地下工程抗浮措施全析及優(yōu)選

1、 地下工程抗浮措施全析及優(yōu)選 052086 任敏 王成成 盧文雅引言：本小組成員利用課余時間對地下工程抗浮設(shè)計相關(guān)技術(shù)的學(xué)習(xí)了解，現(xiàn)對目前國內(nèi)通常采用的抗浮技術(shù)進行比較全面客觀的總結(jié)分析，然后結(jié)合一個工程實例重點對抗浮措施優(yōu)選問題提出我們的思考。關(guān)鍵詞： 抗浮設(shè)計 具體措施 優(yōu)選 施工 造價 概述：隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，大規(guī)模的高層建筑地下室、地下商場的建設(shè)，大規(guī)模的市政建設(shè)如地下停車庫、地鐵、地下變電站、污水處理工程等地下工程的建設(shè)日益繁多。在土地資源緊缺的情況下，向地下要空間必將成為商業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的重要出路。 但近幾年來，地下建筑物上浮造成的事故卻是應(yīng)該引起相關(guān)人士的足夠重視的。已有不少地下室

2、因地下水的作用而造成工程事故，如某醫(yī)院兩層獨立地下車庫，在施工過程中，出現(xiàn)整體上浮，最大上浮高度達142m ；又如，某體育中心游泳館，地下室上浮造成上部結(jié)構(gòu)梁、板、柱產(chǎn)生大量裂縫 再如，某高層建筑地下室底板局部隆起高達350mm，柱間板出現(xiàn)45º破壞性裂縫.諸如此類問題時有發(fā)生，造成了財產(chǎn)的損失。然國內(nèi)外學(xué)者對包括溫度、收縮、凍脹在內(nèi)的荷載和作用引起的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫和結(jié)構(gòu)損傷已進行較多研究。但其中涉及到地下水浮力引起的結(jié)構(gòu)損傷分析卻很少。導(dǎo)致抗浮問題存在的原因及其造成的損害： 土體的空隙及巖體的裂隙賦存有大量的地下 水，地下水對埋置于巖土體之中或之上的地下結(jié)構(gòu) 或

3、洼式結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生浮托力，若結(jié)構(gòu)的自重與側(cè)壁摩擦力之和小于浮托 力時將發(fā)生上拱或上浮失穩(wěn)破壞，影響結(jié)構(gòu)的正常 使用。上浮處理方法有抽水、解壓、加載及洗砂等方法配合運用，其中以洗砂作業(yè)程序最復(fù)雜，常在其它方法處理失效后才使用。處理后，上浮的結(jié)構(gòu)體很少能回沉至原高程，殘存的上浮量需借建筑收尾工程處理。由于結(jié)構(gòu)體無法回沉至原高程，并且有些結(jié)構(gòu)在上浮時受到損壞，基礎(chǔ)底板下的空隙需另施做填縫灌漿填補之。 地下室上浮的意外事件可能發(fā)生在各種地層中，包括透水性極低的軟件粘土層或極穩(wěn)定的卵石層中。低水位也不保證不會發(fā)生上浮，因地下水位可能因暴風(fēng)雨、地表逸流或施工不慎等因素突然升高，便不能保證正

4、常使用中的安全，必須采取有效的處理措施。 目前，在抗浮設(shè)計上，主要采用抗與放的方法。所謂抗，即是配重抗浮、錨固抗浮、抗拔樁；所謂放，即是降水抗浮和觀察井抗浮。具體采用什么方法，尚應(yīng)根據(jù)工程的具體情況而定，同時還要著重考慮對工程造價的影響。常用的幾種抗浮技術(shù)措施有： 配重抗浮：小型水池一般不需要配重抗浮，因其池壁相距較近, 再加上底板向外突出部分上部的土重和壁板與土的摩擦力(規(guī)范未計入以策安全)，抗浮安全系數(shù)很容易滿足規(guī)范要求。 錨固抗?。哄^固抗浮一般有兩種方法 a)錨桿：是一種埋人巖土體深處的受拉桿件，承受由土壓力、水壓力或其它荷載所產(chǎn)生的拉力。錨桿用于抵抗地下水浮力時，通常稱之為抗浮錨桿，其

