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岩土研究院

地下室抗浮问题的原因分析和应对措施

469 2020-12-17 11:42:03

提要:本文针对地下室抗浮问题提出一些看法和应对措施,以防止地下室浮升、结构破坏、底板裂缝、漏水等事故的发生。

问题的提出

当今城乡建筑大量兴建,因人防、地下停车场、机器设备用房的需要,配套的地下室随处都有,少则一层多则好几层,随之带来了许多问题,其中地下室的抗浮是一个大问题。

常言道:“土好挡水难防”,可见水对地下室问题的严重性。地下水有它的隐蔽性,往往被人们所忽视,没有充分估计它所带来严重后果,给日后留下严重的后遗症,其危害极大,我们可以通过工程实例来说明抗浮设计的重要性。

工程实例

A工程:地面以上建有多幢小高层建筑,地下一层连成一片,地下室顶板面大部分为空旷绿化带,没有较大的压重。正当施工顶板面层又未堆土之时却遇到连续大雨未过二天地下室地面有明显隆起,最大处隆起有三十余公分,呈明显的倒锅底形(见图一),且底板出现很多通长裂缝,部分柱子上、下端开裂,钢筋裸露。对照图纸,地下室隆起和裂缝处均在小高层楼房之间的纯地下室范围。上面有楼房的地下室底板却无任何问题。经了解,设计抗浮水位是根据勘察报告提的指定水位,约低于地面2米,核对计算书从纯理论上看有根有据也无大错。再了解施工情况,底板下垫层为石子灌砂再做一点简易的找平层,侧墙外采用周围的建筑拉圾土快速推填,这些给后期留下了隐患。经现场底板钻孔,立即有水喷射出来,形成几米高的水柱,这现象证明地下室底板下有水压,可想大雨内涝期间水压更高。后来在地下室四周挖坑抽水,室内小孔水柱高度才慢慢下降。查看地质资料:该场地有很厚的淤泥层,透水系数也很小,本可看作不透水层,但底板下却有强大水压力还是造成了上述事故。

图一 地下室横剖面起拱示意图

B工程:地下二层,柱网9米×9米,底板底深约10米,底板厚500,上下配Φ16@200双向。地面以上可分东、西二区,东区地上一层,西区地上五层。在施工后期清扫西区地下室底板时发现有明显裂缝,并从裂缝中有水渗涌,要不断抽水。当初东区还没有上述迹象。时隔不久多日下雨后,东区发现柱墙裂缝,又观察到房屋有上升现象,测量后最大处有二十余公分。奇怪的是西区出现裂缝时东区尚未发现问题,而过了一段时间,几天雨后东区也暴露出问题。经了解,该工程东、西区存在二种地质情况,西区底板下为凿平的岩石,东区为於泥;侧墙填土采用黄土分层夯实,施工质量还是比较好的。另外了解到设计时按地质报告指定的水位,低于±0.001米。后据了解在计算时对地下水浮托力人为地打了折扣。结果导致发生上述工程事故。

其他工程事故不胜枚举,诸如地下室上升、底板裂缝、漏水,结构破坏。这些事实客观地反映了因地下水的浮力引发出工程事故。

原因分析

众所周知,水有浮力,水可载舟,同样水对地下建筑有浮托力,主要是对其严重性估计不足,措施不到位。广大设计人员也都曾注意到了,那么为什么还是事故频频?通过一些事故案例的进一步分析就可以看出其问题所在,这里提出个人看法供大家参考。

一、设计地下水位取值偏低,不符实际自然情况;有的设计者按规定根据地质报告中给定的抗浮设计水位来验算,其实地质报告中当时给定抗浮水位与日后建筑总体标高,拟建筑物的实际可遇最高雨天内涝水位不是一回事,此标高反而起到了误导作用,如本文A工程,地质报告中给定的抗浮设计水位与实际最高水位相差较大,即每平方米有1吨多的浮力无形中被漏算了,无凝在抗浮设计时埋下了隐患(见图二)。

图二 一层地下室剖面示意图

A工程为例:

底板抗浮计算:

向下竖向荷载:填土0.8x18=14.4KN/m2

顶板0.25x25 =6.25 KN/m2

=0.95 KN/m2

底板 0.4x25 =10 .0KN/m2

31.60 KN/m2 (已填土)

16.95 KN/m2 (未填土)

水向上浮力:

情况1:如按静止水位Hdh0=2.7m计算

则浮力为 2.7x10=27 KN/m2(↑)

情况2:如按洪水位则h0=3.9m计算

则浮力为 3.9x10=39 KN/m2(↑)

情况2时即水浮力为39 KN/m2

39 KN/m2>31.60 KN/m2

>16.95 KN/m2

显然,任何时候均不安全,抗浮不足部分要靠抗拔桩的抗拉作用了。地下室柱网为6.6mx6.0m,需要抗拔桩的最大抗拔力为(39-16.95)x6.6x6=873.18(KN),实际抗拔桩的抗拔力没有那么大,因此地下室还是会向上起拱。

