水浮力的巨大剪力从何而来？

张利军

近年来发生的几起地库抗浮破坏现象，大多表现为柱的剪切破坏。这种破坏状况不仅触目惊心，而且大大出乎大多数工程技术人员的预料之外。参见下图：

在以往的地库结构设计中，我们主要关注的是地库顶板、底板和周边挡土墙的设计。柱子作为以轴压为主的小偏压构件，其弯矩和剪力均较小，基本不起控制作用，所以地库柱主要以构造为主。那么，造成地库柱子剪切破坏的巨大剪力是从何而来的呢？本文尝试予以简单说明，欢迎指正！

一、 地下水浮力作用下，地库的三个受力状态：

为方便叙述，下文所说“自重”均为除以抗浮安全系数以后的值。

1. 当浮力小于底板及面层（包括底板覆土）自重时，即：fw 水浮力对地库结构无影响，没有抗浮的问题，也不会改变地库结构的内力。

2. 当浮力大于底板自重（g1）但小于底板以上结构和覆土自重（g2）时，即：g1

此时，fw+fs=g1+g2。

地库的受力状态是局部弯曲 ，见下图2：

水浮力增大或减小，地基反力相应减小或增大。水浮力会改变地基反力的大小和分布，对地库结构的影响主要是对底板的影响，对柱和顶板影响甚微。此时每平米的浮力均由垂直方向对应的重力来平衡，类似于埋置于土中的大箱子。底板和顶板均为受弯构件，柱子为以轴压为主的小偏压构件。平时设计中取地库的局部进行建模计算即为此情况。

3. 当浮力大于地库全部重力荷载时，即：fw>g1+g2时，对于独立地库，则有上浮的趋势。对于与楼座连为一体的大底盘地库，则将产生 整体弯曲 ，整个地库将产生类似于 空腹桁架 的受力状态，见下图3：

柱子作为空腹桁架的腹杆， 承受巨大的弯矩和剪力，其量值与地库的跨数有关，而且越靠近楼座的柱子弯矩和剪力越大。

柱内剪力为：

此即为引起地库柱剪切破坏的主要剪力来源。

在整体弯曲状态下，柱子、底板和顶板都变为拉弯或压弯构件，实际受力为图2和图3的叠加。

二、 以往的抗浮安全性问题：

1. 主要关注地下水的抗浮问题，对于地表水快速下渗引起的抗浮问题未给予足够重视，而这几个地下室抗浮出问题都是发生在暴雨之后。

2. 地库并未真正经受过水浮力的考验：

自从90年代开始逐渐对地下空间进行开发利用以来，全国各地的地下水位基本处于逐年下降的趋势，所以地下结构并未真正经受过水浮力的考验。尽管也有抗浮方面的要求，但各方在意识上并没有像对待楼面恒载、活载或地震作用那么重视。

3. 较准确地确定抗浮设防水位的依据不足困难较大：

抗浮设防水位是对设计基准期内的未来最高水位的预估。确定抗浮设防水位是难点，与多种因素有关。与现状水位、近三五年水位和历史最高水位都不一样。可以说，与现状水位没啥关系；与近三五年水位的关系也不太大。虽然历史最高水位可作为参照，但普遍缺乏长期的 详实的 水文观测资料。抛开专业技术的难度不说，光就对几十年或上百年内的事情的预计本身，就是难度很大的问题。

4. 抗浮安全的余度不够：

在抗浮存在困难的情况下，往往会以降低抗浮成本为目的，或者以“优化设计”的名义进行技术咨询。经咨询以后，对抗浮水位和抗浮措施的有利因素考虑得偏多，往往会降低原勘察报告的抗浮设防水位，勘察单位和设计单位往往不得不被动接受。这种咨询不是科学客观和全面的真正意义上的抗浮安全性评估。

三、 抗浮安全性方面的建议：

1. 把地表积水快速下渗引起的浮力问题重视起来。对肥槽回填土质的选用和施工质量提出明确要求，防止地表水短时间大量下渗或汇集。应选用渗透系数较小的土。下图是《高规》和《桩基规范》对肥槽回填土质和回填压实的要求：

为了施工快捷和压实效果好，工程中经常用级配砂石回填肥槽。尽管从《高规》12.2.6 条和《桩基规范》4.2.7条来看，级配砂石是肥槽回填的优选，但带来的问题是，一旦暴雨后地表积水，则地表水可以快速渗入肥槽内。肥槽的外侧是基坑支护结构（或止水帷幕），内侧是地下室外墙，可以说下渗的水无处可去，下渗速度远大于土中渗流速度；而且肥槽并不宽，不需要太大的水量就能将水位提高，超过预期的抗浮设防水位。当下渗水与地下水连通后，就形成很大的浮力。所以级配砂石的回填高度应低于止水帷幕，级配砂石以上用渗透系数较小的灰土或素土夯实回填。散水也要做好，将地表水尽快排走。散水做法可参照《湿陷性黄土地区建筑规范》5.3.4条（见下图），散水宽度应大于肥槽宽度。

2. 地下水的抗浮设防水位是抗浮设计和抗浮安全的重要前提。既然抗浮设防水位的确定是一个非常复杂、非常专业的问题，就更应该由专业对口的勘察单位或其他水文地质部门为设计单位提供明确的数据。对于地下水分布复杂的情况，诸如上层滞水、潜水、承压水、隔水层、渗流、相邻地下室的影响等等深奥的专业问题，应由勘察单位或其他水文地质部门结合建筑物的坐标和设计高程，给出各不同部位的明确的浮力，而不是交给结构工程师一个定性的或者具有选择性的结论。

3. 在学术尚未完全搞清楚之前，房子总是要盖的。对于不能准确量化的数据，工程中就要偏安全地取值，这也是工程界一贯的做法。

4. 抗浮设计时，应将浮力“就地解决” ，尽量避免传给远端的配重（如外挑底板上的覆土）和主楼。优先采用重力抗浮，其次是锚杆或锚桩抗浮，使得地库结构处于局部弯曲状态。 避免出现整体弯曲状态。

5. 水浮力是很实际的永久作用。抗浮水位的确定应兼顾地下和天上的来水。如果勘察单位对确定抗浮设防水位有困难，则不能强求勘察单位提供数据，应参照地震安全性评估的做法，推广抗浮安全性评估或专家咨询。