關(guān)于地下建筑物抗浮設(shè)計的討論.docVIP

關(guān)于地下建筑物抗浮設(shè)計的討論*勘察設(shè)計審查咨詢有限公司 *內(nèi)容提要 地下建筑物抗浮設(shè)計是一個普遍存在的重要技術(shù)問題，由于缺乏專門、系統(tǒng)的研究，抗浮設(shè)計中常出現(xiàn)缺陷或錯誤，導致地下建筑物浮起，結(jié)構(gòu)損壞的事例屢見不鮮；另一方面抗浮水位確定不合理或抗浮措施采取不當，造成重大浪費的問題也時有發(fā)生。本文根據(jù)規(guī)范的原則要求，結(jié)合筆者的認識和經(jīng)驗，對地下建筑物浮起的機理、浮起的類型、抗浮水位的確定、抗浮設(shè)計計算以及抗浮措施等進行了闡述，可供地下建筑物設(shè)計和施工參考。地下建筑物抗浮設(shè)計是一個復雜的技術(shù)問題，由于巖土工程條件及地下水的多變性，特別是缺乏專門系統(tǒng)的研究資料和觀測資料，對于幾乎成為學術(shù)研究空白點的地下建筑物抗浮設(shè)計，相關(guān)規(guī)范沒有條件作出更加明確具體的規(guī)定，導致認識上的分岐和設(shè)計工作的困難和混亂，不斷引發(fā)地下建筑物浮起、結(jié)構(gòu)破壞事故，或出現(xiàn)不應有的浪費現(xiàn)象。為解決抗浮設(shè)計的基本認識和具體操作問題，有必要對抗浮機理等重要概念進行澄清，對抗浮設(shè)計涉及的重要問題進行探討。一、地下建筑物浮起的機理及基本條件眾所周知，水對地下建筑物的浮力大小遵循阿基米德原理，水對物體的浮力等于物體排開同體積水的重量。容易引起忽視的是水的浮力同時也遵循連通管原理，即不同截面尺寸(包括土中細微的孔道)的各連通管水位等高，且壓強相等。因此，當?shù)叵陆ㄖ锱c周圍巖土介質(zhì)間因地下水通過大孔道或微小的孔隙滲入達到一定水位時，無論水的性質(zhì)是潛水、上層滯水或承壓水，無論滲入水量的多少，即使巖土介質(zhì)與地下結(jié)構(gòu)外墻間形成薄層水膜，即可產(chǎn)生強度為h的浮力(為水的重度，h為建筑物基底以上的水深)，當水浮力強度大于地下建筑物單位面積的重量時，建筑物即可浮起，當水不斷補充，建筑物將繼續(xù)上浮。所以，建筑物浮起是一個漸進過程。水位高低是控制建筑物上浮的基本要素，水量的大小控制著建筑物的上浮量，地下建筑的浮起破壞是上述兩個因素綜合作用的結(jié)果。單是水位達到上浮臨界水位，建筑物開始微小浮起，此時，如果水未繼續(xù)補充，或滲入的水量小于基底和周邊土的滲出水量時，則建筑物不會繼續(xù)上浮，地下結(jié)構(gòu)不致破壞，已滲入基底的水在建筑物重量作用下，滲入基底或周邊土介質(zhì)之中，此時人們并未發(fā)現(xiàn)地下建筑上浮的危險征兆。這就是許多地下建筑物未采取抗浮措施，并未發(fā)現(xiàn)嚴重浮起的原因。一個簡單的試驗可以證明上述論述，將大小與形狀相同的兩個碗疊摞在一起，用滴管向兩碗間隙中滴水，由于兩碗間的間隙較小，間隙內(nèi)水位達到臨界上浮水位時，雖然滴入的水量不到碗的重量，但上面的碗已被浮起。至于水在巖土中的滲流規(guī)律對浮力的影響問題，屬深層次的課題，但其結(jié)果對抗浮設(shè)計的影響不大。二、地下建筑物上浮的類型和破壞特點按上浮的時間和階段可分為施工階段上浮、使用階段上浮和地下儲罐、水池檢修卸載時的上浮。按上浮誘因可分為上層滯水(含地面水及雨水)、潛水和承壓水單獨引發(fā)的上浮或不同性質(zhì)地下水有水力聯(lián)系時綜合引發(fā)的上浮。其中以上層滯水引發(fā)的上浮最為常見。地下建筑物上浮有整體上浮和局部上浮兩種，面積不大的地下建筑物和水池等，常發(fā)生整體上浮。