二、设计时计算地下水浮力时乘上小于1的折扣系数,使浮力设计值偏小,这样也在不安全因素。本文B工程主要是主观上将水浮力打折使底板设计偏薄,配筋偏小而造成了工程事故。

三、设计时对抗拨桩的设计承载力取值偏高,特别是预制管桩,光滑的圆断面桩在饱和土浸水条件下其抗拨能力是很低很低的,一旦被向上抽拨,扰动后桩的抗拨力将完全丧失。设计时往往直接采用正常情况下抗拨试验值或理论计算值,实际上是达不到设计值的。A工程即是一例。

四、验算时往往是全额计入了上部平衡压重,未分施工期和使用期,实际上是地下室刚封顶还来不及做其他项目时雨季却好来了,这是一个非常时期,也是最不安全时期限。A工程也可以说明问题。因此对施工期也要进行验算,并提醒施工单位做好预案。

应对措施

如上述种种不利因素碰上一、二条或几条凑在一起就会发生事故。其实针对上述原因采取有效措施是完全可以避免事故的发生或尽量减少事故发生,为此笔者提出以下一些建议,供参考。

一、合理确定地下室抗浮设计水位,以客观水位--最高(洪水)内涝水位为基准水位(Hw),它与设计标高±0.000无关,也与地下静止水位(Hd)无关。在验算地下室总体抗浮时可以减去地下室顶板以上的水头高度h1,实际上抗浮设计水位即为标高为H1,而不应采用地下静水水位Hd

即整体浮托力计算水位高度为ho

ho=hw-h1 (如图三)

图三 地下室水位示意图

而在计算地下室局部底板的抗剪、抗弯、抗裂和变形计算时则应以最高水位来纳入计算,其水头高度取hw,不再减去h1。底板的厚度、配筋在设计时还要与人防规范相配合。

二、地下水浮力不应打折扣。有些文献和有人主张计算地下室浮力时可以根据不同土质和土层构造凭经验乘上小于1的折减系数,有的建设单位为了压低投资额将折减系数取值又很小。我认为这是比较冒险的,没有安全保障。时间长了问题就会暴露出来。因水的连通性极强,无孔不入,防不胜防,只要有一个小孔或是蚁穴、或是鼠洞、或是土层微小裂缝,水就会渗入,慢慢贯通。同时施工地下室必然会对土进行拢动,铲、挖再填,破坏了原始土的紧密结构,难免留下缝隙,一旦见水就会顺裂隙渗入直至贯通形成上下地下水的通路,类似水连通管,地下水最后与地下室底板下的水连成一片,此时就形成地下水对底板的浮托力。此浮托力只与地下室主体投影面积有关,与水通路大小无关,只不过快一点或慢一点;早一点或迟一点。有的带有上部结构压重的工程,因施工快,工期短而躲过了雨季,侥幸避开了一场灾难。按惯例,在结构计算时凡荷载项都乘上大于1的荷载系数。对地下水浮托力也应视为结构的外力。本应乘上大于1的系数,以往计算却反而乘上小于1的系数,细想对比一下是不符合逻辑的。也可见B工程因底板太薄,配筋不足。造成事故。笔者认为应足额计算地下水(Hw)的浮托力,一律不打折扣,“以不变应万变”。这样长期安全才有保证

三、应选用抗拨性能较好的桩型。如:扩底桩、挤扩桩、挖孔桩、底锚钢筋水泥搅拌桩、锚杆等,必要时可做后张预应力,以减少用钢量;当采用桩外做预加应力支座时还可事先检验抗拨力。总的目的是加大桩对土体的自然性依赖,加大抗拨桩的实际抗拨力。做得巧可达到事半功倍的效果。

四、桩的抗拨力取值不能偏高,而应偏低,应从长远考虑使地下室对抗浮设计有安全储备。

五、要充分利用连体结构:当处于二幢或几幢层数较多建筑之间的地下室框架权当二端有压重嵌固的空腹桁架来进行设计计算;当一面有层数较多建筑而另一面为单纯地下室时则可将此地下室框架作为悬挑空腹桁架来进行设计。

六、要加大地下室本身和上部压重。在使用期有的地下室上部有多层或高层建筑则其投影下的地下室抗浮是没有问题的,但其露天部分或纯地下室当未采用以上一些措施时或事故处理时应另加压重,其压重总量应大于地下水最大总浮力,这是最笨重但又是最可靠的办法。


结论

为使地下室不浮、不裂,则应认真对待地下室抗浮问题,设计时要慎之又慎。要准确决定可能遇到的最高水位,整体抗浮验算的水位用地下室顶板板面标高H1(见图三);局部底板强度、裂缝、变形验算时用最高水位Hw(见图三);对地下水浮力要全额计算,不打折扣;要选用真正能起到抗拔作用的抗拔桩;对抗拔桩应作相同环境下的抗拔试验;抗拔桩抗拔力数值的采用应严格控制,不能单凭土层计算参数作依据;为了地下室整体抗浮的安全,必要时要充分发挥结构自身的结构有利作用和建筑物内外自身平衡来确保地下室长久永安。