地下結(jié)構(gòu)主動抗浮措施工作機制及工程應用

胡正東， 劉毓氚

(1. 深圳市市政工程總公司， 廣東 深圳 518034； 2. 福州大學土木工程學院， 福建 福州 350108)

地下結(jié)構(gòu)主動抗浮措施工作機制及工程應用

胡正東1， 劉毓氚2

(1. 深圳市市政工程總公司， 廣東 深圳 518034； 2. 福州大學土木工程學院， 福建 福州 350108)

為了研究高水位地區(qū)地下結(jié)構(gòu)抗浮問題，提出在地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板下方設(shè)置具有專利技術(shù)的S型排水DM(drainage mat)地下結(jié)構(gòu)主動抗浮措施，采用數(shù)值分析深入研究地下結(jié)構(gòu)主動抗浮工作機制，制定了地下結(jié)構(gòu)主動抗浮措施的設(shè)計原則和計算方法，并應用于廈門和昌中心地下結(jié)構(gòu)抗浮工程中。研究表明，地下結(jié)構(gòu)主動抗浮措施消減了基礎(chǔ)底板下方土體孔隙水壓力，達到地下結(jié)構(gòu)抗浮目標，節(jié)省了工期和造價，工程應用前景廣闊。

地下結(jié)構(gòu); 主動抗浮; 孔隙水壓力疏導調(diào)節(jié); S型排水

0 引言

由于城市用地日趨緊張，建設(shè)必然向空中和地下發(fā)展，大型地下空間開發(fā)逐步成為增強城市功能、改善城市環(huán)境的重要途徑，建筑地下室、城市地鐵、地下管廊、地下商場、地下交通、地下停車場和綜合交通樞紐等大型地下結(jié)構(gòu)埋深大，在南方高地下水位條件下，地下結(jié)構(gòu)基底受靜水壓力作用產(chǎn)生上浮力(hydrostatic uplift)，上浮力作用易抬升基礎(chǔ)底板，甚至導致基礎(chǔ)底板開裂、地下室滲水等工程災害[1]，地下結(jié)構(gòu)抗浮以及防滲問題突出[2]。

GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[3]規(guī)定，當建筑地下室或地下構(gòu)筑物存在上浮問題時，應進行抗浮驗算； 當不滿足抗浮穩(wěn)定要求時，必須采取合適的地下結(jié)構(gòu)抗浮措施。

傳統(tǒng)的地下結(jié)構(gòu)被動抗浮技術(shù)包括增加基礎(chǔ)荷重、設(shè)置抗拔樁或者抗浮錨桿[4]，這些被動抗浮措施往往工期長、造價高[5-8]，同時抗浮設(shè)防水位難以合理確定[9]，即便滿足抗浮要求，但由于基底靜水壓力仍然存在，一旦出現(xiàn)裂縫，地下室便容易滲水。

考慮到地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板上浮力是由于作用在基礎(chǔ)底板的孔隙水壓力而產(chǎn)生的，探索地下結(jié)構(gòu)有效治本的主動抗浮措施，必須從控制基底土體水壓力入手[10]?？刂苹淄馏w孔隙水壓力，可通過在地下結(jié)構(gòu)底板設(shè)置排水措施消減部分靜水壓力，或者設(shè)置阻斷地下水滲流的防滲墻得以實現(xiàn)[11]，這項技術(shù)已經(jīng)在美國[12]、香港[13]、新加坡[14]和臺灣[15]等地下結(jié)構(gòu)抗浮工程中成功應用，從未來技術(shù)經(jīng)濟發(fā)展趨勢上看，主動抗浮措施優(yōu)點多，應用前景廣闊，亟待開展相關(guān)技術(shù)研究[16]。

工程實踐表明，基底設(shè)置地下排水系統(tǒng)降低水位是防止水滲入地下室和降低地下室底板浮托力最有效的方法，但有一定的適用條件[17]。地下結(jié)構(gòu)底板下設(shè)置永久排水系統(tǒng)以消減底板揚壓力，盡管已得到工程應用，但目前仍然處于概念性設(shè)計和經(jīng)驗累積階段，工作機制、計算方法、適用條件以及排水系統(tǒng)長期穩(wěn)定等有待深入研究[18-19]。

