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地下車庫抗浮技術及選型研究
發布時間:2020-11-16
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發布者:世紀東華
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一、地下室上浮的機理和基本條件

水,無處不在,循環于天地間,滋生萬物。當水滲入大地,聚焦到工程師的眼睛里,卻成了地下工程的最大麻煩。

 

圖1 水的循環

圖2 水對建筑物的托浮

 

浮力問題的實質,其實大家十分熟悉:浮力大小遵循阿基米德原理,浮力等于它所排開水體體積的重量。但由于土體結構的復雜性,水的托浮力又有其多樣性:對于砂土、碎石土和節理較發育的巖石地基,可按設防水位 100%計算浮力;粘土地基上浮力與孔隙連通性較好的砂土、碎石相比偏小,理論上可以折減,由于學術界的爭論及折減系數的復雜性,一般抗浮均按完全設防水位計算。當水浮力大于建筑物重量時,即產生上浮問題。

 

 

二、地下室上浮的類型和破壞特點

地下建筑物抗浮設計是一個復雜的技術問題,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的研究資料和觀測資料,導致認識上的分岐和設計工作的困難和混亂,不斷引發地下建筑物浮起、結構破壞事故,或出現不應有的浪費現象。

 

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室水池臨時檢修卸載時的上浮。

 

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,常發生整體上??;面積很大的地下建筑物常發生局部上浮。不均勻的局部上浮造成結構梁柱板混凝土被拉裂,裂縫集中發生在框架節點處,嚴重削弱裂縫位置的抗剪能力。

 

圖3 北京某在建項目地下室上浮

圖4 某倉儲建筑上浮傾斜

 

 

三、   解決地下室上浮問題的常用手段

 

目前建筑物通常采用的抗浮措施有兩大類:

一是抗力平衡型,即采用抗拔樁、抗拔錨桿或是增加結構自重等,使抗力與地下水的浮力平衡,從而達到構建筑物抗浮的目的;

二是浮力消除型,即通過疏排水措施,使地下水位保持在預定的標高之下,減小或消除地下水對建筑物的浮力,從而達到抗浮的目的。

 

1. 確定合理的抗浮水位

抗浮設計的關鍵是準確地確定托浮力,但由于其復雜性,勘察報告往往會給出較為保守的設防水位。對開發類地產來說,通過合適的方式如多方溝通、抗浮專項論證等手段降低設防水位,是最經濟有效的“抗浮手段”。根據測算,地下水位降低1m,可節省工程造價約250元/m2,對于單層地庫面積動輒幾萬平米的項目,成本節約相當可觀,并可削減工期。

 

2. 配重法

配重法在各類工程條件中均適用。根據抗浮要求,通常在底板上增設回填層,填入土、砂、石、混凝土等材料并分層壓實,利用回填物增加工程自重。配重法基本不受地質條件、施工環境的影響,設計和施工均較簡單,因此在抗浮要求不高的情況下常常作為設計之首選。

 

3. 基板延伸法

基板延伸法是配重法的一種發展,就是利用在底板外挑部分即翼板上堆載回填物作為配重。這種方法的優點是可以增加較大的附加配重,有利于抵抗浮力作用的發揮。缺點是,為了要延伸基板,開挖的范圍將相應加寬,土方及使用土地面積也將因此而加大。此法只適用于不受場地限制的小規模地下結構物的抗浮。

 

4. 抗浮錨桿和抗拔樁

抗浮樁利用樁側阻力起抗浮作用,單樁承載力大,不過受環境條件、施工條件影響較大,造價較高??垢″^桿則利用錨桿與砂漿組成的錨固體與巖土層的結合力作為抗浮力,其造價相對低廉,施工方便、受力合理,近年來被廣泛應用。

 

圖5 抗浮錨桿

 

5. 盲溝排水法

盲溝疏導地下水工藝是在地下建筑外墻四周或底板下部,系統的布置永久性的排水盲溝,當地下水達到盲溝標高處時,水通過集水管上的空洞進入集水支管,再通過集水支管匯集到集水井,然后通過排水總管流入流泥井。在流泥井處設置抽水泵等機械排水設備或是由排水管道直接排入天然河道或雨水系統。

 

只要能確保盲溝通道內的水能流出,盲溝的標高可隨意調低,從而可有效的減小地下水位。

 

 

圖6 截水盲溝系統示意

圖7 盲溝剖面

 

要充分發揮盲溝排水法的效率保證地下室的抗浮安全,需要滿足一定的適用條件:

1. 地層賦水及土體滲透系數不宜太大,較適用于基巖地區及滲透系數較小的粘土、粉質粘土地區

2. 排水盲溝頂標高應在臨界水位以下(可滿足結構自重抗浮時的水位標高),且場區四周有順暢、永久的出水口

3. 地下建筑物占地面積不宜過大,占地面積過大水阻勢必加大,易造成盲溝堵塞,水流不暢

4. 如建筑物底板標高高于出水口,可在底板下同時增加排水盲溝,結合外墻四周的盲溝可更有效控制地下水

 

