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關(guān)于地下室抗浮設(shè)計(jì)中相關(guān)問題的探討

2018-10-26 07:37楊智強(qiáng)余舒惠
建材與裝飾 2018年42期
關(guān)鍵詞:抗拔抗浮浮力

楊智強(qiáng) 余舒惠

(貴州省建筑材料科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 貴州省貴陽市 550007)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市化的進(jìn)程不斷加快,城市建設(shè)對地下空間的開發(fā)利用的力度不斷加大,很多居住小區(qū)、辦公寫字樓、城市綜合體等建筑均配建大量的地下室作為停車場、人防地下室及各種功能用房使用。其建設(shè)的規(guī)模也在不斷增大,大面積地下室越來越多,地下室層數(shù)及深度也不斷增加。受周邊環(huán)境、工程地質(zhì)條件及水文條件等因素的影響,目前在地下室設(shè)計(jì)及施工中遇到了許多新的技術(shù)問題亟待解決。地下室抗浮問題即是其中之一,眾多工程實(shí)例表明,如果設(shè)計(jì)人員不重視地下室抗浮設(shè)計(jì),導(dǎo)致其不滿足抗浮設(shè)計(jì)的要求,將會對建筑物的使用造成極大的安全隱患,輕則地下室底板開裂滲水,重則導(dǎo)致地下室上浮傾斜,無論何種情況都會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文通過對地下室抗浮設(shè)計(jì)原理進(jìn)行簡單的分析,以尋求更加合理有效的設(shè)計(jì)方法。

1 抗浮設(shè)計(jì)的基本概念

地下室在建設(shè)完成時(shí),其底板和側(cè)壁會形成一個(gè)封閉體,若地下水位較高,則這個(gè)封閉體將承受較大的水浮力,其底板及側(cè)壁的各個(gè)區(qū)域,也將因受到外部水壓力而導(dǎo)致形變。因此,地下室的抗浮設(shè)計(jì),應(yīng)進(jìn)行整體抗浮驗(yàn)算和局部抗浮驗(yàn)算。

整體抗浮驗(yàn)算即是要求地下室在受水浮力作用下,不會產(chǎn)生上浮導(dǎo)致破壞。為防止地下室整體上浮,我們一般采用兩種方式實(shí)現(xiàn):①“壓”;②“拉”。所謂“壓”就是利用建筑的自重(結(jié)構(gòu)自身重量,不包含活荷載)來抵抗水浮力的作用,當(dāng)不能滿足時(shí),可采用增加結(jié)構(gòu)自重或配重的方式來滿足抗浮要求,用此方法的局限在于若地下水浮力較大,超過結(jié)構(gòu)自重較多,則會大大增加材料用量,造成經(jīng)濟(jì)性差的問題。這時(shí),我們可以采用另外一種方法,即是“拉”,所謂“拉”就是通過增設(shè)抗拔樁、抗拔錨桿等,利用樁或錨桿來抵抗地下水的浮力,以此來滿足地下室整體抗浮的要求。無論是“壓”還是“拉”的做法,都必須進(jìn)行整體抗浮驗(yàn)算,保證結(jié)構(gòu)抗浮力(自重+抗浮拉力)大于1.05倍水的總浮力。

驗(yàn)算局部抗浮時(shí),除驗(yàn)算底板和側(cè)壁的強(qiáng)度、變形及裂縫寬度均應(yīng)滿足規(guī)范要求外,還應(yīng)包括驗(yàn)算地下室的局部薄弱范圍抗浮要求是否滿足,對于大面積地下室上建有多棟高層和低層建筑,建筑自重不均勻,當(dāng)上部為高層或恒荷載較大時(shí),該范圍的整體抗浮能力可能較高,但上部沒有建筑或建筑層數(shù)不多的局部范圍,特別應(yīng)進(jìn)行分區(qū)、分塊的局部抗浮驗(yàn)算。

