泄水減壓抗浮技術(shù)在工程中的應(yīng)用

雷立志 潘琰楓

武漢弘泰建筑工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司（430070）

0 引言

地下空間的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，抗浮設(shè)計(jì)是很重要的一環(huán)，當(dāng)?shù)叵率逸^深、地下水位較高時(shí)，地下室結(jié)構(gòu)及構(gòu)件受到的水浮力較大。實(shí)際工程中由于抗浮設(shè)計(jì)不當(dāng)引發(fā)的事故時(shí)有發(fā)生，既有整體抗浮問題也有局部抗浮問題。常見的有地下室隆起、底板破壞、地下室墻和基礎(chǔ)梁板出現(xiàn)裂縫、地下室滲水以及上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫等。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.4.3條，建筑物基礎(chǔ)存在浮力作用時(shí)應(yīng)進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算，并應(yīng)符合下列規(guī)定:

對(duì)于簡(jiǎn)單的浮力作用情況，基礎(chǔ)抗浮穩(wěn)定性應(yīng)符合下式要求:

Gk——建筑物自重及壓重之和（kN）；Nw,k——浮力作用值（kN）；Kw——抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般情況下可取1.05。

工程中的抗浮措施主要有:①配重法，增加建筑物自重以及壓重；②地下室底板增設(shè)抗浮錨桿或者抗拔樁；③泄水減壓法，在地下室周圍或者底部設(shè)置泄水孔，降低地下水位高度。工程中常用的是第二種，應(yīng)用范圍廣。第一種方法使用條件有限，主要用于自重與壓重之和與水浮力差別不大；第二種方法使用較多，但工期長(zhǎng)、花費(fèi)高；第三種方法目前使用較少，其對(duì)地下水以及地下土要求較高，但是一旦能夠使用則效益很高。文章擬結(jié)合實(shí)際工程對(duì)第三種方法進(jìn)行介紹，以便為類似工程進(jìn)行推廣。

1 泄水減壓理論思想

根據(jù)阿基米德思想，地下建筑物受到的浮力等于其排開同體積水的重量。泄水減壓的主要思想就是通過科學(xué)手段達(dá)到降低底板水頭的目的，以達(dá)到地下室抗浮的目的[1]。

泄水減壓法主要適用條件:①土中孔隙水主要存在于人工填土中，僅有上層滯水或者地表補(bǔ)給水的地質(zhì)條件；②地下室周圍土體主要為滲透性較小的黏土。根據(jù)條件一，地下室范圍內(nèi)無承壓水，地下水主要來自于地面補(bǔ)給；根據(jù)條件二以及滲流原理，地下室范圍內(nèi)土體滲透系數(shù)小，水從地面滲透至地下室地板需要的時(shí)候較長(zhǎng)，如果在地下室側(cè)壁以及板底預(yù)留泄水孔，讓水及時(shí)排入地下室排水通道，則地下室板底能保持少水狀態(tài)，受到的水浮力也就較小，進(jìn)而達(dá)到抗浮的目的。

湖北天利建筑技術(shù)有限責(zé)任公司的專利產(chǎn)品[2]是在地下室側(cè)墻和底板一定位置按一定間距埋設(shè)直徑為100mm的泄水孔，在泄水孔匯水端埋置一定面積的反濾層，其中反濾層主要由碎石構(gòu)成（具體做法如圖1所示），將滲入反濾層的水通過泄水孔引流到專門的室內(nèi)排水溝中，同時(shí)在泄水孔中布置鋼絲球來過濾泄水孔中的水。排水溝中水通過在室內(nèi)排水系統(tǒng)進(jìn)行處理，該系統(tǒng)能夠?qū)⒌叵率抑車^高的水位通過將地下水滲流進(jìn)入泄水孔排出，從而降低地下水水位，釋放地下室底板的基底水浮力，減小地下水對(duì)建筑物及環(huán)境的不利影響[3]。

表1 土層基本參數(shù)

2 工程案例

武漢市漢陽區(qū)某住宅項(xiàng)目位于墨水湖北路與龍陽湖東路交匯處。項(xiàng)目地下室共2層，±0.000設(shè)計(jì)標(biāo)高為24.30m。地下室底板結(jié)構(gòu)面標(biāo)高-9.10 m，底板厚400mm。地下室單層面積約30370m2，周長(zhǎng)約800m。純地下室部分柱網(wǎng)主要為6.0m×8.0m。