面積很大的地下建筑物常發(fā)生局部上浮，如一個連通的大的地下室上分布有若干棟塔樓的常見結(jié)構(gòu)形式，塔樓下的地下室不致浮起，而塔樓以外的單純地下室則可能浮起；一個大的地下室周邊因有外墻的重量以及外墻與墻外填土摩阻力的影響，周邊不浮起，而地下室中部重量較輕，可能會浮起等。不論地下建筑物是整體上浮或局部上浮，其浮起量是不均勻、不對稱的，原因是地下建筑物重量分布不一定均勻，填土與外壁的摩阻力不相等、水滲入基底的通道位置不固定、水位上升速度不同等因素所致。由于地下建筑物浮起量的不均勻、不對稱，浮起過程常發(fā)生結(jié)構(gòu)的破壞，具體表現(xiàn)為：底板及頂板出現(xiàn)不規(guī)則裂縫，柱的上下端出現(xiàn)反對稱水平裂縫，梁端出現(xiàn)垂直裂縫或斜裂縫等，上述裂縫的產(chǎn)生，均為不均勻上浮形成的巨大的附加彎矩和剪力作用的結(jié)果。三、地下建筑物的抗浮設(shè)計地下建筑物的抗浮設(shè)計應考慮以下幾個主要問題，并進行必要的驗算。1、施工階段、使用階段及檢修卸荷階段等不同階段及工況的上浮驗算。2、整體抗浮穩(wěn)定的驗算及局部抗浮穩(wěn)定的驗算。地下建筑物不僅要滿足整體抗浮的穩(wěn)定要求，在墻體較少或荷載較小的部位尚要滿足局部抗浮穩(wěn)定的要求，抗浮穩(wěn)定驗算中，可變荷載不能作為有利因素加以考慮。3、地下建筑物外墻、底板等構(gòu)件的強度及抗裂驗算。在抗浮整體及局部穩(wěn)定得到保證的前提下，才能進行地下建筑物結(jié)構(gòu)的設(shè)計驗算。作用于外墻的土壓力應按靜止土壓力計算，根據(jù)周邊填土性質(zhì)適當考慮水壓力，同時應考慮超載影響。底板的荷載組合較為復雜，對構(gòu)造底板，應計及由于基礎(chǔ)沉降引起地基對底板的反力，這個反力一般取建筑物豎向荷載總值(不扣除水浮力)的10%15%。4、抗拔構(gòu)件的抗力及強度驗算當建筑物重量不能平衡水的浮力時，可設(shè)置抗拔構(gòu)件或加大建筑物自重?？拱螛?gòu)件一般采用抗拔樁或抗拔錨桿，其抗力(抗拔力)應通過抗拔試驗確定，不能以估算值為依據(jù)。在抗拔試驗的基礎(chǔ)上尚應對抗拔構(gòu)件本身的強度及抗裂進行驗算?？拱螛犊梢酝瑫r起到抗壓、抗拔的作用，應用較多，抗拔錨桿則難以考慮抗壓作用。四、不考慮水浮力作用的條件對于這個問題，國家標準及行業(yè)標準未作明確規(guī)定，湖北省曾發(fā)生多起埋置于無地下水的粘土中地下室浮起事故，浮起的原因均為上層滯水及地面水、雨水的作用結(jié)果。經(jīng)過分析總結(jié)，并經(jīng)實踐驗證，地下建筑物不考慮水浮力作用、不作抗浮設(shè)計必須同時滿足以下條件：1、地下建筑物所在場地無積水，雨水及其他地表水應有組織地及時排走。2、地下建筑物基底以上無雜填土、砂類土、粉土等透水層，或雖有上述透水層，但層厚較薄且不賦存潛水或承壓水，可以采取有效的隔、排水措施者。3、基坑回填土必須采用壓實的粘性土或灰土，粘性土壓實系數(shù)不小于0.90。4、當基底以下存在承壓水時，在無建筑物荷載作用下，不得發(fā)生管涌或突涌。勘探孔必須進行有效的封堵。5、地下室外墻防水層的保護層不應采用透水的泡沫板等材料，應確保防水層及保護層不形成水通道。除上述必備條件外，尚宜采取基礎(chǔ)及底板混凝土原槽澆灌、超挖部分以混凝土回填、地面外墻周邊設(shè)混凝土散水等措施。對于地表以下存在深厚非飽和透水性好的砂類土場地(如沈陽等地區(qū))，在確保地下水位不致上升到地下建筑物底板以上，且保證地面水滲入基底的速度小于基底土滲出速度時，也可不考慮水浮力作用。五、抗浮設(shè)計水位的確定抗浮設(shè)計水位的取值是抗浮設(shè)計的前提條件?？垢∷坏母叩团c地形、地貌、地下水類型、土質(zhì)、施工、氣候及環(huán)境情況等多種因素相關(guān)，特別是環(huán)境及上層滯水的變化更是難以預測。巖土工程勘察規(guī)范gb50021-2001等標準規(guī)定的相關(guān)內(nèi)容難以操作?？