2 地下室在水浮力作用下的破壞特征及原因分析

在許多因地下水引起的工程事故中,有部分是由于設(shè)計(jì)人員對上述基本的概念還不夠清晰,造成在對地下室進(jìn)行抗浮驗(yàn)算時(shí)有疏漏,導(dǎo)致地下室抗浮能力不足所引起的。例如,有些設(shè)計(jì)人員只對地下室底板的梁、板、墻在地下水浮力荷載作用下的強(qiáng)度計(jì)算,而忽略了地下室的整體抗浮驗(yàn)算,導(dǎo)致整體抗浮能力不夠而破壞。有的則是進(jìn)行了整體抗浮驗(yàn)算后滿足要求,即認(rèn)為沒有問題,而忽略了對地下室抗浮力薄弱的局部區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)算,導(dǎo)致部分區(qū)域因受地下水浮力大于設(shè)計(jì)荷載造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞,主要表現(xiàn)為底板隆起、相關(guān)區(qū)域的結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到破壞等。還有的則是在地下室底板計(jì)算中只驗(yàn)算強(qiáng)度不進(jìn)行變形的裂縫寬度的計(jì)算,造成底板產(chǎn)生裂縫,漏水嚴(yán)重。

除上述原因外,還有一種情況值得一提,當(dāng)?shù)叵率一鶎訛檩^嚴(yán)密的不透水層(不透水的硬質(zhì)巖石或堅(jiān)硬土層)時(shí),而地下水位又較低,設(shè)計(jì)人員忽略了地下室受水浮力作用的影響,未進(jìn)行地下室抗浮驗(yàn)算;施工時(shí)又采用嚴(yán)密的基坑支護(hù),一旦暴雨來臨,施工單位未能采取有效的降水措施,整個(gè)基坑將形成一個(gè)大集水坑,從而形成盆池效應(yīng),同樣對地下室產(chǎn)生浮力造成結(jié)構(gòu)破壞。

因此,在進(jìn)行地下室抗浮設(shè)計(jì)時(shí),不僅要做細(xì)致全面地驗(yàn)算,既要驗(yàn)算整體由要驗(yàn)算局部,而且還要對地質(zhì)勘查報(bào)告進(jìn)行仔細(xì)研讀,同時(shí)對現(xiàn)場進(jìn)場查勘,與地勘單位一起對是否會出現(xiàn)盆池效應(yīng)進(jìn)行分析,必要時(shí)提出施工期間的降水、抗浮措施和建議。

3 地下室抗浮計(jì)算的方法

3.1 抗浮水位的確定

抗浮水位的取值是地下室抗浮設(shè)計(jì)中一個(gè)決定性的參數(shù),是否合理地確定抗浮水位,直接影響水浮力的大小和抗浮計(jì)算的準(zhǔn)確性。直接關(guān)系著結(jié)構(gòu)主體的安全和工程造價(jià)。

地下室抗浮設(shè)計(jì)水位的確定按照現(xiàn)行國家規(guī)范的要求,需由巖土工程勘察單位在地質(zhì)勘察報(bào)告中提出。規(guī)范明確規(guī)定:

(1)當(dāng)有長期水位觀測資料時(shí),場地抗浮設(shè)防水位可用實(shí)測最高水位,無長期水位觀察資料時(shí),應(yīng)按勘察期間實(shí)測最高水位并結(jié)合場地地形地貌、地下水補(bǔ)給、排泄條件等因素綜合確定。