5、錨固機理與抗浮樁相似，也是通過與錨側(cè)巖土層的摩阻力來提供抗拔力。b)抗拔樁: 抗拔樁利用樁側(cè)摩阻力和自身重度來抵抗浮力，樁型可采用灌注樁或預(yù)制樁，樁徑一般為400mm，也可采用方樁，樁距和樁長應(yīng)通過計算確定。 降水抗?。哼@是抗浮設(shè)計的另一條思路，即不硬抗，而采用放的方法。具體做法是在構(gòu)筑物底板下設(shè)反濾層，在構(gòu)筑物周圍設(shè)降水井，降水井和反濾層間用盲溝相連，當構(gòu)筑物因檢修設(shè)備而需要放空時，可在降水井內(nèi)抽水使地下水位降至底板下，從而保證構(gòu)筑物的穩(wěn)定。 觀察井抗?。汉徒邓垢∠嗨?，只是不設(shè)反濾層，利用地下水的漲落安排構(gòu)筑物放空檢修的時間。方法也很簡單，在構(gòu)筑物周圍設(shè)若干觀察井，井內(nèi)標示可放空檢修的臨界

6、水位線，如在一個時期內(nèi)地下水位低于臨界水位，則可放空檢修的臨界水位線。 以上各種措施優(yōu)缺點：1. 配重設(shè)計：砼自重大，增加施工難度，但事物均有兩面性，抗浮時自重越大越有利。配重抗浮一般有三種方法，一是在底板上部設(shè)低等級砼壓重；二是設(shè)較厚的鋼筋砼底板；三是在底板下部設(shè)低等級砼掛重。一、二種方法的優(yōu)點是簡單可靠，當構(gòu)筑物的自身重度與浮力相差不大時，應(yīng)盡量采用配重抗浮，對工程造價的影響小,投產(chǎn)后亦沒有管理成本。但構(gòu)筑物的自身重度與浮力相差較大時,本方法將會增加工程量使土建造價提高，原因是配重部分要扣除浮力，導(dǎo)致配重部分的厚度增大；較大的埋深也將增加挖方量和排水費用，同時也會增大基底壓力，引起較大的地

7、基變形。如采用底板上設(shè)低等級砼壓重的方法，將會使壁板的計算長度L加大，而壁板根部的彎矩值與L是平方關(guān)系,這樣會使壁板根部的彎矩值增長較快，彎矩值較大時，板厚和配筋也會相應(yīng)增大；如采用較厚的鋼筋砼底板的方法，其工程量與設(shè)低等級砼壓重相差不多，壁板的彎矩值雖小，但底板的鋼筋用量會有些許增加；如采用底板下設(shè)砼掛重的方法，壁板的彎矩值小，底板的鋼筋用量也不會增加，但底板和掛重部分砼須用鋼筋連接，施工比較麻煩，當?shù)叵滤畬︿摻詈晚啪哂星治g性時，設(shè)砼掛重的方法須謹慎。2.錨固抗浮：錨固抗浮一般有兩種方法：a) 錨桿：錨桿是在底板和其下土層之間的拉桿，當?shù)装逑掠袌杂餐翆忧疑疃炔淮髸r，設(shè)錨桿不失為一種即簡便又經(jīng)

8、濟的方法；近年來，在飽和軟粘土地基中，也有采用土錨技術(shù)的，也有采用短錨加擴大頭技術(shù)的。錨桿的直徑一般為150180mm。錨桿抗浮有三個問題需要注意，一是受力問題，當構(gòu)筑物內(nèi)無水時，錨桿處于受拉狀態(tài)，當構(gòu)筑物滿水時，錨桿又處于受壓狀態(tài)，錨桿的底端類似于樁端，錨桿在反復(fù)拉壓狀態(tài)下的工作性能有待進一步的實驗研究；二是施工問題，錨桿的施工需有專門的機械，施工前要進行試驗，同時，較細的錨桿在施工時有一定的難度，如何控制鋼筋偏移，如何使灌漿飽滿、如何避免斷桿等都是施工難題，尤其是錨桿較長時，不如配重抗浮來得簡便。三是適用性，當?shù)叵滤畬︿摻钣星治g性時, 細錨桿的耐久性問題不易解決,這將在一定程度上限制其適用