6. 截排減壓法

截排減壓法是利用基坑開挖時設置的止水帷幕,如地下連續墻,攪拌樁或旋噴樁等“截”,利用減壓井等結構“排”,截排聯合的抗浮手段。截排原理如下圖所示,減壓井采用無砂混凝土,設計成方便維護、易維修的結構,減少其淤堵概率,確保長期有效運行。

 

圖8 某項目截排減壓方案   

圖9 運行期間的減壓井

 

顯然并不是所有的地層都適用截排減壓技術。當地層存在地下水相對補給充分的強透水層時,可優先考慮截排減壓抗浮。此地層中進行截排減壓抗浮,基坑內外的主要水力聯系通道已被止水帷幕“截”斷,經繞滲進入坑內的水量相對于地層中強透水層的導水能力而言,是“小量”。能夠輕易地被排水結構(減壓井等)排走,從而有效減少作用在地下室底板上的水壓力,實現減壓抗浮的目的。

 

由于使用條件的限制,截排減壓方案在工程中應用不多。但由于截排的聯合,使得排水減壓抗浮方法在經濟、工期及環保等方面與常規抗浮方法相比擁有巨大優勢。

 

我國南方某公建項目緊鄰江邊,地下室兩層(單層面積7.5萬m2),采用截排抗浮方案對原抗拔樁方案進行優化,并令底板的配筋有效減少,總計節約成本約 1 億元。項目2007年建成運行至今,狀態良好,實測總出水量700方/天,遠小于計算值,抽水電費與抽出水的利用費用平衡,實現了良好的經濟效益。

 

7. 支護樁兼做抗浮措施的討論

工程支護樁造價較高,通常地下結構完成、土方回填完成后即完成使命,用其兼作抗浮是從資源重復利用的角度提出的。

 

圖10 支護樁與地下室連接方式

圖11 底板鋼筋與支護樁的連接

 

此方法適用范圍較小,針對地下室面積不大或長度較大寬度較小的狹長地下室效率較高。若地下室長寬均較大,即使地下結構滿足整體抗浮要求,也將引起結構內部較大的應力,引起結構頂板配筋增加較多,局部抗浮安全值得關注。且此方法并不能完全取代常用的抗浮手段,故在房地產開發項目中不推薦使用。

 

 

四、關于抗浮設計的建議

抗浮單項設計不是單一設計,往往需要與基礎選型、施工周期等通盤考慮,再加上場地地形地貌、水位變動情況等因素,很難說哪種抗浮方式最為經濟有效。我司項目抗浮方案均是在考慮上述因數的情況下,通過經濟技術比較后敲定的。

 

如前所述,抗浮水位是抗浮設計的“因”,若項目勘察報告提供的抗浮水位明顯高于周圍地塊或不合常理,建議通過專項咨詢的形式降低設防水位,這樣最直接最經濟,應該首選。

 

盲溝排水法在各個地區的使用,均取得了很好的效果。因此如果場地、地質條件允許,且存在安全的排水出水口,建議嘗試盲溝排水法,其經濟性優于其它抗力平衡性措施。

 

截排減壓法重點在于“截”水,其排水涉及后期運營費用問題,但一次投資經濟性好,且能節約工期。綜合考慮施工時基坑支護形式、排水費用和抽水利用費用平衡的基礎上,通過專項設計,在寫字樓和商業等公建產品中選擇使用。

 

表1 各種抗浮措施的特點對比 

1) 表中采用“★”表示優劣對比,得分最高的為五星,最低為一星;

2) 表中“-”表示需根據具體項目對比才能確定優劣;

 

抗浮單項設計也不僅是單專業設計,根據場地地形選擇合理的地下室排布方式、通過合理的管線排布等降低地下室層高等,都是十分有效的減少營造成本的方式。

 

 

五、對抗浮設計安全的思考

抗浮安全是建筑物安全的重要組成部分,相對于上部結構的安全系數來說,抗浮安全系數是偏小的,抗浮安全可靠度一直是業界爭論的話題。在高水位地區,結構抗浮費用較大,安全系數提高,將會引起結構造價的增加。

 

從設計的角度出發,至少有兩個有利因素:

1. 勘察部門提供的抗浮設防水位是已經綜合考慮了各種不利因素后確定的水位;

2. 抗浮驗算中不計外墻與土層之間的摩擦力,這部分抗力可作為安全儲備考慮;

 

浮力消除型措施目前應用較少,主要是因為多數的工程師對盲溝或其他截排措施的可靠性和耐久性存疑。但從目前全國使用情況來看,盲溝消除型的抗浮措施是安全可靠的。

 

抗力平衡型措施中,當水浮力大部分或全部由結構自重和填料重量平衡時,其抗浮穩定安全系數??;當水浮力大部分由抗拔構件的抗力平衡時,其抗浮穩定的安全系數大。

 

 

六、結語

地下建筑物的抗浮措施與地下建筑物的具體情況和多種因素相關,往往需要采用綜合性方法予以解決。在項目實踐中,需要結合項目具體情況,利用有利條件,比選出最適合的抗浮方案,在保證安全的前提下,節約造價,節省工期,實現產品溢價。




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