大型車庫的抗浮措施探討

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(宜興市建工建筑安裝有限責(zé)任公司，江蘇 宜興 214200)

引言

近年來，隨著高層建筑的日益增多，地下工程的建筑面積也越來越大。一般的高層住宅區(qū)均在若干幢相鄰的高層建筑物下面設(shè)計(jì)一貫通的大型車庫。這種地下車庫的埋深通常較大，有相當(dāng)一部分體積要位于地下水位以下，如果在施工和使用期間不采取抗浮措施，在水浮力作用下地下建筑物要向上位移而引起墻體和底板的開裂。因此，抗浮設(shè)計(jì)對于大型地下工程而言是相當(dāng)重要的。

1 大型地下工程的抗浮措施及比較

1.1 增加質(zhì)量法

當(dāng)?shù)叵陆ㄖ锏馁|(zhì)量小于地下水的浮力時(shí)會(huì)發(fā)生上浮，因此，增重法是最直接的抗浮措施。增重法包括頂板覆土增載、地下車庫底板增厚、室內(nèi)堆載以及邊墻加載等方法，這些方法的特點(diǎn)是施工簡單，目標(biāo)明確；缺點(diǎn)是所增大的質(zhì)量甚至?xí)辉黾勇裆钏鸬母×Φ窒?/p>

1.2 截排水法

水浮力是造成地下建筑物上浮的主要因素，因此，采用截排水措施可以有效地排除隱患。如在地下車庫的底板上開孔，使地下水及時(shí)排出以減小水浮力，或者在地下室周圍設(shè)計(jì)深層攪拌樁、高壓旋噴樁等形成截水帷幕，將地下建筑物范圍內(nèi)的地下水與外部的豐富水源切斷。這種方法的特點(diǎn)是費(fèi)用高、施工時(shí)間長。

1.3 抬高地下室底板法

抬高底板法分為將建筑物高度整體上移和降低地下室層高兩種方法，這兩種方法均是通過減少地下建筑物在水中的深度來達(dá)到降低水浮力的目的。但是，抬高地下室底板法會(huì)影響建筑物的設(shè)計(jì)功能或增加建筑物的總高，并不適用于所有的工程，因而不具有普遍意義。

1.4 抗浮錨桿或抗浮樁法

抗浮錨桿是抵抗建筑物向上位移的受拉桿件，適用于基巖或土性較好的地段，具有埋深淺、受力合理、造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)?？垢″^桿一般采用高壓注漿工藝使?jié){液滲透到巖土體的空隙及裂隙中，使錨桿側(cè)壁阻力增加。抗浮錨桿自由段的防腐蝕要求較高，且錨桿受力會(huì)產(chǎn)生較大的變形，不利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

抗浮樁是一種抗拔樁，樁體承受拉力，受力大小隨著地下水位的變化而變化?？垢兜男问綉?yīng)視不同的地質(zhì)條件區(qū)別對待，當(dāng)?shù)装逑聻橛倌噘|(zhì)黏土、黏性土?xí)r，可設(shè)計(jì)沉管灌注樁；當(dāng)?shù)装逑聻榉弁?、砂土或硬可塑類黏土或風(fēng)化基巖時(shí)，可采用人工挖孔擴(kuò)底樁。當(dāng)樁底為巖層時(shí)，擴(kuò)底樁能牢固地嵌固在巖石中獲得良好的抗浮效果。該方法由于樁與柱子相連，樁的間距較大，需要很厚的底板才能抵抗浮力產(chǎn)生的附加彎矩和剪力，因此費(fèi)用相對比較高。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

某工程位于蘇南某城市的城區(qū)，場地?cái)M建8幢高層建筑，周圍是多層商業(yè)用房，地下車庫貫通整個(gè)工程。工程總建筑面積約21萬m2，地下車庫面積為32 500 m2。地下室平面如圖1所示。擬建場區(qū)下伏的各巖土層以粉質(zhì)黏土和粉土為主，淺層部位普遍伏有較大厚度的淤泥質(zhì)黏土等軟弱土層，故該場區(qū)的地基穩(wěn)定性較差。

圖1 地下室平面圖

2.2 地下車庫的施工方案

該工程的地下車庫為大面積的深基坑?；又绷㈤_挖至地表以下4.5 m左右，坑壁為密排的混凝土攪拌樁止水帷幕。地下車庫凈高3.55 m，底板施工時(shí)，先鋪1層100 mm厚的碎石墊層，然后澆筑400 mm厚的C35鋼筋混凝土；頂板為250 mm厚的C35鋼筋混凝土，墻柱為C50的鋼筋混凝土。

2.3 地下車庫的抗浮措施

該工程地下車庫的底板基本位于淤泥質(zhì)黏土中，該層土的含水量較高，淤泥土的下部是滲透性較好的粉質(zhì)黏土。當(dāng)?shù)叵萝噹斓捻敯迨┕ね瓿珊螅麄€(gè)地下箱體部分受到浮力作用后會(huì)導(dǎo)致底板開裂。因此，該工程的抗浮問題主要發(fā)生在施工期間。上部建筑物完工后，將在建筑物之間的車庫頂板上覆蓋1.65 m厚的黏土種植樹木和花草。由于地下車庫以上的建筑物荷載較大，空余地帶又覆蓋一定厚度的黏土，因此，工程在使用期間一般不會(huì)出現(xiàn)大的問題。

通過對常用抗浮方法的對比分析以及現(xiàn)場多次論證后，決定采用排水法和底板抬高法作為該工程的主要抗浮設(shè)計(jì)方法。

地下室施工期間采取的抗浮措施是：

(1)在地下車庫外圍四周設(shè)置斷面為300 mm×250 mm的排水溝，在排水溝中每間隔30 m設(shè)置1個(gè)300 mm×300 mm×500 mm的集水井。