9、性。b)抗拔樁: 樁型可采用灌注樁或預(yù)制樁，樁距不宜過大，否則會增加底板厚度，樁端最好能伸入相對較硬的土層?？拱螛兑灿欣瓑菏芰栴}，但其施工較簡單，耐久性亦比錨桿容易得到保證。抗拔樁有預(yù)應(yīng)力抗拔樁和非預(yù)應(yīng)力抗拔樁。預(yù)應(yīng)力抗拔樁與沒有施加預(yù)應(yīng)力的抗拔樁（非預(yù)應(yīng)力抗拔樁）雖然同為抗拔樁但不僅僅是抗拔力大小的區(qū)別，實際上這兩種抗拔樁存在著本質(zhì)上的差別。預(yù)應(yīng)力抗拔樁除了能控制結(jié)構(gòu)物的上拔位移外與普通抗拔樁比較有多方面的特點見表1： 表1 預(yù)應(yīng)力抗拔樁與非預(yù)應(yīng)抗拔樁的比較預(yù)應(yīng)力抗拔樁非預(yù)應(yīng)抗拔樁使樁體處于三軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)樁體處于三軸拉伸應(yīng)力狀態(tài)控制基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物變形的能力強控制基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物的變形能力差樁體受力

10、路徑：側(cè)摩阻力從下至上逐漸發(fā)揮樁體受力路徑：側(cè)摩阻從上至下發(fā)揮解決了樁身混凝土的裂縫問題不能解決樁身混凝土產(chǎn)生裂縫的問題3. 降水抗浮：降水抗浮的關(guān)鍵問題是反濾層的設(shè)計，當土的顆粒較細時，應(yīng)采取可靠措施防止土粒隨地下水的漲落而進入反濾層，引起反濾層堵塞而失去作用。降水抗浮的優(yōu)點是工程造價低，因采取了抗浮措施，構(gòu)筑物的設(shè)計可按無地下水時考慮。當?shù)叵滤缓芨咔业鼗凛^軟時，采取降水抗浮措施可大大降低工程造價。但降水抗浮也有其缺點，第一是可靠性，雖然構(gòu)筑物在設(shè)計使用年限內(nèi)放空檢修的時間很短，但每年也有一二次，如反濾層被堵塞，則水位很難降至底板以下；第二，如果遇到非正常排空，將會發(fā)生構(gòu)筑物上浮事故。當

11、然，在排水工程中，可采取適當?shù)拇胧?，在非正常排空時使地下水自動進入構(gòu)筑物內(nèi)，提高構(gòu)筑物的可靠度。4. 觀察井抗?。簯?yīng)該講，在地下水位漲落差較大的地區(qū)采用本方法，是所有抗浮方法中土建工程造價最低的。其缺點是檢修時間不靈活，且有一定的管理成本，非正常排空亦有可能發(fā)生上浮事故。 抗浮措施優(yōu)選下面通過工程實例，針對具體情況分析抗浮措施如何優(yōu)選 山東省棗莊市臺兒莊區(qū)污水處理廠工程”中二沉池案例 本工程地質(zhì)土層情況為：層 粉質(zhì)粘土層fak=160Kpa 厚1.2m 層 粘土混姜石層fak=180Kpa 厚2m 層 粘土層 fak=200Kpa frb=28Kpa 厚度>10m 地下水抗浮設(shè)計水位為場

