A Comparative Study on the Underground Structure's Anti-floating Design between China and Europe
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摘要: 随着地下空间的不断开发和利用，地下室上浮的事故时有发生，如何解决地下结构的抗浮成为突出问题.笔者通过详细比较中欧规范关于地下水浮力的荷载分类、抗浮设计水位的确定、水浮力的计算、荷载分项系数的取值及抗浮稳定性验算等内容，指出了我国规范还需要进一步完善的地方.Abstract: With the continuous exploration and utilization of underground space, the uplift of basement occurs frequently. How to solve anti-floating of underground structure has become a very critical problem. By comparing European and Chinese standards on load classification of groundwater buoyancy, determination of anti -floating water level, calculation of water buoyancy, values of load partial factors, and calculation of floating resistance etc., we suggest that the anti-floating design standards in China need to be improved.
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0 引言
近十几年来，随着地下空间的不断开发和利用，出现了很多广场式建筑的纯地下室部分、地下车库、地下商场等，地下室上浮的事故时有发生，如何解决地下结构的抗浮成为突出问题.另一方面，国内现行的有关规范并没有严格规定如何进行抗浮验算，只是对有关水浮力的问题进行了定性的描述，且不同的规范对抗浮设计的规定不尽相同，这些在客观上给设计人员带来困难.为此，本文旨在对中欧规范关于地下水浮力的荷载分类、抗浮设计水位的确定、水浮力的计算、荷载分项系数的取值及抗浮稳定性验算等方面进行比较，找出我国该领域目前存在的差异和需要进一步研究的内容.
1 地下水浮力的荷载分类
目前国家标准《建筑结构荷载规范》[1]未明确地下水作用的荷载分类，《给水排水工程构筑物结构设计规范》[2]第4.1.3条和《给水排水工程管道结构设计规范》[3]第3.1.1条把地下水作用划分为可变荷载，《地铁设计规范》[4]第10.2.1条把水浮力划分为永久荷载. 《全国民用建筑工程设计技术措施》(结构篇)[5] (以下简称技术措施)第2.5.3条则规定“水位不急剧变化的水压力按永久荷载考虑；水位急剧变化的水压力按可变荷载考虑. ” 《EN1990: 2002》[6]第4.1.1 (3)条规定“水作用可以看作永久荷载或可变荷载，这要看荷载随时间变化的大小. ” 《EN1991-1-6 : 2005》[7]第4.9(2)条规定“在荷载组合时，水作用应考虑为永久荷载或可变荷载. ”同时其注释说明，不同的规范可能会把水作用划分为永久荷载或可变荷载，还需要考虑具体的工程环境.《EN1997-1: 2004》[8]第2.4.6.1(7)条还规定:在某些情况，符合《EN 1990: 2002》第1.5.3.5条规定(关于偶然荷载的定义)的极端水压力可看作偶然荷载.
从以上可以看出，不同规范对水浮力的荷载分类不同，但由于《建筑结构荷载规范》未明确它的分类，造成水浮力分项系数取值的混乱.技术措施和欧洲规范都把水作用看作两类荷载，但后者考虑得更细些，把某些情况的水压力看作偶然荷载.
2 地下水浮力
2.1 抗浮设计水位的确定
在广场式建筑的纯地下室部分等的抗浮设计中，正确确定抗浮设防水位是决定工程造价以及施工难度与周期长短的关键.但由于地下水位变化是一个随机过程，受自然因素和人为因素的影响，因此要确定合理的抗浮水位十分困难.
《岩土工程勘察规范》[9]第7.1.1-5条要求掌握勘察时的地下水位、历史最高的地下水位、近3~5年最高地下水位、水位变化趋势和主要影响因素.
《高层建筑岩土工程勘察规程》[10]第8.6.2条对地下水抗浮设防水位的综合确定做了如下规定:当有长期水位观测资料时，场地抗浮设防水位可采用实测最高水位；无长期水位观测资料或资料缺乏时，按勘察期间实测最高稳定水位并结合场地地形地貌、地下水补给、排泄条件等因素综合确定；场地有承压水且与潜水有水力联系时，应实测承压水水位并考虑其对抗浮设防水位的影响；只考虑施工期间的抗浮设防时，抗浮设防水位可按一个水文年的最高水位确定.