2.1 工程地質(zhì)情況

1）根據(jù)本次勘察成果，擬建場(chǎng)地主要巖土層在勘探深度范圍內(nèi)分布為:上部為近代人工堆積層（Qml）、第四系上更新統(tǒng)沖洪積（Q3al+pl）黏性土層，第四系殘積（Qel）粉質(zhì)黏性土層，下部基巖為泥盆系（D）砂礫巖、石英砂巖，志留系（S）泥質(zhì)粉砂巖、泥巖層。土體基本參數(shù)見表1。

圖1 泄水減壓構(gòu)造

2）勘察場(chǎng)地內(nèi)的地下水為上層滯水。上層滯水主要賦存于人工填土層中，以大氣降水和地表積水入滲為補(bǔ)給來源；勘察期間測(cè)得勘探孔上層滯水穩(wěn)定地下水水位埋深0.30～3.20m，對(duì)應(yīng)標(biāo)高為19.48～31.21m。

根據(jù)地勘報(bào)告:本工程地下室側(cè)壁主要由雜填土、粉質(zhì)黏土、砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖組成，基底坐落于泥質(zhì)粉砂巖中，屬相對(duì)隔水層。影響本工程抗浮的地下水為上層滯水，應(yīng)考慮地下水浮力對(duì)地下室的影響，本基坑抗浮設(shè)計(jì)水位為場(chǎng)地整平后的室外地面設(shè)計(jì)標(biāo)高[4]。

2.2 整體抗浮設(shè)計(jì)初步分析

根據(jù)規(guī)范要求，需要比較柱底水浮力及相關(guān)自重壓力。

2.2.1 不考慮任何措施時(shí)柱底水浮力計(jì)算

依據(jù)地勘報(bào)告，抗浮水位可按設(shè)計(jì)室外地面整平標(biāo)高確定。室外地面標(biāo)高取24.40m，地下室±0.00為絕對(duì)高程24.30m，地下室底板面標(biāo)高-9.10 m，地下室墊層底標(biāo)高為-9.650，底板厚400mm，墊層厚150mm，建筑墊層按100mm考慮。

水頭高度H=9.10+0.40+0.15=9.65m；

柱底水浮力受荷面積A=8.0×6.0=48m2；

柱 底 水 浮 力Nw,k=9.65×10×8.0×6.0=4632.0（kN）。

2.2.2 結(jié)構(gòu)自重計(jì)算

頂板覆土自重（取1600mm厚）Gk1=1.6×18.5×48=1420.8（kN）；

板 板 重Gk2=（0.40+0.11+0.25）×25×48=912.0（kN）；

柱自重Gk3=0.5×0.6×7.6×25=57.0（kN）；

基礎(chǔ)自重Gk4=3.0×2.4×0.7×25=126.0（kN）；

梁自重Gk5=0.5×0.6×3×2×25=45.0（kN）；

墊層及建筑面層自重Gk6=（0.15+0.2+0.1）×20×48=432.0（kN）；

總重Gk=1420.8+912.0+57.0+126.0+45.0+432.0=2992.8（kN）。

根據(jù)規(guī)范，Gk/Nw,k=0.64＜Kw，不滿足規(guī)范要求，需采取抗浮措施。

2.3 整體抗浮方案比選

本工程土質(zhì)較好，純地下室等部位采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。根據(jù)常規(guī)做法，地下室整體抗浮設(shè)計(jì)可采用增設(shè)抗浮錨桿以及泄水減壓兩種辦法。下面對(duì)兩種抗浮方案進(jìn)行分析，以便進(jìn)行方案比選。

2.3.1抗浮錨桿方案

根據(jù)地質(zhì)條件，采用直徑150mm錨桿，長(zhǎng)約13 m，錨桿抗拔承載力特征值取320kN，柱底所需錨桿根數(shù)N=（4680-2992）/320=5.27根。