(2)場地有承壓水且與潛水有水力聯(lián)系時(shí),應(yīng)實(shí)測承壓水位并考慮其對抗浮設(shè)防水位的影響。

(3)只考慮施工期間的抗浮設(shè)防時(shí),抗浮設(shè)防水位可按一個(gè)水文年的最高水位確定。

此外,設(shè)計(jì)人員對于下列一些特殊情況還應(yīng)進(jìn)行必要的分析和論證:①地下水賦存條件復(fù)雜、變化幅度大、區(qū)域性補(bǔ)給和排泄條件可能有較大改變或工程需要時(shí),應(yīng)進(jìn)行專門論證;②對于斜坡地段的地下室或可能產(chǎn)生明顯水頭差的場地上的地下室進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮地下水滲流在地下室底板產(chǎn)生的非均布荷載對地下室結(jié)構(gòu)的影響,不能籠統(tǒng)的采用勘察報(bào)告所提供的遠(yuǎn)高于室外地坪的地下室抗浮水位來進(jìn)行設(shè)計(jì)。水是往低處流的,若建筑物一側(cè)或多側(cè)是敞開的,水浮力不可能高出室外地坪;③在有水頭壓差的江、河岸邊,且存在濾水層,應(yīng)按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的最高洪水位來確定其抗浮水位;四是對于雨水豐富的地區(qū),尤其應(yīng)注意因地面標(biāo)高發(fā)生變化后對原勘察報(bào)告抗浮水位的修正,防止產(chǎn)生地表水聚集效應(yīng)對地下室造成破壞。

3.2 水浮力的計(jì)算方法

在確定了地下室抗浮水位后,抗浮驗(yàn)算的關(guān)鍵就是準(zhǔn)確計(jì)算地下室結(jié)構(gòu)所承受的水浮力。該問題可采用阿基米德定律來計(jì)算。該定律簡要表述如下:

式中:γw為水重度,取10kN/m3;Vw為浸入地下水部分的建筑物的體積,一般情況下按公式(2)計(jì)算,當(dāng)?shù)叵率彝庑屋^為復(fù)雜時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算各部分的體積。

式中:Aj為地下室底板面積;hw為抗浮水位高度。

3.3 地下室抗浮驗(yàn)算

建筑物地下室抗浮穩(wěn)定性應(yīng)按公式(3)進(jìn)行驗(yàn)算:

式中:Gk為建筑物自重及壓重之和;Nw,k為水浮力作用值;Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù),一般情況下取1.05。

在計(jì)算過程中,還應(yīng)注意以下幾個(gè)問題:

(1)在建筑物主體完工時(shí),施工單位通常會移除降水設(shè)施和設(shè)備,不再采取降水措施,Gk若此時(shí)地下水位達(dá)到高值,就會對主體造成影響。因此,考慮到此不利情況,在計(jì)算中對于值應(yīng)取結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件(梁、柱、墻、樓板等)自重,不應(yīng)包含裝修及后期使用過程中產(chǎn)生的重量。

(2)對于上部建筑重量不均勻的建筑物,如有裙樓的高層建筑或上部建有多棟高層和多層的大面積地下室的建筑,其地下室抗浮驗(yàn)算除對整體進(jìn)行驗(yàn)算外,還應(yīng)對抗浮力薄弱的局部區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)算,必要時(shí)可采用增加局部區(qū)域的結(jié)構(gòu)自重和設(shè)抗拔樁等方式來增大抗浮能力。

(3)對于地下室底板的計(jì)算,除了要滿足其使用功能的強(qiáng)度要求外,還應(yīng)滿足其在地下水浮力作用下的強(qiáng)度要求。在計(jì)算時(shí),可按“倒樓蓋法”進(jìn)行計(jì)算,將地下水浮力直接作用于底板上,此時(shí)應(yīng)不計(jì)入結(jié)構(gòu)自重和底板上的附加荷載,底板和地梁的計(jì)算結(jié)果不僅要滿足其在水浮力作用下的承載力要求,更要注意控制其撓度和裂縫,應(yīng)滿足規(guī)范的要求。對于地下室側(cè)墻的計(jì)算同樣要重視控制好裂縫寬度,盡量避免在后期使用過程中出現(xiàn)漏水的情況。