垢≡O(shè)計水位的確定與結(jié)構(gòu)設(shè)計、抗浮穩(wěn)定計算的安全度、經(jīng)濟指標、施工可行性等相關(guān)聯(lián)，抗浮設(shè)計水位是一種荷載效應，其取值應與抗力及安全系數(shù)的取用方法相對應。因此，抗浮設(shè)計水位的確定是一個十分復雜的綜合性問題?？垢≡O(shè)計水位分為結(jié)構(gòu)強度及抗裂計算采用的水位與抗浮穩(wěn)定計算采用的水位，二者在一定條件下可能相等，也可能不等。綜合考慮上述問題，結(jié)合相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，抗浮設(shè)計水位可按下列方法確定：1、地下建筑物基底位于含水層內(nèi)，含水層有承壓水或潛水存在時，抗浮水位應按歷史最高水位或建筑物設(shè)計使用期內(nèi)最高水位計算，這個要求僅在少數(shù)場地有長期可靠的地下水位觀測資料時，方可操作。當承壓水、潛水及上層滯水有水力聯(lián)系且不易隔斷聯(lián)系時，宜取建筑物使用階段的地面標高為抗浮設(shè)計水位標高。當承壓水頭高出地面標高，出現(xiàn)泉涌時，應按建筑物設(shè)計使用期內(nèi)的最高承壓水頭標高取值。2、由地面水、管道水和雨水補給的上層滯水水位多變且場地各點水位也不盡相同，在南方多雨地區(qū)，出于安全考慮，在場地無積水的前提下，可取使用階段的地面標高為上層滯水抗浮設(shè)計水位標高。3、當?shù)叵陆ㄖ锼巿龅氐貏莸屯?、場地有可能長期積水時，應按可能發(fā)生的積水水位計算。4、當?shù)叵陆ㄖ镯敯迕嬉陨蠠o覆土，頂板面以上可能積水，且抗浮水位高于頂板面時，計算抗浮穩(wěn)定的設(shè)計水位取至頂板頂面，計算地下結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度及抗裂的設(shè)計水位則按水面標高計算。頂板面以上有覆土，抗浮設(shè)計水位的取定同上，但覆土浸水部分的土重在抗浮穩(wěn)定計算時應取浮重度。當頂板頂面以上不可能積水時，抗浮穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算水位相等，均按水面計算。頂板上覆土按天然重度計算土重。5、當?shù)叵陆ㄖ苓呌羞B續(xù)可靠的排水通道，且排水量及排水速度大于地下、地面水的補給速度時，可取排水通道的標高作為抗浮設(shè)計水位。六、抗浮設(shè)計的安全度如前述抗浮設(shè)計安全度問題是荷載(浮力)和抗力綜合考慮取值的新課題，是一個系統(tǒng)工程?，F(xiàn)行相關(guān)規(guī)范對此均未提出明確的解決辦法。地下工程防水技術(shù)規(guī)范gb50108-2001第9.0.4條規(guī)定“明挖法地下工程的結(jié)構(gòu)的自重應大于靜水頭壓力造成的浮力，在自重不足時，必須采用錨桿或其他措施?？垢×Π踩禂?shù)應大于1.051.10，施工期間應采取有效的抗浮力措施”。建筑結(jié)構(gòu)荷規(guī)范gb50009-2001第3.2.5條規(guī)定“基本組合時永久荷載分項系數(shù)，當其效應對結(jié)構(gòu)不利時，應取1.2(由可變荷載效應控制的組合)，1.35(由永久荷載效應控制的組合)；當其效應對結(jié)構(gòu)有利，且對結(jié)構(gòu)傾覆、滑移或漂浮驗算時，應取0.9。可變荷載的分項系數(shù)，一般情況下應取1.4”。高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范jgj6修編征求意見稿第5.1.2條規(guī)定“當采用與建筑物設(shè)計使用年限相應或然率的最高水位時，抗浮穩(wěn)定系數(shù)不應小于1.05。