根據(jù)柱網(wǎng)布置具體情況，地下室需抗拔錨桿數(shù)約2525根。

2.3.2 泄水減壓法方案

考慮虹吸效應(yīng)，水頭高度取泄水裝置水頭加1.0m位置[5]。地下室在負(fù)1層設(shè)有人防區(qū)，在人防范圍內(nèi)不能埋設(shè)泄水裝置，本工程需考慮人防區(qū)與非人防區(qū)兩種情況。

1）非人防區(qū)。泄水裝置設(shè)置在地下室底板上600mm，相對(duì)標(biāo)高為-8.500m，水頭計(jì)算時(shí)水位相對(duì)標(biāo)高為-7.500。具體計(jì)算如下:

水頭高度H1=9.65-8.5+1.0=2.15m；

水浮力Nw,k=2.15×10×48=1032.0（kN）；

則Gk/Nw,k=2992.8/1032.0=2.90＞Kw=1.05，滿足抗浮要求。

2）人防區(qū)。泄水裝置設(shè)置在地下一層底板上450mm，相對(duì)標(biāo)高為-4.850m，水頭計(jì)算時(shí)水位相對(duì)標(biāo)高為-3.850。具體計(jì)算如下:

水頭高度H1=9.65-4.85+1.0=5.8m；

水浮力Nw,k=5.8×10×48=2784（kN）；

則Gk/Nw,k=2992.8/2784=1.07＞Kw=1.05，滿足抗浮要求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用泄水減壓技術(shù)在人防區(qū)以

及非人防區(qū)均能夠滿足整體抗浮要求。

2.4 抗浮方案比選

2.4.1 錨桿成本成本及工期分析

錨桿按160元/m計(jì)算成本，則所需成本為2 525×13×160=5252000元；

錨桿抗拔承載力檢測(cè)費(fèi)用，檢測(cè)數(shù)量為2525×5%=127根，費(fèi)用約127000元。

錨桿方案的總成本大約為5252000+127000=5379000元。

此外，除錨桿承載力檢測(cè)需一定的周期外，抗拔錨桿施工工期也較長(zhǎng)。

2.4.2 泄水減壓方案成本及工期分析

根據(jù)天利建筑技術(shù)有限責(zé)任公司方案，若采用泄壓抗浮技術(shù)進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)，地下室非人防區(qū)域約需布置抗浮孔位數(shù)179個(gè)，人防區(qū)域需布置約111個(gè)抗浮孔位，共290個(gè)孔位。單孔費(fèi)用2560元，所需成本為290×2560=742400元（含專家評(píng)審費(fèi)用）。采用此抗浮措施施工時(shí)僅需在底板以及側(cè)墻施工時(shí)配合埋設(shè)泄水設(shè)備即可，與主體同時(shí)進(jìn)行，對(duì)工期影響甚微。

綜合比較分析，采用泄壓抗浮技術(shù)在工期以及成本上優(yōu)勢(shì)明顯，且施工簡(jiǎn)單，可行性高，本工程最終采用此方案。工程于2018年年底交付使用，至今已經(jīng)使用約3年，未見明顯抗浮不當(dāng)引起的工程問題[6]。

3 結(jié)論及建議

經(jīng)過以上分析及工程案例分析可知，在泄壓抗浮能夠使用的條件下，此技術(shù)能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益，是一種較好的抗浮措施。其主要注意點(diǎn)為防止形成水路，造成水頭超過設(shè)計(jì)值。因此如下幾點(diǎn)應(yīng)著重注意:①施工期間，基坑頂、側(cè)、底部應(yīng)采用合理的排、止水措施，防止基坑及底板施工時(shí)上層滯水或雨水滲入地下室底板以下，保證基坑內(nèi)不受水浸泡，基坑周邊排水暢通，避免造成施工期間地下室的上?。虎谑彝獾孛嬉韵?m范圍內(nèi)應(yīng)采用素混凝土進(jìn)行回填，地下室外墻與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間回填黏性土，其中室外地面以下2m范圍內(nèi)應(yīng)做到分層壓實(shí)，壓實(shí)系數(shù)不小于0.94；③地下室外墻防水層的保護(hù)層不應(yīng)采用透水的泡沫塑料板，應(yīng)采用砂漿抹面或1/4磚墻作為保護(hù)層，避免形成透水通道；④地下室底板以下施工時(shí)超挖部分應(yīng)采用C15素混凝土回填，不應(yīng)采用碎石、砂等透水性材料。