砂巖地基上地下結(jié)構(gòu)浮力特性研究

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(1.蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室，蘭州 730000； 2.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000; 3.青島勘察測繪研究院，山東 青島 266011

1 研究背景

目前，隨著工程建設(shè)的發(fā)展，城市用地減少，人地矛盾突出，城市建筑開始向地下空間發(fā)展[1-3]，大埋深地下室、地下車庫涌現(xiàn)。地下結(jié)構(gòu)的底板往往低于地下水位，結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮抗浮性能?？垢≡O(shè)計多利用阿基米德定律計算結(jié)構(gòu)浮力，亦即采用靜水壓力[4-5]。此基底浮力計算方法存在較大爭議，部分學(xué)者認為建筑物浮托力由孔隙水壓力引起，并不等于靜水壓力[6]，且伴隨著滲流過程發(fā)生，與地基土的滲透系數(shù)、滲流條件、滲透壓及滲透時間密切相關(guān)[7]，實際浮力應(yīng)根據(jù)土-水-基礎(chǔ)系統(tǒng)的相互作用對靜水條件下的全水頭壓力進行折減；相反，也有學(xué)者認為不論地基滲透性如何，在高滲透壓、長時間作用下，基底的浮力最終都會接近全水頭壓力，不宜折減[8-9]。

針對地下結(jié)構(gòu)的抗浮問題爭議，早期工程師們的經(jīng)驗結(jié)論與研究者的試驗成果相互結(jié)合，形成了規(guī)范的條文規(guī)定?！稁r土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2017)[10]規(guī)定：對基礎(chǔ)、地下結(jié)構(gòu)物和擋土墻，應(yīng)考慮在最不利組合情況下地下水對結(jié)構(gòu)物的上浮作用，原則上按設(shè)計水位計算浮力，對節(jié)理不發(fā)育的巖石和黏土且有地方經(jīng)驗或?qū)崪y數(shù)據(jù)時，可根據(jù)經(jīng)驗確定；《巖土工程手冊》[11]規(guī)定：當(dāng)建筑物位于粉土、砂土、碎石土和節(jié)理裂隙發(fā)育的巖石地基時，按設(shè)計水位100%計算浮托力。當(dāng)建筑物位于節(jié)理裂隙不發(fā)育的巖石地基時，按設(shè)計水位50%計算浮托力。當(dāng)建筑物位于黏性土地基時，其浮托力較難確定，應(yīng)結(jié)合地區(qū)的實際經(jīng)驗考慮； 《給水排水工程構(gòu)筑物設(shè)計規(guī)范》(GB 50069—2016)[12]規(guī)定：地表水或地下水對結(jié)構(gòu)作用的浮托力，其標準值應(yīng)按最高水位確定，并應(yīng)按qw=γwhwηfw計算，其中ηfw為浮托力折減系數(shù)?？梢钥闯觯?guī)范對浮托力的計算規(guī)定不一，實際中很難去界定所屬類型。鑒于此，后來許多學(xué)者進行了更加詳細的研究，宋林輝等[13]模擬了黏土層上的深基礎(chǔ)，將實測中的浮力與阿基米德定律計算的理論浮力進行了對比，得到了水壓力折減系數(shù)為0.65左右；孫廣利等[14]結(jié)合工程實際，利用孔隙水壓力計對粉質(zhì)黏土地基進行了觀測，得到折減系數(shù)為0.85。宋林輝等[8-9]以黏土為地基，進行了模型試驗，測試結(jié)果顯示，黏土地基水壓可以折減，折減原因有2點：一是水頭損失；二是土顆粒與基底有接觸，減少了水與基底的接觸面積。張第軒等[15-16]通過室內(nèi)模型試驗，指出砂土和黏土地基均不可折減。以上成果從不同領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計角度出發(fā)，依地基土類型、結(jié)構(gòu)進行分類，結(jié)論對地庫抗浮設(shè)計意義非凡，但是也存在著諸多問題。例如規(guī)范界定模糊，不易操作，而且不同規(guī)范對同一內(nèi)容的規(guī)定有所差異；研究主要集中在砂土、黏性土地基上，對黏性土地基的水壓折減觀點不一，出現(xiàn)不折減或多種折減系數(shù)的結(jié)論；對同一地基沒有考慮地下水的滲流條件影響，這也是分析認為以往研究中黏性土地基出現(xiàn)多種結(jié)論的主要原因。