本文提出以S型排水管材為基礎(chǔ)的地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)，該系統(tǒng)由設(shè)置于地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板下方具有專利技術(shù)的S型排水管材的DM(drainage mat)孔隙水壓力疏導系統(tǒng)、孔隙水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和智能監(jiān)控系統(tǒng)組成，已成功應用于廈門和昌中心地下結(jié)構(gòu)抗浮工程中，應用效果良好，孔隙水壓力疏導系統(tǒng)見圖1，S型排水板材料參數(shù)見表1。本文采用數(shù)值分析研究手段，深入研究地下結(jié)構(gòu)主動抗浮新技術(shù)工作機制，拓寬其適用范圍，提出地下結(jié)構(gòu)主動抗浮新技術(shù)的設(shè)計計算方法，并開展實際工程應用研究，推動新技術(shù)工程應用。

(a) 新型排水系統(tǒng)

(b) 新型排水材料的地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)

檢測項目指標最大拉力縱向≥800N/25mm斷裂伸長率≥15%最大壓縮強度≥2．0kN/100cm2

1 地下結(jié)構(gòu)主動抗浮措施工作機制研究

1.1 模型建立

采用有限元法分析地下結(jié)構(gòu)基底主動抗浮系統(tǒng)工作機制時，首先必須建立基本模型，根據(jù)研究選擇需要的有限元模塊，根據(jù)有限元法分析地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)機制，在有限元分析中選擇使用SEEP/W和SIGMA/W模塊。由SEEP/W模塊分析滲流情況，分析孔隙水壓力，將SEEP/W模塊分析中得到的結(jié)果應用于SIGMA/W模塊分析中，分析土體變形，研究設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)對周邊環(huán)境的影響。

1.2 典型土層分布案例分析

以典型土層分布為研究對象，采用有限元法深入研究高水位條件下，設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)基底土體滲流分布規(guī)律以及對周邊環(huán)境的影響，通過比較分析得出地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)的適用性及其影響因素。

設(shè)置地面標高為0，地下室底板標高-10 m，水位標高-1.0 m，地下室底板寬16 m。地下室底板下設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)，土層分布及基坑剖面見圖2，土層參數(shù)見表2。

圖2 典型土層剖面圖(單位： m)

土層厚度/m重度/(kN/m3)有效彈性模量/MPa滲透系數(shù)/(m/s)黏土2018．515．95×10-7

由流網(wǎng)分析在地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)的單寬滲流量計算結(jié)果(見圖3)，單寬滲流量為3.59×10-6m3/(s·m)(0.31 m3/(d·m))。進一步分析有無設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)時基底孔隙水壓力變化情況(見圖4)，圖4(a)為未設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)時基底孔隙水壓力分布情況，圖4(b)為設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)時基底孔隙水壓力分布情況。由圖4可以看出，未設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)時基底孔隙水壓力達到88.26 kPa； 而設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)因為及時排出地下水，基底孔隙水壓力為0。基底孔隙水壓力的消散可以有效防止結(jié)構(gòu)上浮，增加地下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。

圖3 滲流分析結(jié)果(單位： m3/s)

(a)未設(shè)置系統(tǒng)

(b)設(shè)置系統(tǒng)

典型土層案例分析結(jié)果表明，在黏土層中使用地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)，不僅可以有效降低基底孔隙水壓力，防止地下結(jié)構(gòu)上浮，而且其基底單寬滲流量都在建筑結(jié)構(gòu)的適用條件范圍內(nèi)。地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)特別適用于地下結(jié)構(gòu)埋深范圍內(nèi)沒有軟弱土層，基底土體屬于滲透系數(shù)小的硬土層，利用地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)中的DM孔隙水壓力疏導系統(tǒng)能及時排出地下水，消散基底孔隙水壓力，并且對周邊環(huán)境影響小，有效保證地下結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性。

2 地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)設(shè)計

地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)設(shè)計工作機制研究表明，地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)是經(jīng)濟可靠的主動抗浮措施，為實現(xiàn)自適應動態(tài)調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)設(shè)計原則如下。

1)主動疏導排水，將地下結(jié)構(gòu)基底下多余地下水通過設(shè)置于地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板下方的DM孔隙水壓力疏導系統(tǒng)在有壓條件下主動排除，需疏導水量小，不同于被動降水，對周邊建筑物影響小。

2)通過基底孔隙水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)部分消散基底孔隙水壓力，降低浮力作用，滿足地下結(jié)構(gòu)抗浮要求，不必完全消除孔隙水壓力，實現(xiàn)經(jīng)濟性要求。

3)該系統(tǒng)隨地下水位變動自適應動態(tài)調(diào)節(jié)，可主動消散動荷載作用下可能形成的超孔隙水壓力，使基底孔隙水壓力始終控制在基底目標孔隙水壓力附近，提高靜動荷載作用下主動抗浮措施的可靠性，適應地下水位動態(tài)變化。

