基礎(chǔ)抗浮與大體積混凝土施工技術(shù)措施的結(jié)合運(yùn)用

付元東，郝 杰，安 鵬

（中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430501）

1 地下室工程概況

該工程±0.00 相當(dāng)于絕對標(biāo)高21.25 m，地下室結(jié)構(gòu)完成面標(biāo)高為-5.900，塔樓范圍內(nèi)的地下室采用平板式筏型基礎(chǔ)，筏板厚度為2 000 mm；相鄰塔樓之間基礎(chǔ)采用柱墩與筏板相結(jié)合的基礎(chǔ)形式，筏板的厚度為500 mm，地下室外墻厚度為800 mm，筏板、柱墩及外墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。

從構(gòu)件最小截面尺寸和混凝土體量綜合分析可確定，該地下室的基礎(chǔ)及外墻屬于大體積混凝土工程。根據(jù)圖1 地勘剖面圖和地下室結(jié)構(gòu)層標(biāo)高可以判斷，地下室基礎(chǔ)以下地基土質(zhì)為④-1 層粉質(zhì)黏土，其透水性較差，且項(xiàng)目距離長江流域較近，地下水位較高，受地下水影響較大。因此，在地下室施工過程中需要同時(shí)考慮大體積混凝土和地下水的雙重影響因素。

圖1 地勘剖面圖

2 影響地下室混凝土結(jié)構(gòu)有害因素分析

2.1 大體積混凝土有害因素分析

塔樓范圍內(nèi)的平板式筏型基礎(chǔ)和地下室外墻混凝土體量較大，混凝土中膠凝材料水化反應(yīng)熱釋放比較集中，內(nèi)部溫升較快，在混凝土內(nèi)部和表面形成較大的溫度梯度場，使筏板和剪力墻內(nèi)外溫差較大，產(chǎn)生變形差。水化反應(yīng)引起的溫度變化和收縮易導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生，最終將會(huì)導(dǎo)致地下室底板出現(xiàn)滲漏，影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用[1]。

隨著現(xiàn)代化城市地下空間的迅猛發(fā)展，大體積混凝土在地下空間結(jié)構(gòu)中極為常見，溫度變化和收縮產(chǎn)生的有害裂縫對地下工程的不利影響也越來越多，較為常見且影響較大的是地下室底板和側(cè)墻滲漏問題。因此，尋求解決地下空間結(jié)構(gòu)混凝土有害裂縫的技術(shù)問題成為工程技術(shù)人員的重要研究課題。

2.2 地下水有害因素分析

2.2.1 浮托力有害因素分析

建筑物塔樓的重力通過筏板基礎(chǔ)豎向均勻地傳遞給地基，地基水頭在巨大壓力的作用下，勢必對伐板產(chǎn)生向上的浮托力。根據(jù)建筑基礎(chǔ)抗浮穩(wěn)定性要求：

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

在抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)一定的情況下，浮力作用值隨建筑物自重及壓重之和的增加而增大。巨大的浮托力對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有向上的推力，受地下室結(jié)構(gòu)底板的阻礙，地下水的水頭勢能不斷增大，使結(jié)構(gòu)底板承受較大的壓力。由于混凝土在終凝之前的強(qiáng)度有限，當(dāng)水頭勢能超過了混凝終凝之前的承受能力時(shí)，混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫。同時(shí)，浮托力還會(huì)加速水化反應(yīng)所引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致的有害裂縫的發(fā)展。因此，浮托力對地下室混凝土結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的破壞能力，容易導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)薄弱位置出現(xiàn)斷裂、結(jié)構(gòu)板上浮，以及地基基礎(chǔ)的不均勻沉降，降低了地下室混凝土結(jié)構(gòu)自防水的能力。

2.2.2 滲透有害因素分析

在水頭壓力作用下，地下水的滲透勢能較大。由于地下室基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以下地基層土質(zhì)為④-1 層粉質(zhì)黏土，該土層滲透系數(shù)較小，因此對地下水側(cè)向滲透阻力較大。當(dāng)處于基坑降排水水系統(tǒng)較遠(yuǎn)處時(shí)，地下水難以通過側(cè)向滲透及時(shí)排出，因此只能向上滲透。