本文針對目前深基坑地下結(jié)構(gòu)廣泛觸及的砂巖地基，通過設(shè)計室內(nèi)模型試驗研究滲流條件、滲透壓、滲流時間對地下結(jié)構(gòu)浮力特性的影響，同時依托蘭州某砂巖地基地下車庫工程，進行現(xiàn)場基底孔隙水壓力監(jiān)測試驗，驗證模型試驗結(jié)果，以期得到一些有用的結(jié)論，為此類工程抗浮設(shè)計提供依據(jù)。

2 模型試驗

2.1 試驗原理

靜水中任一點處于球應(yīng)力狀態(tài)，浮力按阿基米德定律計算，即

F浮1=ρgΔV1=ρgAΔh1。

(1)

式中：ρ為液體密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2)；A為水壓作用面積(m2)；ΔV1為排開液體的體積(m3)；Δh1為靜水頭高度差(m)。

位于地基上的地庫底板，其浮力由地下水經(jīng)滲流后的孔隙水壓力引起，水頭差有所損失，實際基底浮力為

F浮2=ρgΔV2=ρgAΔh2。

(2)

式中：ΔV2為等效排開液體的體積(m3);Δh2為實際浮力作用等效水頭(m)。定義抗浮折減系數(shù)為

(3)

試驗測定模型所受浮力并轉(zhuǎn)化成折減系數(shù)進行分析。

2.2 試驗設(shè)備

原則上需選擇量程小、精度高的土壓力盒與孔隙水壓力計進行試驗，但受模型試驗操作空間、砂巖自身性質(zhì)(堅硬且平整度差)的限制，選用直接測量儀器埋設(shè)困難、誤差大。因此選用間接測量方法設(shè)計試驗，主要設(shè)備包括：用于模擬邊界的試驗箱(800 mm×800 mm×1 500 mm)，用于模擬建筑物的模型箱(400 mm×400 mm×600 mm)，測量浮力變化的S型拉壓稱重傳感器(CFBLSM)或電子秤，控制加水量和監(jiān)測水位變化的水位標。此外還包括鋼橫梁、螺母、螺桿、墊板、水龍頭、水桶、卷尺、水平尺等設(shè)備。

2.3 試驗過程

2.3.1 懸吊法試驗過程

采用2種試驗方法進行，分別是懸吊法和預(yù)壓法。懸吊法如圖1(a)所示，試驗箱底部中央設(shè)置處理平整的模擬地基，地基與試驗箱側(cè)壁間空隙用標準砂回填，模型箱模擬建筑物，置于地基上，用螺桿將模型箱、電子秤、支撐于試驗箱上的剛性橫梁連接，試驗開始前調(diào)節(jié)螺紋套筒使電子秤讀數(shù)為模型箱及箱內(nèi)砂土質(zhì)量之和，靜置一段時間后重新校正電子秤讀數(shù)，開始穩(wěn)定平緩地向試驗箱內(nèi)預(yù)注一定水量飽和地基，待地基飽和不再吸水后開始試驗注水，每次注水高2 cm,記錄水位隨時間的變化，直到水頭不再下降后開始下一次注水，試驗終止條件為相鄰2次注水電子秤讀數(shù)不再變化(模型箱已浮起)。

圖1 懸吊法示意圖及其受力情況Fig.1 Schematic diagram and force analysis of suspension method

懸吊法中模型箱的受力情況如圖1(b)所示，主要有拉力F1、重力G、浮力F浮、地基土的支持力p,液體對試驗箱側(cè)壁的黏滯力f。靜力平衡條件為

F1+F浮+pA1=G+fA2。

(4)

