地下空間抗浮設(shè)計(jì)
地下空間抗浮設(shè)計(jì)
摘要 近年來(lái),隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展,地下空間的開發(fā)利用成為發(fā)展的必然趨勢(shì),地下建筑物越來(lái)越多,其抗浮問(wèn)題也日益突出。本文討論了水浮力以及工程抗浮力的計(jì)算問(wèn)題,分析了地下空間的抗浮設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 地下空間;抗浮設(shè)計(jì);水浮力;抗浮錨桿
隨著我國(guó)改革開放的不斷深入,城市用地越來(lái)越緊張,城市地下空間的開發(fā)和利用日益得到政府部門的重視,許多城市利用廣場(chǎng)、綠地等建設(shè)地下工程,但是建設(shè)地下工程,都受到著地下水的浮力作用,如地下鐵道和隧道、地下商場(chǎng)、地下人行通道等地下工程都受到地下水浮力的作用,導(dǎo)致建筑底板破壞、梁柱節(jié)點(diǎn)處開裂及底板的破壞等。因此,工程的抗浮設(shè)計(jì)是否正確合理,直接關(guān)系到工程的安全可靠和工程造價(jià),應(yīng)引起設(shè)計(jì)者的高度重視。
1 存在的問(wèn)題
地下建筑的層數(shù)一般不高,但是建筑面積非常大,導(dǎo)致地下室處在地下水的浮力作用下,不能用自身重量來(lái)平衡這種浮力,導(dǎo)致地下建筑的頂板受到巨大力的作用,對(duì)于層數(shù)在3層以下或底板埋深>7m的地下室來(lái)說(shuō),永久抗浮安全度往往不夠,導(dǎo)致地下室整體或局部上浮的工程事故時(shí)有發(fā)生,給國(guó)家和人民帶來(lái)了極大的損失,隨著地下空間的逐步利用,人們總結(jié)了出現(xiàn)這種問(wèn)題的原因:
1)沒(méi)有考慮到地下水浮力的作用或沒(méi)有對(duì)水浮力作用機(jī)理有足夠的認(rèn)識(shí),導(dǎo)致在建設(shè)地下工程時(shí)沒(méi)有做抗浮驗(yàn)算;
2)沒(méi)有做好施工現(xiàn)場(chǎng)的地下水勘察工作,導(dǎo)致抗浮設(shè)計(jì)中地下水水位的取值不當(dāng),沒(méi)有考慮到極端天氣下出現(xiàn)的最高水位;
3)設(shè)計(jì)人員忽視了抗浮計(jì)算中的一些因素,導(dǎo)致抗浮措施不當(dāng);
4)施工單位在地下工程建設(shè)過(guò)程中對(duì)于抗浮措施沒(méi)有引起足夠的重視。
2 地下工程抗浮措施的選擇
下水浮力的作用機(jī)理,可以采取配重法來(lái)平衡水浮力,這種方法簡(jiǎn)單有效,主要可以通過(guò)增加自身的重量來(lái)抵御水的浮力;工程上也采用設(shè)置抗浮樁的方法解決抗浮問(wèn)題,其原理和配重法一樣,只不過(guò)設(shè)置抗浮樁是利用樁側(cè)面和土體的阻力來(lái)平衡浮力的。
對(duì)于配重法,適用范圍廣,可以將增加的重量設(shè)置在底板上,通過(guò)抗浮計(jì)算得到需要配置的重量,然后再底板上設(shè)置回填層,用土、砂、石等密度大的材料進(jìn)行回填,利用回填物的重量來(lái)增加地下工程的總體重量,達(dá)到抗浮的目的。有
時(shí)可以利用底板外挑部分回填一部分配重,達(dá)到增加自身重量的目的;對(duì)于底板為板柱或梁板結(jié)構(gòu),可以利用底板柱帽或梁至地坪之間的空間設(shè)置回填土,這種方法可以解決地下工程抗浮問(wèn)題,還可以作為底板的防水處理。綜上,配重法作為一種簡(jiǎn)單可行的方法,不受地理?xiàng)l件、施工環(huán)境的影響,不但可以降低造價(jià),還可以解決抗浮問(wèn)題,常常作為基本方法予以采用。
采用抗浮樁進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì),主要是利用抗浮樁側(cè)面與土體的摩擦來(lái)抵消地下水浮力的,抗浮樁的效果與樁長(zhǎng)、樁徑、樁型以及周圍的地質(zhì)條件都有很大的關(guān)系,因?yàn)橹圃炜垢兜脑靸r(jià)高,所以一般使用在柱、墻下等抗浮面積較大、受環(huán)境條件、施工條件影響大的地方。
抗浮錨桿是利用錨桿與砂漿組成一個(gè)錨固體,保證錨固體和巖土層的結(jié)合力,可以提高地下建筑的抗浮能力?垢″^桿具有造價(jià)低、施工方便、受力合理等優(yōu)點(diǎn),廣泛的用于地下空間抗浮施工。在實(shí)際施工中,施工人員要根據(jù)地下工程的結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)條件、浮力大小、施工條件和工期要求等因素確定采用何種抗浮措施。
3 地下工程的抗浮設(shè)計(jì)
3.1 設(shè)計(jì)流程
對(duì)于地下工程抗浮設(shè)計(jì)總原則,應(yīng)該滿足下式要求:
式中:W為地下建筑自重及其上作用的永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的總和;
F為地下水浮力。
當(dāng)?shù)叵陆ㄖ灾丶暗孛嫔献饔糜谰煤奢d標(biāo)準(zhǔn)值的總和不滿足(1)式要求時(shí),應(yīng)進(jìn)行地下建筑抗浮設(shè)計(jì)。
