地下工程的抗浮設(shè)計(jì)和加固措施的探討

摘 要：本文針對(duì)在我國(guó)一些地下水位較高的地區(qū)，地下水浮力引起的地下工程結(jié)構(gòu)的破壞越來(lái)越多的問(wèn)題，總結(jié)了地下工程水浮力計(jì)算方法和抗浮設(shè)計(jì)水位，在工程中常用的抗浮設(shè)計(jì)措施，及在地下工程結(jié)構(gòu)受地下水作用上浮時(shí)常用的控制措施和加固方法。

關(guān)鍵詞：地下工程 抗浮設(shè)計(jì) 加固

中圖分類號(hào)：TU7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（a）-0163-01

目前在我國(guó)現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范當(dāng)中，對(duì)于有關(guān)浮力問(wèn)題只有定性的描述，而沒(méi)有詳細(xì)的規(guī)定，本文主要對(duì)地下工程的抗浮設(shè)計(jì)和加固措施進(jìn)行一些探討。

1 地下工程抗浮設(shè)計(jì)

地下工程抗浮設(shè)計(jì)可以使用如下公式進(jìn)行表示：≥。

式中，為結(jié)構(gòu)抗浮力；為結(jié)構(gòu)的自重；為結(jié)構(gòu)的抗浮安全系數(shù)，一般取1.05～1.10；為結(jié)構(gòu)的靜水浮力。

地下工程的抗浮設(shè)計(jì)一般要首先進(jìn)行水浮力的計(jì)算，選擇合理的抗浮設(shè)計(jì)水位，然后確定地下工程結(jié)構(gòu)是否滿足抗浮要求，對(duì)不滿足抗浮要求的結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗浮設(shè)計(jì)。

1.1 水浮力計(jì)算和抗浮設(shè)計(jì)水位

對(duì)地下工程而言，水浮力的計(jì)算時(shí)進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)的前提，首先要確定工程的抗浮設(shè)防水位，它不是工程所處地理位置的歷年最高水位，也不是目前水位，而是綜合考慮根據(jù)工程的重要性和工程建成之后地下水位的變化而確定的抗浮設(shè)計(jì)的設(shè)防水位。

地下工程所承受的水浮力是作用在工程基礎(chǔ)底板上的底板面積和靜水壓強(qiáng)的乘積，如下式表示：×

式中，為地下工程所承受的水浮力，為作用在基礎(chǔ)底板上的靜水壓強(qiáng)；為基礎(chǔ)底板的面積。

一般來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)底板的靜水壓強(qiáng)按照下式計(jì)算：×

式中，為水的重度；為抗浮設(shè)計(jì)水位，一般在設(shè)計(jì)過(guò)程中?。?；為地下工程抗浮設(shè)防水位標(biāo)高；為基礎(chǔ)底板標(biāo)高。

從上可以看出，地下工程抗浮設(shè)防水位的高低直接決定了水浮力的大小，決定在下面抗浮設(shè)計(jì)中抗拔樁的數(shù)量和基礎(chǔ)底板的配筋和厚度。

在實(shí)際的工程當(dāng)中，地下水的作用十分復(fù)雜，在不同地基環(huán)境當(dāng)中的水浮力是在不斷變化的。當(dāng)工程位于粉土、沙土、碎石土等地基上時(shí)，計(jì)算得出的地下水浮力可以不進(jìn)行折減，當(dāng)工程底板和巖石地基緊密結(jié)合的時(shí)候，可以不考慮水浮力的作用。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇合理的設(shè)防水位。

1.2 抗浮設(shè)計(jì)

對(duì)地下工程而言，在確定了結(jié)構(gòu)的尺寸、形式和埋深之后，就要根據(jù)設(shè)防水位，計(jì)算地下工程的自重和凈水的浮力，判斷在結(jié)構(gòu)的施工和使用過(guò)程中是否需要進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)，采取抗浮措施。根據(jù)施工階段、竣工后工程使用情況的不同，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行不同的抗浮設(shè)計(jì)，采取不同的抗浮措施。

1.2.1 施工階段抗浮設(shè)計(jì)措施

地下工程在施工期間，一般頂板的覆土都沒(méi)有完成，但是底板和外墻都已經(jīng)完成，地下水的作用下會(huì)形成一定的浮力。在水浮力較小時(shí)，可以利用集水井、排水明溝等排出基坑內(nèi)的水，減小結(jié)構(gòu)承受的水浮力。在水浮力較大時(shí)，應(yīng)當(dāng)在地下工程的底板中設(shè)計(jì)后澆帶，將底板下的塊石墊層當(dāng)做倒濾層，在后澆帶里面插入輕型井點(diǎn)立管進(jìn)行降水。在后澆帶的澆筑過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)在井點(diǎn)的立管上焊置環(huán)形止水環(huán)，繼續(xù)降水，直到地下工程地下部分頂板及頂板覆土完成，再去掉井點(diǎn)立管。如果設(shè)置后澆帶比較困難，也可以使用深井點(diǎn)降水的方法，原理和輕型井點(diǎn)立管降水相同。