式中：A1為支撐力p的作用面積；A2為黏滯力f的作用面積。

黏滯力f忽略不計，初始狀態(tài)已調(diào)節(jié)電子秤讀數(shù)為G，故支持力p為0，于是有

F浮=G-F1。

(5)

2.3.2 預(yù)壓法試驗過程

預(yù)壓法如圖2(a)所示，與懸吊法的不同之處在于：用螺紋鋼筋連接拉壓稱重傳感器和剛性橫梁，試驗開始前調(diào)節(jié)上下螺母施加1 N的壓力(盡量小)在模型箱上，傳感器讀數(shù)突變時停止試驗注水，此時的水位即為上浮水位。

預(yù)壓法中模型箱受力如圖2(b)所示，主要有預(yù)壓力F2、重力G、浮力F浮、地基土的支持力p,液體對試驗箱側(cè)壁的黏滯力f。靜力平衡條件為

F浮+pA1=G+F2+fA2。

(6)

圖2 預(yù)壓法示意圖及其受力情況Fig.2 Schematic diagram and force analysis of preloading method

同樣黏滯力f忽略不計，預(yù)壓力F2已知，影響可以忽略，隨著水頭的增加，浮力首先克服重力G，支持力p變小，F(xiàn)2保持不變；當(dāng)模型箱有上浮趨勢時，支持力減小到0，F(xiàn)2突變，F(xiàn)浮=G，比較注水高度與F浮等效高度得η。

懸吊法的優(yōu)點是能在模型試驗中反映滲透壓、時間的變化過程對浮力的影響，但是基底與地基間的作用力很小，并不等于結(jié)構(gòu)物的重力，與實際情況有所差別，這一影響因素造成的是系統(tǒng)誤差，并不影響整體規(guī)律。預(yù)壓法與實際情況更接近，但只能得到最終的起浮水位，不能反映過程變化量，故設(shè)置2種試驗方法相互結(jié)合修正，以期得到科學(xué)的試驗結(jié)論。2種方法均進行滲流條件、滲透壓、滲透時間的影響研究。滲流條件設(shè)置3種常見工況：基底與地基接觸處不做處理(條件1)；基底與地基接觸處封閉但地基內(nèi)部有裂隙(條件2)；基底與地基接觸處封閉且地基內(nèi)無裂隙(條件3)。其中封閉措施采用快凝水泥沿四周接觸部位外側(cè)呈90°焊縫狀密封，密封條帶薄、抗拉強度低且破壞易出現(xiàn)在膠結(jié)面上，可忽略密封連接強度對浮力的影響。地基材料選用混凝土(模擬完全不透水材料)、砂巖、粉土、卵石(完全透水材料)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 懸吊法

3.1.1 不透水材料

3種滲流條件下不透水材料地基上基礎(chǔ)模型浮力、折減系數(shù)與滲透壓(加水深度)的關(guān)系見圖3。

圖3 不透水材料浮力和折減系數(shù)隨注水高度的 變化曲線Fig.3 Variations of buoyancy and reduction coefficient of impervious material against water injection height

由圖3可以看出：

條件1時，基礎(chǔ)所受浮力與理論值接近，隨滲透壓增加近似線性增長，折減系數(shù)趨于穩(wěn)定，不隨滲透壓發(fā)生變化，其值在0.86～0.96之間。原因在于混凝土雖然屬于不透水材料，但此時地下水主要通過基底與地基間的接觸縫隙滲入基底，不透水地基的隔水作用難以有效發(fā)揮，故水壓力折減較小。

條件2(制作模型時預(yù)先支模留設(shè)裂隙)時，基礎(chǔ)所受浮力與理論值偏差較大，隨著滲透壓的增加，折減系數(shù)先增大后趨于穩(wěn)定，其值在0.63～0.73之間。不透水地基發(fā)揮了一定的隔水作用，但地基內(nèi)裂隙的存在提供了滲流通道，并且隨著滲透壓的增大，通過裂隙到達基底的地下水增加，原來的部分地基-基礎(chǔ)接觸面積不斷被滲水薄膜侵占[17-18]，這種侵占作用雖然隨著滲透壓的增大而增大，但也有一定的限度，因此折減系數(shù)呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的變化趨勢。