在具體設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)建筑物的地面上結(jié)構(gòu)外邊線與地下建筑外邊線基本重疊時(shí),地下建筑的抗浮設(shè)計(jì)按以下原則進(jìn)行:
1)當(dāng)結(jié)構(gòu)重量大于地下水的浮力且滿足(1)式時(shí),不必考慮地下水對(duì)地下建筑整體浮力作用,但應(yīng)在設(shè)計(jì)中提出施工中必須采取隔水或降水措施降低地下水位;
2)當(dāng)結(jié)構(gòu)重量小于地下水浮力時(shí),地下建筑肯定要設(shè)置永久性抗浮構(gòu)件或采取其他有效措施以平衡地下水對(duì)整體結(jié)構(gòu)的浮力;
3)上述兩種情況還必須考慮地下水浮力對(duì)地下建筑底板的反向作用,保證地下建筑底板構(gòu)件在地下水反向作用下應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,并滿足構(gòu)件的上拱抗裂要求。
3.2 水浮力計(jì)算
一般情況下,水浮力可以由巖土工程勘察報(bào)告提供的用于計(jì)算地下水浮力的設(shè)計(jì)水位,根據(jù)阿基米德定律依照公式:
(2)
其中,V0為水浮力;F3為地下建筑重力;F4為覆土重力;A為承重地下水浮力作用的豎向受力單元的地下室柱網(wǎng)面積;F1為樁柱重力;F2為承臺(tái)重力;F5為±0.000以上主體垂直荷載。
若計(jì)算結(jié)果v>0,則應(yīng)采取抗浮措施。在浮力計(jì)算過(guò)程中要注意:當(dāng)?shù)叵陆ㄖ娣e與上部主體結(jié)構(gòu)面積相同時(shí),可簡(jiǎn)單比較地下建筑水浮力與建筑總荷載的關(guān)系,來(lái)判斷是否可能發(fā)生上。划(dāng)?shù)叵陆ㄖ娣e大于上不主體建筑±0.000層面積時(shí),或按裙房樓層比較浮力與建筑總荷載,浮力大于建筑總荷載時(shí),應(yīng)以豎向受力構(gòu)件為單元分析浮力的平衡狀態(tài)。
3.3 抗浮設(shè)計(jì)
當(dāng)計(jì)算所得的浮力V>0時(shí),應(yīng)采取抗浮措施,在選擇抗浮措施時(shí),要做到經(jīng)濟(jì)合理,首先要分析工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,并分別區(qū)別施工階段和竣工后使用階段的不同情況。
1)施工階段的抗浮措施。地下建筑物若處于透水系數(shù)比較大的粉質(zhì)粘土、粉土、砂土中,由于正值施工期間,地下建筑的頂板和覆土尚未完成,此時(shí)底板和外墻已施工完成。在地下水的作用下,形成了水浮力,當(dāng)浮力不大時(shí),可以利用排水明溝、集水井進(jìn)行排水,以減少水浮力;當(dāng)土質(zhì)的滲透系數(shù)大,應(yīng)在地下建筑底板中設(shè)置后澆帶,利用板下的墊石作為倒濾層,排除水后,直到地下建筑底板的水排干凈后,澆筑后澆帶的混凝土;
2)永久性抗浮措施。在上面提到利用配重法、抗浮樁法、抗浮錨桿等來(lái)平衡地下水浮力,工程中常用的永久性抗浮措施:抗浮錨桿,由于粘質(zhì)粉土、硬塑狀粘土或風(fēng)化基巖適宜鉆孔注漿,若地下建筑底板下是這些土層,可以利用注漿錨桿法?垢″^桿具有良好的底層適應(yīng)性,易于施工,錨桿布置非常靈活,錨固效率高。由于其單向受力特點(diǎn),抗拔力及預(yù)應(yīng)力易于控制,有利于建筑構(gòu)件的應(yīng)力與變形協(xié)調(diào),降低結(jié)構(gòu)造價(jià),在許多條件下,優(yōu)于配重法和抗浮樁法。
4 地下建筑上浮后處理措施
當(dāng)發(fā)生地下建筑上浮后,應(yīng)盡快采取措施增加配重和降低地下水水位,以減小水浮力,再檢查地下建筑上浮是否造成建筑結(jié)構(gòu)的破壞,破壞過(guò)程是否可以修復(fù)。常用的幾種地下建筑上浮處理方法:1)加載。設(shè)法迅速增加地下建筑的重量,以克服水浮力及地下建筑側(cè)墻與土體之間的摩擦力,使卡在土層中的地下建筑沉回原位;2)抽水?梢栽诂F(xiàn)場(chǎng)重新啟動(dòng)原有的抽水井或另行打設(shè)抽水井以
降低水壓;3)解壓。在地下室底板上鉆孔,以宣泄地下水,此外如果地下建筑外側(cè)有足夠的場(chǎng)地,可以考慮將周邊塌方部分挖除,可以使地下建筑較易于下沉。
5 結(jié)論
地下室的抗浮設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)地下工程具體情況進(jìn)行認(rèn)真分析,正確計(jì)算水浮力與抗浮力,處理好工程整體抗浮與局部抗浮的關(guān)系,選擇合理的抗浮措施,既保證地下工程的安全,又節(jié)省投資。
參考文獻(xiàn)
[1]裴豪杰.地下結(jié)構(gòu)的抗浮設(shè)計(jì)探討,2004.
[2]劉開發(fā).地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)討論,2010.
[3]袁正如.地下工程抗浮設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題,2007.