12、地設(shè)計地面下1.3m。 二沉池為內(nèi)徑42m圓形錐底水池，內(nèi)底面埋深3.44.5m，地上部分高1.6m。池體自重G1=27508KN；浮力F=39285KN其截面簡圖如右：分別采用壓重抗浮、打抗拔樁抗浮和打土層錨桿抗浮的方案進行計算比較。（1）壓重抗?。翰捎贸貎?nèi)壓重與池周外挑墻址上壓重結(jié)合的方式。將原錐形池底做成平底后在池內(nèi)填筑毛石混凝土形成錐底，另外底板外挑墻址上填土分層壓實。其截面簡圖如下：此法增加工程量如下：池壁增加鋼筋混凝土重G1=1096KN池內(nèi)填筑毛石混凝土重G2=25386KN池壁外挑墻址上土重G4=2436×0.8=1949KN總浮力變?yōu)镕=53048KN總抗浮力為G

13、=G1+G1+G2+G4=55939G/F=55939/53048=1.054>1.05滿足（2）打抗拔樁抗浮：采用D400預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，壁厚95mm，樁長10m。單樁抗拔力設(shè)計值N1=200KN共需樁數(shù)=(1.05F-G)/200=(39285×1.05-27508)÷200=69根經(jīng)布樁后取72根總抗浮力為G =G1+72N1=41908G/F=41908/39285=1.07>1.05滿足（3）打土層錨桿抗?。翰捎缅^桿長8m，直徑150，錨固體為M30水泥砂漿，桿體采用125螺紋鋼筋。錨桿抗拔力設(shè)計值N1=d frb /1.3=(28×

14、15;0.15×8)÷1.3=81KN共需錨桿數(shù)=(1.05F-G)/81 =(39285×1.05-27508)÷81=170根總抗浮力為G =G1+170N1=41278G/F=41278/39285=1.051>1.05滿足抗浮設(shè)計技術(shù)經(jīng)濟比較 抗浮方式壓重抗拔樁土層錨桿施工復(fù)雜程度常規(guī)施工技術(shù)，對工期影響不大。需增加打樁工種，打樁和試樁對工期有一定影響。施工時的技術(shù)控制對質(zhì)量起關(guān)鍵作用，需專業(yè)隊伍施工?？垢≡黾庸こ塘夸摻罨炷脸乇?4m3；毛石混凝土1015 m3；基坑挖方1100 m3。長10米D400預(yù)應(yīng)力混凝土管樁72根。ø

15、150，長8m砂漿土層錨桿170根。增加投資401282元136857元82855元 根據(jù)以上對比可見，本池由于平面尺寸及浮力較大，自重較輕，其自重與地下水浮力相差達30%，所以采用壓重抗浮的造價大大增加，明顯不經(jīng)濟。采用打抗拔樁或土層錨桿抗浮較為合適，其中尤以土層錨桿更為經(jīng)濟，但土層錨桿對施工的要求較高。本工程考慮到做土層錨桿抗浮在當?shù)厝狈?jīng)驗，所以未采用錨桿抗?。涣硗?，整個工程僅此池子下打樁對施工管理和工期有所影響。最后經(jīng)工藝調(diào)整后將水池整體抬高0.5米后采用壓重抗浮?？偨Y(jié)： 我們小組對目前國內(nèi)通常采用的抗浮技術(shù)進行了全面的闡釋分析，特別就其優(yōu)缺點提供了較為詳實的介紹。繼而，結(jié)合“山東省棗莊市臺兒莊區(qū)污水處理廠工程”中二沉池工程案例明確清晰地反應(yīng)出在面對一個工程實例時，我們該如何去優(yōu)選抗浮措施，如何在經(jīng)濟、施工以及抗浮措施之間尋求一個趨于完美的平衡。 抗浮設(shè)計的原理雖然簡單，但其方案的不同對結(jié)構(gòu)受力及工程造價會產(chǎn)生較大的差異。工程設(shè)計中，為了達到經(jīng)濟、可靠、易操作的目的，抗浮設(shè)計方案往往由幾種不同的措施組合而成。另外，進行抗浮設(shè)計時還必需綜合考慮工程所在地的具體情況，做到就地取材，因地制宜，盡量符合當?shù)氐氖┕ちα楷F(xiàn)狀和習(xí)慣做法，以便在確保質(zhì)量的前提下做到既經(jīng)濟又合理。 然而，在當前規(guī)范未對抗浮設(shè)計進行明