在基礎(chǔ)墊層及結(jié)構(gòu)混凝土澆筑過程中，豎向滲透的地下水進(jìn)入混凝土中，改變了混凝土局部位置的水膠比，影響混凝土整體強(qiáng)度穩(wěn)定性。豎向滲水在水頭壓力的作用下，具有一定的穿透性，會(huì)在混凝土中形成滲流通道，并伴隨著輕微的流沙現(xiàn)象，豎向滲流通道會(huì)隨著混凝土的初凝而形成貫通的砂眼。此外，地下水的滲透作用會(huì)加速混凝土結(jié)構(gòu)有害裂縫的發(fā)展，加大了結(jié)構(gòu)墻、板滲漏風(fēng)險(xiǎn)。無論是滲流砂眼還是有害裂縫，都會(huì)造成地下室滲水，影響地下空間的正常使用功能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全。

3 工藝結(jié)合運(yùn)用的可行性分析

基礎(chǔ)抗浮與大體積混凝土施工技術(shù)措施結(jié)合運(yùn)用，其實(shí)質(zhì)是將解決地下水浮托力對基礎(chǔ)不利影響的技術(shù)措施與降低大體積混凝土水化熱的不利影響的技術(shù)措施進(jìn)行結(jié)合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)一舉雙效，降低技術(shù)措施成本，提高工程實(shí)體質(zhì)量。

3.1 泄水抗浮技術(shù)分析

地下室結(jié)構(gòu)處于粉質(zhì)黏土層，周圍土體滲透性較小，地下水以孔隙水形式賦存于人工填土中，且僅有上層滯水以及地表滲水，為消除浮托力對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的不利影響，該項(xiàng)目采用泄水減壓的抗浮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無浮力底板，該技術(shù)與配重式抗浮及其他抗浮措施相比，泄水減壓抗浮經(jīng)濟(jì)效益甚為顯著[2]。泄水減壓抗浮的基本原理是通過在建筑底板和地下室側(cè)墻上預(yù)埋泄水減壓裝置，如圖2 所示，通過該裝置將地下室結(jié)構(gòu)底板和側(cè)墻土層中的壓力水排除，以消除地下水向上的浮托力對結(jié)構(gòu)造成的影響。

圖2 泄水減壓裝置示意圖

泄水減壓裝置由三部分構(gòu)成，第一部分為濾水裝置最底端的濾水包，安裝于土體與混凝土結(jié)構(gòu)的交界處，其作用是對地下水的初級(jí)過濾，防止泥沙進(jìn)入過濾裝置堵塞裝置。第二部分為直徑75 mm 的金屬止水套管，該部分主要作業(yè)是保護(hù)多級(jí)過濾料，形成地下水過濾通道，其止水翼緣兼具防水功能。第三部分是填充在止水套管內(nèi)的多級(jí)過濾材料，它的濾水功效要比濾水包更強(qiáng)，其主要作用是在保障泄水的前提下，防止泥沙隨滲透水流被帶入地下室出現(xiàn)流沙現(xiàn)象，確保地基土體穩(wěn)定。

3.2 大體積混凝土施工控制措施分析

在大體積混凝土施工過程中，其質(zhì)量控制的一項(xiàng)重要舉措就是控制膠凝材料的水化熱。在大體量的地下工程中，不宜劃分過細(xì)的施工段，因?yàn)槭┕たp是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫，而分層澆注易在先后澆注面形成混凝土結(jié)構(gòu)冷縫，大量的結(jié)構(gòu)裂縫和冷縫易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)滲漏。

為降低水化熱對大體積混凝土的影響，現(xiàn)場采用混凝土內(nèi)部敷設(shè)冷凝管，通過冷卻水管中的低溫流體進(jìn)行熱量交換，降低混凝土中心區(qū)域的水化熱，從而能夠緩解溫度變化和收縮產(chǎn)生的有害裂縫[3]。