4 地下室抗浮技術(shù)措施

4.1 設(shè)計(jì)階段可采用的抗浮措施

4.1.1 降低抗浮設(shè)計(jì)水位

由計(jì)算公式可以看出,降低抗浮設(shè)計(jì)水頭高度可減小水浮力。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),在確保地下室使用凈高的前提下減小地下室的埋置深度可實(shí)現(xiàn)降低抗浮設(shè)計(jì)水位的要求。具體可采取如下措施:

(1)若基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)時(shí),盡量采用平板式筏型基礎(chǔ),該基礎(chǔ)形式較梁板式筏型基礎(chǔ)梁底標(biāo)高略有提高。水浮力可相應(yīng)減小。

(2)頂板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小梁高或采用無梁樓蓋。其中在采用無梁樓蓋時(shí),頂板厚度會有所增加,厚頂板不僅增加了結(jié)構(gòu)自重,使結(jié)構(gòu)抗浮力有所增加,而且在保證使用凈高的前提下,底板標(biāo)高可相應(yīng)抬高,有效降低了抗浮設(shè)計(jì)水位。

4.1.2 增加結(jié)構(gòu)自重

當(dāng)結(jié)構(gòu)整體不滿足抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算,但結(jié)構(gòu)自重與水浮力相差不大時(shí),可采用增加結(jié)構(gòu)自重的方式來滿足抗浮要求??刹扇〉拇胧┯校?/p>

(1)增加地下室結(jié)構(gòu)自重,如適當(dāng)增加頂板或底板的厚度。

(2)用較大容重材料對地下室地面進(jìn)行回填或適當(dāng)增加地下室頂板覆土厚度。

(3)在條件允許的情況下,可采用適當(dāng)增加層數(shù)等辦法來增加結(jié)構(gòu)的自重,以抵抗地下室水浮力的作用。

4.1.3 設(shè)置抗拔樁

當(dāng)?shù)叵滤惠^高,地下水浮力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)自重時(shí),就應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的抗浮構(gòu)件以抵抗水浮力的作用,抗拔樁就是其中一種形式,抗拔樁是通過樁與土之間摩擦力及樁身自重來抵抗浮力的,可均勻布置于筏板下,也可集中布置在柱及剪力墻下,同時(shí)也可將建筑物的樁基礎(chǔ)兼做抗拔樁,抗拔樁的抗拔力一般較大,也較容易受環(huán)境及施工條件等影響,造價(jià)較高。設(shè)置抗拔樁時(shí),應(yīng)注意驗(yàn)算樁身的裂縫寬度,其最大裂縫寬度不大于0.2mm。同時(shí)應(yīng)根據(jù)地下水的腐蝕性對樁身采取相應(yīng)的防腐措施。

設(shè)置抗拔樁時(shí)的抗浮計(jì)算按以下公式進(jìn)行計(jì)算:

式中:Gk為建筑物自重及壓重之和;Nw,k為水浮力作用值;n為抗拔樁的數(shù)量;Nk為樁抗拔力標(biāo)準(zhǔn)值;Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù),一般情況下取1.05。

抗拔樁按成樁方式的不同,主要分為現(xiàn)場灌注樁和預(yù)制樁。灌注樁除常規(guī)的等截面形式外,還包括擴(kuò)底灌注樁和后注漿灌注樁等。灌注樁作為抗拔樁時(shí),樁身要求通長配筋,鋼筋錨入承臺的長度一般要求大于40d。預(yù)制樁作為抗拔樁時(shí),應(yīng)盡量采用單節(jié)樁;若需要接樁,應(yīng)采取可靠的措施保證接頭的連接質(zhì)量,還應(yīng)注意樁頂與承臺的連接構(gòu)造處理。

4.1.4 設(shè)置抗浮錨桿

抗浮錨桿是依靠堅(jiān)硬土層或巖土體與錨桿之間的粘結(jié)力提供抗拔力??垢″^桿因施工周期短、施工方便、造價(jià)較低、受力合理、布置靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用,即可在設(shè)計(jì)、施工階段使用,也可用于因抗浮不足引起的工程事故中的加固處理。