條件3時，基礎(chǔ)所受浮力與理論值偏差最大，折減系數(shù)在小滲透壓下快速增長，隨后趨于穩(wěn)定，其值為0.22～0.46，不透水地基的隔水作用得以有效發(fā)揮，地下水主要通過地基材料的孔隙滲透進入基底。

水壓力的折減主要發(fā)生在條件2、條件3兩種情況下，為了研究滲流時間與所受浮力的關(guān)系，選取2種情況下理論起浮滲透壓時浮力隨時間的變化分析，如圖4。

圖4 不同條件下的浮力隨時間變化曲線Fig.4 Buoyancy-time curves under different conditions

由圖4(a)可知，隨著時間的推移，條件2時，基礎(chǔ)所受浮力逐漸增大，浮力增加速率逐漸減小，原因在于地基與基底間的接觸點情況不一，通過裂隙滲入基底的水膜，最先侵占大部分容易滲入的接觸點，隨后才慢慢隨著時間的增加形成對較難侵入點的占據(jù)，最后達到穩(wěn)定；由圖4(b)可知, 條件3時，基礎(chǔ)所受浮力不隨時間變化。

3.1.2 砂巖地基

用砂巖塊代替不透水材料地基進行試驗，其中通過挖取天然條件下完整程度不同的砂巖塊模擬有裂隙、無裂隙工況。同理可得基礎(chǔ)所受浮力、折減系數(shù)與滲透壓(加水深度)的變化曲線如圖5所示。

圖5 砂巖地基浮力和折減系數(shù)變化隨注水高度的 變化曲線Fig.5 Variations of buoyancy and reduction coefficient of sandstone foundation against water injection height

由圖5可以看出，砂巖地基與不透水材料地基的浮力-滲透壓關(guān)系曲線基本相同，砂巖在地庫抗浮設(shè)計中可當(dāng)作不透水材料對待。其水壓力折減系數(shù)與不透水材料地基的取值范圍大體相同，但隨著滲透壓的變化規(guī)律有所不同。3種滲流條件下，注水起始階段，折減系數(shù)均出現(xiàn)突增現(xiàn)象，主要原因在于砂巖預(yù)飽和后，附著的部分土性黏結(jié)物膨脹剝落，填充在內(nèi)部裂隙、孔隙及表面坑洼處，自然狀態(tài)下的部分滲流通道在小滲透壓下阻塞，只有當(dāng)滲透壓稍有增加時，填充物被帶走，滲流通道恢復(fù)至自然狀態(tài)，浮力增加明顯。條件1、條件2時，折減系數(shù)在初始階段突增之后，變化趨勢與不透水材料情況下相似，取值分別為0.82～0.91，0.56～0.73；條件3時，折減系數(shù)為0.31～0.47，其隨滲透壓的增加而波動上升，升幅較小，原因在于砂巖地基內(nèi)部的孔隙隨著滲透壓的增加逐漸貫通，連通的孔隙形成了新的滲水通道，通道內(nèi)砂巖微粒易在高滲透壓的作用下不斷被滲流水份帶走，通道擴張，這在此砂巖的滲透系數(shù)試驗、微觀試驗中可以得到證實[19]；砂巖地基上基礎(chǔ)浮力隨時間的變化與不透水材料相似，這里不予贅述。

3.2 預(yù)壓法

預(yù)壓法除對砂巖地基進行試驗外，還對粉土(夾雜黏粒)、卵石地基進行了研究，模型試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 模型基礎(chǔ)起浮水位Fig.6 Floating water level of base model

