地基基础设计思考与实践（二十四） 抗浮设计 （上）
地基基础设计思考与实践（二十四）
抗浮设计 （上）
抗浮设计原理很简单，抗浮稳定不过是浮力要小于结构重量加抗拔力，构件和结构抗浮承载力也不过是净浮力下的结构承载力问题，但工程实践中的抗浮设计非常复杂，很难用理论去总结概括，最好的方法是尽可能多的罗列不同情况下的设计原理和措施，形成融汇贯通的实践体系。以下是个人的工程实践、思考和不同的资料汇总，供大家参考。
一：一般地下结构增加配重的抗浮措施
1： 对于一般结构，单纯如果为了增加抗浮而增加结构自身的重量，往往得不偿失，比如本可以做一个轻钢结构屋盖，而做成比较重的混凝土屋盖。
2：加厚基础。基础每增加一米，基坑加深和材料投资增加不少，配重仅增加不到14KN/平米，也是得不偿失的做法。
在计算抗浮时，结构自重是有利的荷载，应该按荷载规范材料自重的较低值。素混凝土自重（振捣和非振捣）22~24KN/立方，钢筋混凝土为22~24KN/立方。
3： 基础底板外伸，是配重的有效措施 。注意外伸部分以上的回填土自重和地下室顶板上覆土的自重不能按浮重度，看下图：
4： 利用废弃的护坡桩作为配重是很好的废物利用 。
5：方便利用废铁屑时，可以采用铁屑混凝土做配重，但应该注意不能对环境有害，最好是外伸部分回填，或基础加厚部分，不要用在增加结构内力的部位。《荷载规范》规范给出的铁屑混凝土自重是28~65KN/立方，实际应该实测确定。
抗浮规范给的三种方法c最优，b可用，a不好。
二：大底盘地下结构的整体抗浮
情况比较复杂：
对于这种情况，需要先将地下或裙房部分隔离出来单独进行整体抗浮验算。如果不符合要求，即结构受到了向上的净浮力（浮力减掉重力荷载）了，此时结构不是整体浮起，而是一个倒刚架结构的受力问题了。如果l 较小，净浮力不大的时候，一般不会存在问题。但当l较大或浮力较大时，此时结构受力复杂很可能产生较大的裂缝、变形等破坏,需要进行结构的内力计算。但这种计算往往只是理论上的，实际很难精确的进行，所以不如干脆按一般隔离结构验算抗浮稳定，距离很大时，必须按分离的结构进行各自整体抗浮稳定验算。
下图大底盘地下结构：
这种情况首先是结构的大部分构件的严重破坏。如果再有局部结构浮起，那结构基本就惨不忍睹了。
下面的图片就是示意图中悬臂刚架结构的抗浮破坏实例，悬臂结构比周边支撑的情况破坏严重的多。
一般大底盘结构，高层相对于整体的地下的布置是不规则的，考虑高层的压重对地下或裙房的抗浮作用，会使结构、构件产生复杂的难以计算清楚的内力， 所以一般是单独计算各部分，各自符合抗浮稳定要求为好，这样就不会在大底盘的各结构之间产生内力。
当结构的重量无法满足抗浮稳定时，需要抗拔锚杆或抗拔桩解决时，按各部分的净浮力各自设置对应抗拔构件，其原理类似于抵抗上部重量的受压桩的调平原理，不会在结构及构件之间产生内力。
三：抗浮板
当地下或多层裙房地下结构采用独立基础（或桩基承台）时，独基之间的混凝土板无需承担地基反力（不设软垫层时承担较小的地基反力作用），此时该板筋可以作为地下水的抗浮板。
抗浮板按倒无梁楼盖设计，按净浮力（浮力减去防水板自重及上部的覆土等自重）计算内力。
独基（或承台）及地基验算（变形、承载力）按水位位于基础底板底以下、防水板浮力恰好等于防水板垂直荷载、及抗浮设防水位时三种工况的不利包络计算。见下图：
三种工况的时独基受力计算简图如下：
实际情况中任何一种工况的下基础的内力（弯矩、剪力、冲切力）或地基验算都有可能是最不利的，所以要进行包络计算。
水浮力的工况不同于其它的外荷载，不同的水位，其变化可能倾向于安全或不安全，需要分别考虑计算 ，本图仅为水位变化的影响的一种情况，还有其它的情况，另外再说。
《抗浮规范》7.2.5条，说若要使抗浮板不承担上部结构的荷载，与其连接的独立基础四周应设置一定宽度的聚笨板等。
其实局部设置软垫层作用微乎其微，基本起不到作用，只能是抗浮板下全部软垫层才可以。
四：水位变化时的地基承载力和地基沉降
按说这个不属于抗浮的问题，但和水位变化密切相关，本系列曾零散的谈到过，这里再一块说下。
（1）地基承载力
看下图：
含水后的土的所有指标（内摩擦角、自重应力、粘聚力）均会大幅度的减低，地基承载力和这几个指标紧密相关，所以水位的升高会影响地基土的承载力。
深、宽修正的 、 都和水位有关，水位以下采用的都是浮重度。 其实也和水位有关，只是这个数是地勘提供的，结构工程师不太关注罢了。
（2）水位变化时地基的变形