(2)在地下室的底板上縱橫向設(shè)計(jì)后澆帶，后澆帶的間隔為30 m，這樣底板以下的地下水可以通過后澆帶匯集到兩側(cè)的集水井中，再用潛水泵抽出。

施工過程中，地下室底板在水浮力作用下不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些微細(xì)裂縫，這些微裂縫是滲水的主要通道。在封堵后澆帶之前，施工單位把地下室的底板做成雙層結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，這樣地下水就能排到地下室外圍的排水溝中，使水浮力減小。

圖2 地下室底板示意圖

3 地下車庫施工期的抗浮驗(yàn)算

為了減輕水浮力及節(jié)約投資，建設(shè)單位在與設(shè)計(jì)、監(jiān)理單位協(xié)商后，把整幢建筑物提高了0.5 m。這樣，浸沒在地下水中的地下箱體也相應(yīng)提升了0.5 m，使得水浮力得以大幅度降低。以下是兩種方案在施工期間的抗浮對比。

3.1 抗浮設(shè)計(jì)水位的確定

根據(jù)地勘報(bào)告，該場區(qū)土層中，第1層耕填土含潛水，第5層粉土中含弱承壓水，其余各層均為微透水、弱透水或不透水層。場區(qū)穩(wěn)定水位在2.40～2.62 m(黃海高程)之間，隨季節(jié)動(dòng)態(tài)變化，夏高冬低，歷史最高洪水位達(dá)到3.40 m。在該工程施工期間，由于基坑的周圍設(shè)計(jì)了密排的混凝土攪拌樁作為止水帷幕，因此，地下水的主要來源是大氣降水，施工結(jié)束后，雨水通過周圍的回填土滲透到地下。綜合以上分析，假定該工程的抗浮水位設(shè)計(jì)值為3.0 m。

3.2 地下車庫的抗浮驗(yàn)算分析

3.2.1 地下車庫所受到的水浮力

該工程地下車庫所受到的水浮力按(1)式計(jì)算：

F=γwΔHA

(1)

式中：F——地下水浮力；γw——水的重度；ΔH——地下水位標(biāo)高與車庫基底標(biāo)高之差；A——地下室底板的面積。

3.2.2 地下車庫的抗浮驗(yàn)算

該工程地下車庫的抗浮按(2)式驗(yàn)算：

Qw=γGG-γwF

(2)

式中：Qw——抗浮荷載設(shè)計(jì)值；G——地下車庫自重及其他永久荷載的標(biāo)準(zhǔn)值之和；F——地下水浮力標(biāo)準(zhǔn)值；γG，γw——永久荷載及地下水浮力分項(xiàng)系數(shù)。

3.2.3 分析與討論

對于具有穩(wěn)定水位的透水性地層，地下水浮力可按理論靜水壓力進(jìn)行計(jì)算，但是地下水的補(bǔ)給和地層的滲透性不同，實(shí)際地下水壓力可能會(huì)低于靜水壓力值。因此，對于基底下的弱透水性地層來講，采用排水抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)滲流定律對水壓力值作適當(dāng)折減。但是，該工程的地下室外墻回填土是粉質(zhì)土，透水性高，補(bǔ)充了地下水，因此，水浮力采用靜水壓力計(jì)算還是比較合理的。

GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中未涉及地下水的荷載分項(xiàng)系數(shù)，只規(guī)定了永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時(shí)分項(xiàng)系數(shù)可取1.1。表1是國內(nèi)外其他規(guī)范關(guān)于水壓力與恒荷的分項(xiàng)系數(shù)的取值。

表1 水壓力與恒荷的分項(xiàng)系數(shù)

3.2.4 抗浮穩(wěn)定的安全系數(shù)

抗浮穩(wěn)定的安全系數(shù)按(3)式計(jì)算：

(3)

式中：K——抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；Q——地下車庫及永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值；F——地下車庫所受的水浮力標(biāo)準(zhǔn)值。

3.3 抗浮方案對比

3.3.1 方案1

當(dāng)?shù)叵萝噹斓幕讟?biāo)高為黃海高程-1.25 m時(shí)，地下車庫自重及其他永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

Q=148 009.20(t)

地下水浮力標(biāo)準(zhǔn)值為：

F=163 131.55(t)

抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為：

K=0.91

由上述計(jì)算得到的抗浮安全系數(shù)<1，表明該地下車庫有可能在浮力作用下發(fā)生破壞。

3.3.2 方案2

當(dāng)?shù)叵萝噹斓幕讟?biāo)高為黃海高程-0.75 m時(shí)，地下車庫自重及其他永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

G=148 009.20(t)

地下水浮力標(biāo)準(zhǔn)值為：

F=143 477.15(t)

抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為：

K=1.03

因此，把地下室底板抬高0.5 m后，提高了抗浮安全系數(shù)，表明方案2是可行的。

4 結(jié)語

地下建筑結(jié)構(gòu)的抗浮問題主要與地下建筑的水浮力有關(guān)。不同的抗浮方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、水浮力大小、后期運(yùn)行條件等選擇合理的方法。該工程地下室采用底板抬高的方法來減小水浮力對地下室的影響，同時(shí)在施工過程中利用后澆帶排除地下水，后澆帶密封后又用雙層地下結(jié)構(gòu)的方式排出多余的地下水。該方法簡便易行且經(jīng)濟(jì)、可靠，工程完工至今未出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。

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