對于3種地基材料：卵石、粉土、砂巖，起浮水位依次增大(理論起浮水位為16 cm)。對于砂巖地基的3種滲流條件，起浮水位也依次增大。卵石情況下，折減系數(shù)接近于1，為完全透水層，不能進行折減；粉土情況下，折減系數(shù)0.86，和文獻[14]的研究成果0.85基本吻合；砂巖地基上條件1、條件2時，折減系數(shù)分別為0.86，0.70，在懸吊法結(jié)果的范圍之內(nèi)，更接近范圍上限。條件3時，折減系數(shù)為0.50，超出懸吊法的結(jié)果范圍，但是相差不大，與文獻[11]的結(jié)論一致。懸吊法與預(yù)壓法相比，折減系數(shù)偏小，水浮力折減過大，建議實際中按照情況采用接近所給范圍上限的折減系數(shù)。

綜合考慮2種相互補充的試驗結(jié)果，認為砂巖地基上的地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計可以考慮浮力折減。當(dāng)基底與地基接觸處不作處理時，折減系數(shù)為0.82～0.91；當(dāng)基底與地基接觸處采取封閉措施但地基內(nèi)有裂隙時，折減系數(shù)為0.63～0.73；當(dāng)基底與地基接觸處封閉且砂巖地基內(nèi)部無裂隙時，折減系數(shù)為0.31～0.50。實際工程中要充分發(fā)揮砂巖的隔水作用，必須在基底和地基接觸面四周作封水處理，改變滲流路徑，增大水頭損失，使地下水通過滲流進入基底，而不是通過基底與地基間的縫隙進入，保證折減合理充分。這也是規(guī)范中要求基坑肥槽回填時必須在靠近建筑物周圍1 m范圍內(nèi)利用2∶8灰土進行回填并保證密實度的原因所在?；赘×哂袝r間效應(yīng)，滲透壓對其影響也較大，必須在實際工程中加以動態(tài)考慮，不能單純地以某一時間點的某一水頭來衡量建筑整個使用過程中的抗浮性能。

圖8 孔隙水壓力隨時間變化曲線Fig.8 Curves of pore water pressure against time

4 現(xiàn)場監(jiān)測

本文依托的蘭州某地下車庫工程，砂巖地基，筏板基礎(chǔ)，主樓32層，裙樓2層，3層地下車庫，如圖7所示，地下水流向自東向西，在參照點1和參照點2處水位較高，超過基礎(chǔ)底板10.3 m。地庫東側(cè)緊臨另一建成使用的地下結(jié)構(gòu)，無地下水流出?？垢≡O(shè)計時考慮浮力折減，為保證抗浮設(shè)計安全，同時驗證折減的合理性，進行基底水壓力監(jiān)測試驗輔助降水措施?？紫端畨毫τ嬈矫娌贾靡妶D7(取車庫的一半)，地庫邊緣及中心均有布置，測點編號為B2，B8，B11，B12，B13，B14，B15，B16，B18，B19，其中測點B8，B14埋設(shè)后因施工原因失效。按就近影響的原則，水位最高處參照點1和參照點2的影響區(qū)以南北中線劃分， B11，B12，B13，B16，B18，B19屬參照點1影響范圍，B2，B15屬參照點2影響范圍，各測點距參照點的距離見表1(橫向為東西方向)。監(jiān)測時間從2015年3月到至2017年5月。

圖7 孔隙水壓力計平面布置Fig.7 Plane layout of pore water pressure gauges

參照點號方向距參照點距離/mB2B11B12B13B15B16B18B1912橫向縱向橫向縱向折減系數(shù)—9.050.057.9—89.282.935.3—3.75.637.0—15.829.613.012.6———32.9———6.7———31.5———0.480.520.370.300.300.180.090.35