《建筑地基基础设计规范》[11]第5.1.4条则规定:地下水的设防水位应取建筑物使用年限内(包括施工期)可能产生的最高水位，条文说明还规定，若勘察报告不提供最高水位，则按室外地坪标高设计.
从目前国内各规范可以看出，抗浮设防水位一般按勘察实测水位，近3~5年最高水位或历史最高水位甚至室外地坪标高确定，但简单地采用勘察实测水位或近3~5年最高水位往往不可靠，而采用历史最高水位或室外地坪标高又过于保守，造成很大的浪费.文献[12]对可能遭受洪水或暴雨袭击而致使水位快速上涨的工程，提出抗浮设防水位可取进出口下沿的最低高度，理由是当地下室进水后，浮力可逐渐抵消甚至消失.
《EN1997-2: 2007》[13]第2.1.4(2)条要求地下水勘察应适当提供以下资料:地下水的标高或测压管水头以及它们随时间的变化趋势；实测的地下水位，包括可能的最高水位及它们的重现期；孔隙水压力分布.《EN1997-1: 2004》第2.4.6.1(11)条规定“除非有足够的排水系统和保证它们的持续性，地下水位的设计值应取可能的最高水位，也可能是地表面. ”
《EN1997-2: 2007》附录C提供了一个基于模型和长期观测资料来预测地下水位的例子.介绍如下:为了给工程场地及周边区域建立地下水赋存状态的模型，需要汇编必要的水文地质资料，再和实际测量的地下水位进行对比.这些资料必须包括:水位波动情况，水文地质图，之前在该环境的观测资料；典型的地表水或水井的水位，在类似含水层的长期观测资料.对实际设计场地的地下水压力预测可基于上面的模型和在相同区域、类似含水层地下水的长期观测资料.通过使用统计学方法，使得对地下水压力的预测误差在几个千帕范围内变得可能，这些预测基于在参考系统里15年的观测结果和在实际场地里3个月的观测结果，见图 1.图 1中①、②分别为在15年内参考测压管观测的最高地下水位和最低地下水位；③为在与实测场地中的测压管相同的观测水文年里，参考测压管测得的地下水位；④、⑤分别为实测场地中预测测压管预计的最高地下水位和最低地下水位；⑥为从时间to到时间t1实测场地中预测测压管实测的地下水位.
欧洲规范提出了一种基于模型和长期观测资料进行地下水位预测的方法，该方法较科学合理，但规范并没有进一步明确如何进行预测.文献[14]>也有类似的观点，认为对地下水的考虑，与其他作用一样，应该能够包含在一定概率意义上的最不利条件，对于抗浮设防水位的确定，需要对地下水的动态进行预测、预报，而不能仅仅考虑当前的水位.并针对北京市，提出了基于滑动平均模型[ARMA(n, m)]的最高地下水位预测的方法，实例表明，预测误差小，该方法值得借鉴参考.
2.2 地下水浮力的计算
地下水作用的实质是饱和土体中的孔隙水压力，原则上应采用孔隙水压力，但由于孔隙水压力的确定比较困难，从实用及偏于安全考虑，国内外对地下水浮力的计算一般都采用静水压力.目前的问题集中在黏性地基中水浮力是否需要折减及渗流对水浮力的影响.
《岩土工程勘察规范》第7.3.2-1条规定:对基础、地下结构物和挡土墙应考虑在最不利组合情况下，地下水对结构物的上浮作用，原则上应按设计水位计算浮力，对节理不发育的岩石和黏土具有地方经验或实测数据时，可根据经验确定；有渗流时，地下水的水头和作用宜通过渗流计算进行分析评价.另外，其条文说明规定:在具有地方经验和实测数据时，黏土中基础所受到的浮力可进行一定的折减.
《高层建筑岩土工程勘察规程》第8.6.5条规定:地下室在稳定地下水位作用下所受的浮力应按静水压力计算，对临时高水位作用下所受的浮力，在黏性土地基中可以根据当地经验适当折减.
《地铁设计规范》第10.2.3条的条文说明对地下水浮力做了如下的规定:使用阶段，无论砂性土或黏性土，都应根据正常地下水位按全水头原则确定；施工阶段，置于渗透性系数较小的黏性土地层中的隧道，在进行抗浮稳定性分析时，可结合工程经验，对浮力做适当折减，置于砂性土地层中的隧道，应按全水头确定作用在地下结构上的浮力.