水位下降分自然下降和施工期间人工降水。水位自然下降一般是缓慢的均匀的下降，因地基土自重应力的增大，可能带来地基的沉降，但一般是均匀的缓慢的，设计时的沉降也已经考虑了没有地下水时的沉降，所以一般不会发生沉降事故。
但施工降水，水位的下沉成漏斗状，造成周边建筑不均匀沉降的事故，极易发生。
相反，水位的上升，会减少结构的沉降（极其有限），但一般也是均匀的，很少因水位上升发生地基变形的事故（此处不是指抗浮失稳的浮起事故故）。但会发生地基承载力降低、地基反力分布变化、构件抗浮承载力破坏等。
五：《人防规范GB50038-2005》第4.9.4的理解
人防规范4.9.4条规定如下：
该条条文说明如下：
该条理解起来，比较费解。图中？号的描述语意含混，但如果理解了上述抗浮板的受力原理，再理解这条就容易了。
对于箱筏基础的地下室了，无论水位多高，（假如不存在整体抗浮稳定），基础底板受到的外力之和总等于结构重力荷载，这个底板的外力包括地基土和水浮力（当水位低于底板时，水浮力为0）。所以对于箱筏基础来说，人防计算时只考虑人防荷载和结构重力荷载引起的地基反力（土与水反力之和）即可，无需单独考虑水浮力。
但是对于桩基承台来说，地下室人防底板如上文的独立基础加防水板的防水板，所以计算时，需要考虑设防水位的水浮力（地基土反力为零或很小）与人防荷载的组合。
六：魏利金总的新书《结构工程师综合能力提升与案例》中12.4.3款 ，作者认为： 如果筏板不满足倒楼盖刚度的要求，这个时候不仅地基反力不均匀，甚至水浮力也不均匀，为此建议还是应该偏于安全的考虑水浮力参与组合计算。
这句话非常费解，像暗语。这个问题其实非常复杂，需要的概念很多，不是一句话可以说清楚，我试着解释一下。
（1）见下图：
任何的地基反力一定是成上图的波浪状，其包围的面积（反力之和）等于结构上部荷载。波浪的凸凹程度和底板的刚度及地基土的刚度密切相关，结构底板刚度越大波浪越平缓，地基刚度越差波浪越平缓。规范规定，当基础梁高度大于跨度的1/6时（规范认为基础底板刚度足够大），地基反力可以考虑为平缓的均匀分布，故可以按到楼盖计算。
但我认为， 因为倒楼盖的地基均匀分布的反力计算出的基础内力（弯矩、剪力、冲切力）总是大于波浪状地基反力的内力，故无论任何情况下，都可以采用倒无梁楼盖计算，因为这是最保守的，当然地基梁得按内力进行验算和配筋。
为了得到均布的反力而有意的加大底板的刚度，是本末倒置。
为了较精确的计算地基反力的分布（比较经济），也可以计算出地基梁不同点的沉降，则必须采用弹性地基梁进行计算，该计算考虑了梁和地基土的刚度（基床系数），能够计算出地基土波浪状的反力分布并进行结构底板的内力计算。
但是考虑水浮力时，就变的复杂了。水位位于底板标高及以下时，和水位无关（水位是否改变地基土的基床系数？），当水位超过底板时，底板受力为变小的波浪分布和平均的水浮力之和，当水位的水浮力正好等于上部结构荷载时，均布的水浮力完全代替了地基土的反力。这时再采用弹性地基梁考虑波浪地基分布的计算就是不安全了，所以需要采用倒楼盖的计算方法。我猜魏总要表达的大概是这个意思，见下图：
七：施工期间的浮力-肥槽造成的“水盆效应”。
结构工程师一般考虑的是50年使用期间的最不利水位（设防水位），但施工期间更可能造成的浮力事故，结构设计人很难说明不是自己的责任，所以也应该慎重，考虑的周全一些。
水盆效应如下图：
施工期间的大雨，迅速灌入体积不大的肥槽，如果基底恰好是砂石土或人工回填的砂石，水迅速渗入基底，形成浮力，上部未完成重力荷载远小于抗浮荷载造成抗浮失稳。
回填土空隙比较大，即使回填完成也会存在这种情况，所以一般采用密实的灰土或水泥土回填。
当四周场地土为透水性较大的砂石时，地表水会绕过回填土进入地下结构周围，造成抗浮失稳。因为这时是大面积的水位上升，水位上升速度慢的多，有足够的时间采取措施，但这种情况比较隐蔽，人们容易忽视。长时间的降雨发生的可能性也是有的。
施工期间的抗浮问题，比较复杂，主要是施工管理引起的，但几起施工期间抗浮事故，设计院难以说明不是自己的责任，而受到判罚，非常冤枉。所以设计人应该有这种意识，虽然不能越俎代庖的完全解决这个问题，但应该在设计总说明中进行详细的说明及需要采取的措施，也要进行好施工交底工作，避免事故也规避事故发生后的责任。
抗浮很重要的还有抗拔措施、设置排水或泄水措施等，下期再说吧。
2021年7月20日
参考文献：
1：《抗浮标准》
2：《北京院结构技术措施》
3：《中国建筑设计院技术措施》
4：《建筑地基基础设计禁忌及实例》刘金波等
5：《结构工程师综合能力提升与案例》魏利金。
6：《人防规范》