水浮力、結(jié)構(gòu)永久荷載的分項系數(shù)取1.0?！鄙鲜鲆?guī)定首次明確了荷載(水浮力)與抗力(自重或抗拔構(gòu)件抗力)的關(guān)系和取值原則，但仍未真正解決各種情況下地下建筑抗浮安全度的大小問題，而且上述規(guī)定也未建立在概率統(tǒng)計的基礎(chǔ)之上，因此，不同情況下抗浮安全度有大、有小，而且相差很遠。比如全部以結(jié)構(gòu)和填料自重來平衡水浮力時，當抗浮設(shè)計水位取設(shè)計使用年限相應或然率的最高水位時，其抗浮穩(wěn)定的安全系數(shù)僅為1.05。如果全部以抗拔錨桿或抗拔樁的抗拔力來平衡水浮力時，則有兩種情況控制抗浮安全度，一種是土對抗拔構(gòu)件的摩阻力控制時，其抗浮穩(wěn)定的安全系數(shù)為2.0(極限抗拔力為抗拔承載力特征值的2倍)；另一種情況是抗拔構(gòu)件材料本身的強度控制時，其抗浮穩(wěn)定的安全系數(shù)約為1.4(抗浮構(gòu)件為鋼筋混凝土材料)。以上分析可以看出，當水浮力大部分或全部由結(jié)構(gòu)自重和填料重量平衡時，其抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)??；當水浮力大部分由抗拔構(gòu)件的抗力平衡時，其抗浮穩(wěn)定的安全系數(shù)大。因此，在現(xiàn)階段的抗浮設(shè)計中，應針對具體情況考慮地下建筑的抗浮穩(wěn)定的安全問題。七、抗浮措施常用的抗浮措施為增加結(jié)構(gòu)和填料的自重，完全以結(jié)構(gòu)和填料自重來平衡水浮力；另一種是設(shè)置抗拔構(gòu)件，以結(jié)構(gòu)和填料自重及抗拔構(gòu)件的抗力共同平衡水浮力。當?shù)叵陆ㄖ锼幍刭|(zhì)水文條件和環(huán)境條件符合前述不考慮水浮力作用的條件時，應按前述要求進行處理，其中嚴格控制回填土夯實質(zhì)量或采用低等級混凝土回填最為重要。不考慮水浮力作用后，結(jié)構(gòu)底板、側(cè)墻的設(shè)計往往更為經(jīng)濟(可采用構(gòu)造底板)。地下建筑物的抗浮措施的制定與地下結(jié)構(gòu)類型、場地巖土工程和環(huán)境條件有關(guān)，同時與產(chǎn)生水浮力的地下水的性質(zhì)有關(guān)。對于由上層滯水和地面水引發(fā)的抗浮問題，有條件時宜采取截斷、疏排或封堵的辦法予以解決。對于潛水或承壓水引發(fā)的抗浮問題，應視水量大小采取不同的抗浮措施。當涌水量較大時，應采用增加結(jié)構(gòu)及填料自重或設(shè)置抗拔構(gòu)件的辦法；當涌水量較小時，還可采用在地下建筑物外圍設(shè)置盲溝、集水井進行自動排水的辦法，使水位維持在一定標高之下，抗浮設(shè)計達到經(jīng)濟合理的目的。當采用設(shè)置盲溝、集水井自動抽排的方案時，應考慮長期抽水的費用，同時還應采取確保盲溝暢通的措施。許多地下建筑物往往同時存在上層滯水(含地面水)和承壓水(含潛水)的浮力作用，此時可按地下水性質(zhì)分別進行處理。如武漢市地鐵2號線洪山廣場站的抗浮措施中，對上層滯水及地面水采取了封堵措施，不考慮其浮力作用；對下部的承壓水則按勘察時的水頭標高增加約3m高的水頭進行抗拔樁的設(shè)計。如此處理，減少了約8m高的抗浮水位，減少了抗拔樁的數(shù)量及長度，取得了顯著的經(jīng)濟效益。如實際水位萬一超過設(shè)計采用抗浮水位，此時抗拔樁和加強底板尚有較大安全裕度，足以滿足特殊情況下的抗浮要求。對于上部建有較高或較重建筑物的地下結(jié)構(gòu)，可考慮地下結(jié)構(gòu)剛度的影響，即靠近上部建筑物的一跨地下結(jié)構(gòu)可利用上部建筑物的重量平衡水浮力，通過驗算后，該跨不必考慮抗浮穩(wěn)定措施。在處理已