《给水排水工程构筑物结构设计规范》第4.3.3-4条规定:地表水或地下水对结构作用的浮托力，其标准值应按最高水位确定.浮托力的折减系数，对非岩质地基应取1.0，对岩石地基应按其破碎程度确定.这一条款意味着在砂土和黏土地基中均不对地下水浮力进行折减.
广东省标准《建筑地基基础设计规范》第5.1.4条规定:计算浮托力时，不考虑地下室侧壁的摩擦作用及与岩土的黏滞作用；除了有可靠的长期控制地下水的措施之外，不得对地下水水头进行折减；结构基底面承受的水压力应按全水头计算.
《EN1991-1-6: 2005》第4.9(1)条规定:一般情况下，水(包括地下水)作用应表示为静水压力或动水压力，无论何种情况均要考虑最不利的影响. 《EN1997-1: 2004》第2.4.6.1(8)条规定:地下水压力的设计值可以通过水压力特征值乘以分项系数得到，或者对水位特征值(指测量值，公称值或估计的上限值或下限值)乘以一个安全系数.该条款也意味着不对水浮力进行折减.
国内不同的规范对折减问题有不同的规定，欧洲规范则对水位特征值乘以安全系数加以考虑，但未进一步明确安全系数的取值，且中欧规范均未涉及渗流作用对地下水浮力影响的计算方法.文献[14]用透水性相差很大的中砂和黏土作为地基土，在无渗流作用下，对地下水的浮力及其变化进行测试.试验结果表明，砂土地基中的实测起浮水位与理论水位一致，而在黏土中略有滞后，但折减程度小于10 %，且认为从工程安全考虑，在设计中都不予折减.文献[14]认为，当场地中存在多层地下水时，地层中会有明显的竖直向下的渗流，在渗流过程中，会产生水头损失，压力水头从地下水位向下不再呈现线性增长，使孔隙水压力沿竖向的分布大大低于静水压力数值，并提出了渗流孔隙水压力的计算方法，实例表明，经渗流分析得到的数据与现场实测数据基本吻合.
3 荷载分项系数的取值
《建筑结构荷载规范》未明确给出地下水浮力的荷载分项系数，第3.2.5条规定:基本组合的永久荷载分项系数，当其效应对结构不利时，应取1.2；当其效应对结构有利时，其分项系数取1.0，对结构的倾覆、滑移或漂浮验算应取0.9，可变荷载的分项系数，一般情况下应取1.4.
《EN1990: 2002》将承载能力极限状态分为4种情况，分别是EQU(整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡)，STR (结构或构件因材料强度被超过而破坏，或因过度变形而不适于继续承载)，GEO(地基破坏)和FAT(疲劳破坏).其中EQU用于抗浮设计，附录A1.3给出了相应分项系数的建议值.由于该规范的第6.4.3.1(2)条规定每种荷载组合都要包含一个起控制作用的可变荷载或偶然荷载，故在抗浮设计的荷载组合时，浮托力按可变荷载考虑，表 1为中欧相关规范分项系数的取值.
表 1 有利恒载和浮托力分项系数的取值
从表 1可以看出，各规范对有利恒载分项系数的取值很接近，但对浮托力的分项系数，《建筑结构荷载规范》分两类荷载给出，《EN 1990: 2002》和《给排水规范》则明确了按可变荷载取值，且《EN 1990: 2002》对浮托力的分项系数取为1.5，可靠度明显高于我国规范.
4 抗浮验算
《建筑地基基础设计规范》第3.0.2-6条规定:当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算.但并未给出明确的验算表达式.在《建筑结构荷载规范》[1]中，除了说明结构抗浮验算时永久荷载的分项系数为0.9外，也没有进一步明确具体的验算.
《砌体结构设计规范》第4.1.6条规定:当砌体作为一个刚体需验证整体稳定性时，例如倾覆、滑移、漂浮等，应按下式验算:
式中: SG1k为起有利作用的永久荷载标准值的效应；SG2k为起不利作用的永久荷载标准值的效应.