抗浮錨桿可按以下公式進(jìn)行計(jì)算:

式中:Rt為錨桿抗拔承載力特征值;ξ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),對于永久性錨桿取0.8;f為砂漿與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;μr為錨桿周長;hr為錨桿錨入巖層中的長度,當(dāng)長度超過13d(d為錨桿直徑)時(shí),按13d進(jìn)行計(jì)算。

地下室底板抗浮錨桿的布置一般有點(diǎn)、線、面等3種形式:

(1)當(dāng)自重與浮力相差不大時(shí),可采用集中點(diǎn)狀布置。一般布置于柱和剪力墻下,可考慮結(jié)構(gòu)自重平衡一部分水浮力。底板應(yīng)按水浮力作用下進(jìn)行強(qiáng)度和配筋計(jì)算,一般底板配筋會較大。

(2)當(dāng)?shù)装宀捎昧喊褰Y(jié)構(gòu)體系且自重與浮力相差不大時(shí),可采用線狀布置。錨桿布置于地下室底板地梁下,該布置方式錨桿沿地梁較集中地布置,具有較強(qiáng)的抗拔力,同時(shí)降低了底板防水施工難度和底板滲水風(fēng)險(xiǎn)。該布置方式對于底板同樣應(yīng)按水浮力作用下進(jìn)行強(qiáng)度和配筋計(jì)算,底板配筋也會較大。

(3)當(dāng)自重與浮力相差較大時(shí),可考慮面狀均勻布置,即在地下室底板下均勻布置。由于上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件如柱、墻等與底板下均布的錨桿是點(diǎn)(線)與面的關(guān)系,非柱、墻范圍內(nèi)的錨桿不能充分利用上部荷載平衡水浮力,這就需要底板的剛度足夠大,同時(shí)還要通過倒置樓蓋的假定計(jì)算,才能使上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件與均布錨桿共同抗浮。該布置方式的優(yōu)點(diǎn)在于底板受力均衡,鋼筋用量小。缺點(diǎn)在于底板防水施工難度大。

綜上所述,工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用合適的布置方式,在達(dá)到抗浮要求的同時(shí),降低施工難度和工程造價(jià)。

4.2 施工階段可采用的抗浮措施

根據(jù)多個(gè)工程的實(shí)際案例調(diào)查,不少的抗浮事故原因是發(fā)生在施工階段對抗浮未引起重視或未采取有效的抗浮措施。例如:部分工程地下室覆土未完成或上部塔樓建設(shè)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求可停止降水的層數(shù)時(shí)即停止降水,極易引起上浮事故。特別應(yīng)注意的是暴雨時(shí)的地表水對基坑的倒灌,形成“盆池”效應(yīng),若不及時(shí)采取降水措施,易引起地下室結(jié)構(gòu)因抗浮不足而引發(fā)的工程事故。因此施工期間,主要通過設(shè)置降水井等措施把基坑內(nèi)的水位降至底板以下。地下室結(jié)構(gòu)施工完成后,基坑四周應(yīng)采用粘性土及時(shí)回填并分層夯實(shí),可形成止水層,可有效地防止施工階段地表水倒灌。待滿足停止降水的條件時(shí)方可停止降水。

5 結(jié)論

地下室的抗浮設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的問題,必須予以重視。地下室抗浮設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分結(jié)合場地特點(diǎn)和區(qū)域工程地質(zhì)、水文地質(zhì)以及周邊環(huán)境確定合理的抗浮設(shè)計(jì)水位,并通過認(rèn)真細(xì)致的計(jì)算,提出相應(yīng)的抗浮措施,在保證工程結(jié)構(gòu)安全的情況下,盡量做到科學(xué)經(jīng)濟(jì)、合理可行。同時(shí)施工階段應(yīng)采取有效的抗浮措施,防止施工期間發(fā)生上浮事故。

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