根據(jù)設(shè)計原則可知，地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)設(shè)計包括： 工程概況，工程場地工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，抗浮設(shè)防水位確定，滲流計算分析確定需排除水量，基底排水系統(tǒng)布設(shè)，實時監(jiān)控和應急系統(tǒng)設(shè)計等。

3 工程應用案例

3.1 工程概況

廈門和昌中心工程位于廈門島東部前埔，環(huán)島干線東北側(cè)，洪前路東南側(cè)，擬建建筑物地下室基坑開挖深度為2.84～16.95 m。

根據(jù)勘察報告可知，基坑開挖深度范圍內(nèi)的主要含水層為雜填土①1、素填土①2和殘積砂質(zhì)黏性土③，全風化花崗巖④、強風化花崗巖⑤1、強風化花崗巖⑤2和中風化花崗巖⑥的透水性、富水性較差，均屬弱透水層。相關(guān)土層物理力學參數(shù)見表3。

地下室底板普遍低于地下水穩(wěn)定水位，因此在地下室設(shè)計與施工時，需考慮地下水的防水和浮托作用，進行抗浮穩(wěn)定性驗算，并采取相應的防水和抗浮措施，以確保地下室的安全使用。根據(jù)廈門有關(guān)規(guī)定和經(jīng)驗，結(jié)合勘察實測的場地地下水穩(wěn)定水位，并考慮到地下水位年變幅在整平至設(shè)計地坪標高的情況下，本工程地下室防水和抗浮設(shè)防水位標高建議按擬建場地周邊道路設(shè)計標高以下1.0 m考慮。

3.2 設(shè)計計算分析

假設(shè)不透水層位于基底以下20.00 m處，根據(jù)場地水文地質(zhì)條件，用SEEP/W數(shù)值模擬計算，概化土層剖面見圖5，相關(guān)土層參數(shù)見表3。

圖5 概化土層剖面(單位： m)

3.2.1 滲流分析

由流網(wǎng)分析在地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)的單寬滲流量見圖6。由數(shù)值模擬滲流分析可知，在A-A斷面(標高為-5.10 m)基底的滲流為3.31×10-5m3/(s·m) (2.91 m3/(d·m))，B-B斷面(標高為-4.40 m)基底的滲流為1.39×10-5m3/(s·m) (1.21 m3/(d·m))。進一步分析有無設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)時基底處孔隙水壓力變化情況(見圖7)，圖7(a)為設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)時基底孔隙水壓力分布情況，圖7(b)為未設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)時基底孔隙水壓力分布情況。由圖7可以看出，未設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)時基底孔隙水壓力達到202～113 kPa； 而設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)因為及時排出地下水，基底孔隙水壓力為小于10 kPa。基底孔隙水壓力的消散可以有效防止結(jié)構(gòu)上浮，增加地下結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)。

表3 地基土主要物理力學指標統(tǒng)計表

圖6 工程實例滲流分析結(jié)果(單位： m3/s)

(a) 設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)

(b) 未設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)

3.2.2 變形分析

根據(jù)有限元變形分析結(jié)果可知，沉降分析對象取基坑兩邊地面(見圖8)。在右側(cè)地面，離坑壁6 m處達到的最大沉降6.54 cm，當與基坑距離超過40 m時，沉降小于2 cm; 在左側(cè)地面，離坑壁10 m處達到最大沉降12.03 cm，當與基坑距離超過40 m時，沉降小于6 cm。對于地面X方向的變形，右側(cè)地面最大變形為2 cm，左側(cè)地面最大變形為6 cm。

(a) 右側(cè)地面沉降

(b) 左側(cè)地面沉降

計算分析結(jié)果表明，使用地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)不僅可以有效降低基底孔隙水壓力，防止地下結(jié)構(gòu)上浮，而且其基底單寬滲流量和地面變形量都在建筑結(jié)構(gòu)的適用條件范圍內(nèi)。

3.3 設(shè)計施工方案簡介

地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)由誘導排水板、主排水板和土工膜覆蓋組成，排水系統(tǒng)外接集水涵洞，通過集水井與市政管網(wǎng)連接。系統(tǒng)剖面見圖9，平面布置見圖10。在底板下臥土層布設(shè)孔隙水壓力傳感器，并在排水系統(tǒng)末端設(shè)置流量計，以監(jiān)測系統(tǒng)運營情況，共布設(shè)50個孔隙水壓力傳感器和10個流量計，并且布設(shè)50個應急減壓管，作為應急應對措施。

施工順序如下： 鋪設(shè)砂石墊層、誘導排水系統(tǒng)施工、主排水系統(tǒng)施工、主排水系統(tǒng)與集水井連接、監(jiān)測與應急系統(tǒng)和頂面土工膜施工等。施工情況見圖11。