基坑開挖時在肥槽邊設(shè)置有排水溝，集中抽水保證地下水位穩(wěn)定不影響施工，排水溝低于筏板底面標高。各測點孔隙水壓力如圖8所示，監(jiān)測初期，各測點孔壓值經(jīng)過一段時間波動后趨于穩(wěn)定，均在10 kPa以內(nèi)；整個監(jiān)測期內(nèi)，孔壓曲線出現(xiàn)2處上升臺階、2處低谷，均是滲透壓變化的結(jié)果。2處上升分別在基坑肥槽回填后、基坑外圍降水井停止降水后；肥槽回填，槽底1 m高度范圍內(nèi)采用素混凝土封堵，水壓難以釋放，滲透壓增大；停止降水后，地下水位回升，滲透壓亦增大。2處低谷均位于冬季貧水期，地下水位較豐水期稍有下降，滲透壓降低；孔壓第2次上升穩(wěn)定后，各測點數(shù)值相當(dāng)于10.3 m的滲透壓在基底與地基接觸處封閉條件下的滲流結(jié)果，其大小與測點位置的滲透壓和滲流路徑長短相關(guān)。因地下水位沿基坑長邊方向變化，測點滲透壓與橫向位置相關(guān)，滲流路徑按基坑短邊方向考慮，滲流路徑與縱向位置相關(guān)。B1，B2分別與參照點1、參照點2距離最近且位置對稱，孔壓值均處于最高水平；B13與B12 相比，滲透壓接近，受滲流路徑較長影響而孔壓值較低；B16，B18橫向距離遠大于其他測點，主要受滲透壓的影響，孔壓值最?。籅19在整個時期內(nèi)均處于較高位置，孔壓值2次爬升時間段較其他測點稍長，主要因為此處巖塊較為破碎，砂巖孔隙滲流貫通擴張明顯，滲透系數(shù)變化大所致。

利用各點2次上升穩(wěn)定后的孔壓值，計算基礎(chǔ)底板實際浮力作用水頭并換算為折減系數(shù)，結(jié)果見表1。其值處于0.30～0.52之間(B16，B18除外)，與此滲流條件下模型試驗的結(jié)果較為吻合，且上述現(xiàn)場試驗針對滲透壓、滲流路徑對水壓力的影響研究與模型試驗所得規(guī)律一致，說明模型試驗所得結(jié)論可以推廣到實際情況，為地庫抗浮設(shè)計提供依據(jù)。

5 結(jié) 論

本文自行設(shè)計模型試驗，結(jié)合現(xiàn)場試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)，探究了砂巖地基滲透機理，可以得到如下結(jié)論：

(1)滲流條件對浮力折減影響最大?；着c地基接觸處不做處理時，地下水通過基底與砂巖地基間縫隙進入基底，折減系數(shù)取0.82～0.91；基底與地基接觸處做封閉處理但砂巖內(nèi)部有裂隙時，地下水主要通過裂隙進入基底，折減系數(shù)取0.63～0.73；基底與地基接觸處封閉且地基內(nèi)無裂隙存在時，地下水通過砂巖內(nèi)部孔隙滲透進入基底，折減系數(shù)取0.31～0.50。改變地下水滲流條件對水壓力折減系數(shù)影響較大，基坑肥槽回填時易在基底四周做封水處理，減小抗浮設(shè)計要求。

(2)滲透壓、滲透時間對浮力的影響隨滲流條件而變?；着c地基接觸處做封閉處理但砂巖內(nèi)部有裂隙時，滲透壓、滲透時間變化使基底與地基接觸面積因水膜侵占而發(fā)生變化，二者對基礎(chǔ)所受浮力影響較大；基底與地基接觸處封閉且地基內(nèi)無裂隙存在時，滲透壓可以改變砂巖孔隙的存在狀態(tài)，對基礎(chǔ)所受浮力有所影響但效果較小，滲透時間對其基本沒有影響；基底與地基接觸處不做處理時，滲透壓、滲流時間并不能造成地基發(fā)生實質(zhì)性變化，對基礎(chǔ)所受浮力影響最小，可以不加考慮。

(3)在滲流條件相同的情況下，單從水理性質(zhì)來說，砂巖與混凝土相似，屬不透水材料，但混凝土微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，孔隙發(fā)生滲流侵蝕不易，較砂巖而講其抗浮折減系數(shù)變化范圍較小。

(4)實際中地庫抗浮設(shè)計十分復(fù)雜，采用靜水位計算并不合理，應(yīng)綜合地基材料滲透性、滲流條件、滲透壓、滲透時間等因素經(jīng)方案論證后綜合決定。