧阻力起抗浮作用，其抗浮能力与桩型、桩径、桩长及周围地质条件有关。抗浮桩的单桩承载力较大，一般布置在柱、墙下，其抗浮面积较大，受环境条件、施工条件影响较大，造价较高。
抗浮锚杆则利用锚杆与砂浆组成的锚固体与岩土层的结合力作为抗浮力。因其造价低廉、施工方便、受力合理等优点而被广泛应用。
在实际工程中，应根据地下工程的结构形式、地质条件、浮力大小、施工条件和工期要求等因素确定采用何种抗浮措施，也可以根据工程特点，采取多种抗浮措施。
3地下工程的抗浮设计
3.1 设计流程
地下工程的抗浮设计，采用安全系数法，公式表示为：
N+F≥KV (1)
式中：N—结构自重；F—抗浮力；V—静水浮力；
K—抗浮安全系数，一般取1.05~1.10。
抗浮设计流程见下图。
抗浮设计流程图
3.2 水浮力计算
水浮力计算是抗浮设计的前提，对地下工程而言，应正确合理确定工程的设防水位。因此要求工程勘察单位提供用于计算地下水浮力的设计水位。它不是工程所在位置的常年最高水位，更不是勘察期内的当前水位，而应综合分析历年水位地质资料，根据工程重要性以及工程建成后地下水位变化的可能性确定抗浮设计的设防水位。
从有关资料看，地下水的作用相当复杂，要准确地确定地下水的压力是比较困难的。实际上在不同的地基环境中地下水浮力是变化的。当地下工程位于粉土、粘土、砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基时，地下水浮力计算可不折减，而位于节理裂隙不发育的岩石地基时，可对地下水浮力予以折减，甚至在地下工程底板与岩石地基紧密结合时，可不考虑浮力的使用。因此，在实际工程中，对符合条件的，可考虑对浮力进行折减，或作为工程抗浮的安全储备，这一点设计人员应胸中有数。
目前，对设防水位的选定没有明确的规定，作者认为应选取工程场地最高洪水位作为工程抗浮设计设防水位。
3.3 抗浮设计
在确定了结构形式、尺寸、埋深等条件后，根据设防水位，分别计算工程自重和净水浮力，并判断是否需要采取抗浮措施。如需要采取抗浮措施，应根据前述原则选择抗浮措施，进行工程抗浮设计。
3.3.1 配重法
用配重解决抗浮问题，设计和计算比较简单，根据抗浮力大小，确定回填材料和深度。常用的回填材料有土、砂石、混凝土等，必须保证回填物的密实，达到对回填物的容重要求，采取措施对回填层进行处理。
3.3.2 抗浮桩设计
抗浮桩的桩型选择，一般主要根据工程地质情况、施工条件和周围环境等因素综合确定。常用桩型为预制桩、沉管灌注桩和钻孔灌注桩。
布桩时应力求使各桩受荷均匀，一般将抗浮桩布置在柱下、纵横墙交叉处、沿外墙均匀布置。
抗浮桩设计的基础是单桩抗拔承载力的确定，由于目前对抗浮桩的研究成果还比较少，相对抗压柱而言，其荷载作用机理及设计方法还不够成熟，仍处于套用抗压桩设计方法的阶段。单桩抗拔承载力一般采用静载试验法或经验参数法。用静载试验法确定桩的抗拔力比较接近工程实际，但由于往往缺少条件进行抗拔试验，因此，工程设计中较多地采用经验参数法。目前规范采用的方法，都是利用桩的侧阻力值导入抗拔系数后作为抗拔桩侧阻力值,抗拔系数一般取0.5~0.8。
抗浮桩按轴心受拉构件进行承载力计算，桩的配筋由计算确定，并满足各类桩的最小配筋率要求。抗浮桩的主筋沿桩通长布置，桩与柱的连接可参考抗压桩的要求。
3.3.3 抗浮锚杆的设计
抗浮锚杆因具有造价低廉、施工方便、受力合理等优点而被广泛使用。但抗浮锚杆的设计、施工和检测还没有专业规范，给抗浮锚杆的应用带来不便。目前，可参考的规范有：《土层锚杆设计与施工规范》（CECS22:90）、《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001）、《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2002）、《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）。
抗浮锚杆一般为全长粘结型锚杆，孔径不大于200mm。土层锚杆长度4-10米，岩层锚杆长度3-8 米。相对抗浮桩其单根锚杆的抗浮能力较之为小。在锚杆布置时，一般沿柱或其周边，或在底板平面内均匀布置。如沿底板均匀布置，因在底板上附加应力较小并均匀，可减少底板厚度，降低工程造价。
土层抗浮锚杆截面面积和长度分别由下式确定。
K1Nt≤Agfyk (2)
K2Nt≤laQs (3)
Nt=abqf (4)
式中：K1、K2—抗力系数，K1=1.5，K2=2.2；
Nt—抗浮锚杆轴向拉力值；
a、b—分别为抗浮锚杆在横向和纵向间隔；
qf—抗浮锚杆承担荷载；
Ag—抗浮锚杆截面积；
fyk—抗浮锚杆强度标准值；
la—抗浮锚杆锚固段长度；
Qs—抗浮锚杆单位长度抗拔力。
对岩石中抗浮锚杆，目前没有比较明确适用的规范。根据抗浮锚杆的受力机理，建议采用如下计算公式。
Na≤ξ1fyAs （5）
式中：As—锚杆钢筋截面积（m2）；
ξ1—锚杆抗拉工作条件参数，取0.69；
Na—锚杆抗拔力设计值（KN）；
fy—鋼筋抗拉强度设计值（KPa）
Na≤ξ2nπd fb la1 （6）
式中：la1—锚杆钢筋与砂浆间的锚固长度(m)；
d—锚杆钢筋直径(m)；
n—钢筋根数；
fb—钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值（KPa）
ξ2—钢筋与砂浆粘结工作系数，一般取0.6。
Na≤πDfrbla2（7）
式中：la2—锚固段长度(m)；
D—锚固体直径(m)；
frb—锚固体与地层粘结强度值（KPa）。
抗浮锚杆长度由计算确定，锚杆主筋锚入底板结构的长度按有关结构规范要求，杆体直径宜16-32mm，并采用HRB335、HRB400 类钢筋，并设杆体隔离架，使锚杆居中，为防止抗浮锚杆锈蚀，在底板与岩土界面上下一定范围内涂环氧树脂或防锈漆，在杆头底板内设止水板。
4 结束语
地下工程的抗浮设计是结构设计的重要部分组成，应根据工程结构特点、地质条件、施工环境等因素，选择合理的抗浮措施。在设计过程中，选择合理的设计参数，重视地区经验做好构造处理，使工程的抗浮设计更加合理可靠。
参考文献
[1]、上海市基坑工程设计规范，1997
[2]、土层锚杆设计与施工规范（CECS22:90）
[3]、锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001）