圖9 地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)剖面圖(單位： m)

圖10 地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)平面布置圖

Fig. 10 Plan of layout of active anti-uplifting system of underground structure

圖11 地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)施工圖

Fig. 11 Construction site of active anti-uplifting system of underground structure

3.4 工程實施效果初評

廈門和昌中心工程地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)于2014年5月鋪設(shè)完成，鋪設(shè)完成后，局部排水板開始排水(見圖12)。地下室施工到正負零高程后，回填土，地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)開始運行，確保施工期間地下室不至于在高水位作用下上浮，監(jiān)測到的典型地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)下土體孔隙水壓力分布見圖13。由圖13可以看出，地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)開始運行后，基地土體孔隙水壓力迅速降低至目標孔隙水壓力附近，地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)發(fā)揮了抗浮作用。

圖12 地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)排水

Fig. 12 Drainage of active anti-uplifting system of underground structure

圖13 典型的基底土孔隙水壓力變化

Fig. 13 Typical variation of pore water pressure of soil under basement slab

4 結(jié)論與建議

地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)主要由設(shè)置于地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板下方具有專利技術(shù)的S型排水管材的DM(drainage mat)孔隙水壓力疏導系統(tǒng)、孔隙水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和智能監(jiān)控系統(tǒng)組成。本文采用數(shù)值分析深入研究地下結(jié)構(gòu)主動抗浮工作機制，制定了地下結(jié)構(gòu)主動抗浮措施的設(shè)計原則，并應用于廈門和昌中心基礎(chǔ)抗浮中，主要結(jié)論如下。

1)數(shù)值計算分析表明，地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)特別適用于地下結(jié)構(gòu)埋深范圍內(nèi)沒有軟弱土層，基底土體屬于滲透系數(shù)小的硬土層，利用地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)中的DM孔隙水壓力疏導系統(tǒng)能及時排出地下水，消散基底孔隙水壓力，并且對周邊環(huán)境影響小，有效保證地下結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性。

2)在工作機制研究基礎(chǔ)上，本文提出地下結(jié)構(gòu)主動抗浮系統(tǒng)設(shè)計原則和計算方法，包括抗浮設(shè)防水位、基底目標孔隙水壓力和需排除水量確定，以及基底孔隙水壓力疏導系統(tǒng)和孔隙水壓力調(diào)節(jié)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。

3)實際工程應用表明，地下結(jié)構(gòu)主動抗浮措施消減了基礎(chǔ)底板下方土體孔隙水壓力，達到地下結(jié)構(gòu)抗浮目標，節(jié)省了工期和造價，工程應用前景廣闊。

4)建議后續(xù)研究工作如下： 首先，建立以滲流理論為基礎(chǔ)，能考慮各種復雜邊界條件的單寬滲流量計算公式；其次，研究DM孔隙水壓力疏導系統(tǒng)在不同上覆壓力以及不同基底土體條件下的滲透試驗，為排水材料以及防淤堵土工織物選擇提供依據(jù); 最后，深入研究DM孔隙水壓力疏導系統(tǒng)的長期性能，積累科學數(shù)據(jù)，為推動工程應用奠定堅實基礎(chǔ)。

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Working Mechanism and Engineering Application of Active Anti-uplifting Technologies for Underground Structures

HU Zhengdong1, LIU Yuchuan2

(1.ShenzhenMunicipalEngineeringCorp.,Shenzhen518034,Guangdong,China; 2.CollegeofCivilEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350108,Fujian,China)

The anti-uplifting of underground structures in high groundwater level area is very important; as a result, S-typed drainage mat set under basement slab of underground structure is proposed. The working mechanism of active anti-uplifting technology for underground structures is numerically simulated and analyzed. The design principle and calculation method for active anti-uplifting technology for underground structures is established and applied to foundation of Hechang Center in Xiamen. The study results show that the pore water pressure of soil under basement slab of the foundation of underground structure has been reduced; the construction cost has been reduced and the construction schedule has been shortened by adopting active anti-uplifting technology.

underground structures; active anti-uplifting; hydrostatic uplifting pressure relief system; S-typed drainage mat

2016-03-03;

2016-05-06

胡正東(1970—)，男，湖北監(jiān)利人，1995 年畢業(yè)于武漢水利電力大學，巖土工程專業(yè)，碩士，高級工程師，目前主要從事隧道與地下工程施工與管理工作。E-mail： 524262969@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.011

U 45

A

1672-741X(2017)01-0068-07