1.2.2 永久性抗浮設(shè)計(jì)措施

目前，地下工程的永久性抗浮設(shè)計(jì)措施主要有：增加自重、錨桿設(shè)計(jì)和抗浮樁設(shè)計(jì)等。

增加自重是最傳統(tǒng)和可靠的方法，包括頂板壓載、邊墻壓載和基板壓載等，增加自重就是要保證結(jié)構(gòu)本身的重力大于地下水的浮力，使得結(jié)構(gòu)不上浮。

錨桿設(shè)計(jì)就是通過(guò)設(shè)計(jì)抗浮錨桿，利用錨桿的抗浮力抵抗水浮力。即當(dāng)?shù)叵鹿こ探ㄔ诜圪|(zhì)粘土、風(fēng)化基巖等適宜鉆孔灌漿的土層上時(shí)，可以利用這些土層，使用錨桿抗浮?？垢″^桿易于施工、布置靈活，主要形式有：預(yù)應(yīng)力錨桿和非預(yù)應(yīng)力錨桿兩種。但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)抗浮錨桿的設(shè)計(jì)沒(méi)有明確的規(guī)范，限制了抗浮錨桿的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

抗浮樁設(shè)計(jì)指通過(guò)設(shè)計(jì)抗浮樁，利用樁體的自重和樁的側(cè)摩擦阻力來(lái)抵抗水浮力。目前在我國(guó)的抗浮樁設(shè)計(jì)過(guò)程中主要采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法，即利用樁的側(cè)阻力值導(dǎo)入抗拔系數(shù)后作為抗浮樁的側(cè)阻力值，抗拔系數(shù)一般取0.5～0.8?？垢栋凑蛰S心受拉構(gòu)件進(jìn)行承載力計(jì)算，樁的配筋要求滿足最小配筋率的要求。

2 地下工程抗浮加固措施

2.1 控制結(jié)構(gòu)上浮的措施

地下結(jié)構(gòu)發(fā)生上浮事故之后，常用的處置方法有加載、洗砂和排水。

加載就是通過(guò)增加結(jié)構(gòu)的自重來(lái)抵消水的浮力，最終使得結(jié)構(gòu)回歸原位。一般將重物放在上浮量大的地方，但是要注意樓板的極限承載能力。值得注意的是受到淤積在底板和基地間泥沙的影響，加載并不一定能夠達(dá)到所需的效果。

排水就是通過(guò)水泵將結(jié)構(gòu)所在位置的地下水排出，以降低水壓力使地下結(jié)構(gòu)回歸原位。在地下水頭較高且排水量小的地方，要在底板下增加倒濾層，既可以使地下水在水頭作用下能夠正常流出，還能夠保護(hù)回填土中的細(xì)顆粒不會(huì)被沖走流失。

洗砂的方法有兩種：一種是利用高壓水槍擾動(dòng)地下結(jié)構(gòu)側(cè)墻邊上的土壤，降低它的摩擦力，這種方法容易造成底板下淤泥沉積，不利于后續(xù)作業(yè)；另一種方法是用高壓水槍沖洗基礎(chǔ)底板下的泥沙，使結(jié)構(gòu)順利下沉?？傊瓷白鳂I(yè)之前要事先評(píng)估底板下泥沙淤積的范圍，耐心觀察，持續(xù)作業(yè)直至結(jié)構(gòu)穩(wěn)定而緩慢的下沉。

2.2 抗浮加固

當(dāng)控制住結(jié)構(gòu)物的上浮之后，就要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗浮加固，考慮到基礎(chǔ)底板上鋼筋布置較密，補(bǔ)樁的孔不宜太大，否則會(huì)有較多的底板鋼筋被截?cái)?，而使用鋼錨桿在底板上鉆孔的直徑比較小，能夠大大的減少底板鋼筋被截?cái)?，是工程中首選的加固方法。

抗浮錨桿加固設(shè)計(jì)計(jì)算按照《巖土錨桿技術(shù)規(guī)程》對(duì)錨桿進(jìn)行計(jì)算。

首先確定錨桿的拉力設(shè)計(jì)值，采用鋼絞線（7股）時(shí)，取為100 kN。

然后按照下式確定鋼索截面積和直徑：≥；

式中，為鋼索截面積；為鋼索直徑；為抗拉安全系數(shù)；錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值；為鋼絞線軸向拉力設(shè)計(jì)值。

最后確定錨桿的錨固長(zhǎng)度，下面兩式中的較大值：

；

式中，為錨桿抗拔安全系數(shù)，錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值，為錨桿錨固段長(zhǎng)度，為錨固段注漿體和地層之間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，為錨桿錨固段的鉆孔直徑，為鋼絞線的數(shù)量，為鋼索直徑，為界面強(qiáng)度降低系數(shù)，為錨固長(zhǎng)度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著建筑結(jié)構(gòu)向地下的發(fā)展，地下工程抗浮設(shè)計(jì)和加固將會(huì)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。地下工程的抗浮設(shè)計(jì)和加固應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、地質(zhì)條件和環(huán)境、施工因素等等，綜合考慮選擇抗浮和加固措施。在設(shè)計(jì)和施工當(dāng)中，選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，重視結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施，才能使工程安全可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]賈金青.軟巖地區(qū)抗浮錨桿的試驗(yàn)與施工[J].施工技術(shù)，2003（1）.

[2]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).《土層錨桿設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》CECS22：90[S].

[3]袁正如.地下工程的抗浮設(shè)計(jì)[J].地下空間，2004，24（1）：41-43

[4]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50002-2002[S].