国内其他相关规范中，抗浮稳定验算一般采用单一安全系数的极限状态设计方法. 《地下工程防水技术规范》第9.0.4条规定:明挖法地下工程的结构自重应大于净水压力造成的浮力，抗浮力安全系数应大于1.05~1.1. 《给水排水工程构筑物结构设计规范》[2]第5.2.3条规定:验算时，抵抗力应只计入永久作用，可变作用和侧壁上的摩擦力不应计入，抵抗力应采用标准值，抗浮稳定性系数应大于1.05，但并未明确浮托力是否按标准值取值. 《给水排水工程管道结构设计规范》[3]第4.2.10条规定得更加明确:计算时各项作用均应取标准值，并应满足抗浮稳定性抗力系数不低于1.10.
广东省《建筑地基基础设计规范》[11]第5.2.1条规定地下室抗浮稳定性验算应满足下式的要求:
式中: W为地下室自重及其上作用的永久荷载标准值的总和；F为地下水浮力.
《EN1997-1: 2004》[8]采用分项系数的极限状态设计方法进行抗浮验算，第2.4.7.4条规定，上浮验算应满足下式要求:
式中Vdst, d是不利恒载和可变荷载的基本组合设计值；Gdst; d是不利恒载的设计值；Qdst; d是可变荷载的设计值；Gstb; d是结构和土层自重的设计值的总和；Rd是其他抗浮力(如摩擦力和锚杆抗力等)的设计值.附录A4[8]给出了上浮极限状态验算分项系数的建议值，有利恒载取0.9，不利恒载取1.0，不利可变荷载取1.5.当抗浮验算包含抗力时，如管桩或锚杆抗力，相应的分项系数取值见表 2.为了便于与国内规范作比较，不计入其他抗力，有利恒载分项系数为0.9，浮托力按可变荷载考虑，分项系数取为1.5，相应的安全系数为1.5/0.9=1.67，明显高于国内相关规范的取值.
表 2 土体参数和抗力分项系数的取值
目前在稳定性验算方法方面，国内尚很不统一，大多采用单一安全系数的极限状态设计方法，欧洲规范则采用分项系数的极限状态设计方法，且在这方面规定的很详细，分别给出了一般性抗浮验算和采用抗浮措施验算的分项系数.笔者认为，地下建(构)筑物的抗浮验算表达式应统一，建议采用安全系数的极限状态设计方法，抗浮验算的表达式为:
式中: R为抗力效应的标准值；SF为浮托力的标准值.
5 结论与建议
本文就地下水浮力的荷载分类、抗浮设计水位的确定、水浮力的计算、荷载分项系数的取值及抗浮稳定性验算等方面，对中欧相关规范进行了比较和分析，指出了我国规范还需要进一步完善的地方，得到了如下结论与建议:
(1) 地下水浮力是一种特殊的荷载，不能简单地看作永久荷载、可变荷载或偶然荷载，对水浮力的荷载分类关系到计算水浮力分项系数的取值，建议《建筑结构荷载规范》明确其荷载分类及分项系数的取值.
(2) 抗浮设防水位不能简单地按勘察实测水位、近3~5年最高水位或历史最高水位甚至室外地坪标高确定，而应结合区域自然条件、水文地质特点、长期观测的数据、现场实测以及分析预测综合确定，这些工作依赖于整个区域的水位观测数据和历史记录.对于地下水位的预测，目前我国规范并没有相关概率分布的规定，有待于进一步的研究.
(3) 对于经常遭受暴雨而使地下水位迅速上涨的地区，抗浮设防水位建议取地下结构出入口最低点的标高，但对超大地下建筑物，当各出入口最低点标高不同时，采用该方法需谨慎.
(4) 地下水对结构物的浮托力，在黏性地基中，从工程安全考虑，不予折减；有渗流时，应采用渗流分析确定，具体的渗流计算方法还有待于进一步研究.
(5) 与欧洲规范相比，目前我国规范对水浮力分项系数的取值偏小，尚应加强地下水浮力荷载的实际调查和统计分析，从而为可靠度分析提供依据.
(6) 目前我国规范用于抗浮验算的安全系数一般取1.05~1.10，与欧洲规范相比，偏不安全.
(7) 抗浮验算的表达式应统一，建议采用安全系数的极限状态设计方法在《建筑结构荷载规范》中予以明确.
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