4 工藝結(jié)合運(yùn)用的基本原理

本文將泄水減壓抗浮與大體積混凝土施工技術(shù)控制措施相結(jié)合的基本原理如圖3 所示。通過將泄水減壓抗浮體系與大體積混凝土的冷凝系統(tǒng)連通成為一個(gè)整體，通過泄水減壓系統(tǒng)，地下水進(jìn)入大體積混凝土冷凝系統(tǒng)，借助流通的地下水吸收熱量，降低混凝土內(nèi)部的水化熱，從而避免混凝土澆筑階段出現(xiàn)滲流砂眼，防止有害裂縫的產(chǎn)生和加速發(fā)展。

圖3 基本原理圖

4.1 地下室抗浮的基本原理

地下室抗浮的基本原理是地下水通過泄水減壓裝置進(jìn)入導(dǎo)流管內(nèi)，導(dǎo)流管將地下水引入到室內(nèi)截水溝和集水井內(nèi)，以卸除地下水浮托力對地下室結(jié)構(gòu)的影響。側(cè)墻泄水減壓裝置隨剪力墻的鋼筋施工同步安裝，泄水裝置濾水包安裝在剪力墻外側(cè)模板以外與回填土相通，內(nèi)填多級(jí)濾料的止水套管伸入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，與豎向?qū)苓B通，通過側(cè)墻上的泄水減壓裝置，以消除側(cè)向地下水對地下室外墻的壓力。底板泄水減壓裝置是在地下室底板墊層混凝土澆筑階段預(yù)埋的，泄水裝置濾水包埋置于地基土體內(nèi)，起到過濾豎向滲透壓力水的作用，內(nèi)填多級(jí)濾料的止水套管伸入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，與水平導(dǎo)水管連通，以消除豎向地下水對地下室底板的豎向壓力。泄水減壓裝置的布設(shè)應(yīng)根據(jù)填土的寬度和夯實(shí)度，以及底板受到擾動(dòng)土厚度，合理確定側(cè)墻和底板泄水孔的間距[4]。

在泄水減壓裝置的作用下，地下室外圍壓力水的泄流方向如圖4 所示，通過人為導(dǎo)向，使壓力水按照設(shè)定的導(dǎo)向排出，可有效防止地下水穿透結(jié)底板，避免浮托力加速有害裂縫的發(fā)展，能有效提高地下室結(jié)構(gòu)混凝土的密實(shí)性和自防水性能。

圖4 壓力水導(dǎo)流圖

4.2 降低水化熱基本原理

降低大體積混凝土內(nèi)部的水化熱是借助地下水在循環(huán)導(dǎo)水管內(nèi)流通實(shí)現(xiàn)的，循環(huán)導(dǎo)水管采用熱傳遞性能較好的管材，隨鋼筋工程埋置在混凝土結(jié)構(gòu)的中間位置，其進(jìn)水口一端與泄水減壓裝置相連，出水口與室內(nèi)截水溝相通，形成連通器。低溫的地下水在水頭壓力作用下，從泄水減壓裝置進(jìn)入循環(huán)的導(dǎo)流管，在管道內(nèi)部流通。在熱傳遞功能的作用下，混凝土中心區(qū)域的水化熱通過導(dǎo)流管將熱能傳遞給循環(huán)管內(nèi)的低溫水流，從而起到降低混凝土中心區(qū)域水化熱的功效。

循環(huán)水流在導(dǎo)流管內(nèi)的流向如圖5 所示，借助豐富的地下水在導(dǎo)流管內(nèi)持續(xù)性的流動(dòng)，能及時(shí)降低混凝土內(nèi)的水化熱，防治混凝土內(nèi)部出現(xiàn)溫度驟增，能有效抑制有害裂縫的產(chǎn)生，對提高混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性有重要意義。

圖5 循環(huán)水降溫示意圖

5 結(jié)論

通過對基礎(chǔ)抗浮與大體積混凝土施工技術(shù)措施的結(jié)合運(yùn)用進(jìn)行研究，本文得出的結(jié)論是地下室泄水減壓抗浮體系與降低大體積混凝土水化熱的循環(huán)系統(tǒng)能夠有效的組合運(yùn)用。通過將兩者進(jìn)行組合，能在及時(shí)卸除地下水壓力對結(jié)構(gòu)影響的同時(shí)，可快速降低混凝土水化熱，從多方面防止混凝土有害裂縫的產(chǎn)生和加速發(fā)展，提高了混凝土的防水性能，對地下工程的施工具有重要意義。