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地下室抗浮设计如何节约成本?教你如何多方案选择最优解

403 2020-08-07 13:19:31

引言:

随着城市地下空间的开发与利用,地下室抗浮已成为无法回避的问题。根据统计,由于用地紧张及规划条件对停车位的设置要求,绝大多数楼盘中均会设置地下室,其中的多数又设计抗浮问题。在保证项目安全可靠的前提下,选择合理的抗浮设计方案会节省造价和开发工期。


一、地下室上浮的机理和基本条件

水,无处不在,循环于天地间,滋生万物。当水渗入大地,聚焦到工程师的眼睛里,却成了地下工程的最大麻烦。


图1 水的循环

图2 水对建筑物的托浮


浮力问题的实质,其实大家十分熟悉:浮力大小遵循阿基米德原理,浮力等于它所排开水体体积的重量。但由于土体结构的复杂性,水的托浮力又有其多样性:对于砂土、碎石土和节理较发育的岩石地基,可按设防水位 100%计算浮力;粘土地基上浮力与孔隙连通性较好的砂土、碎石相比偏小,理论上可以折减,由于学术界的争论及折减系数的复杂性,一般抗浮均按完全设防水位计算。当水浮力大于建筑物重量时,即产生上浮问题。



二、地下室上浮的类型和破坏特点

地下建筑物抗浮设计是一个复杂的技术问题,由于岩土工程条件及地下水的多变性,特别是缺乏专门系统的研究资料和观测资料,导致认识上的分岐和设计工作的困难和混乱,不断引发地下建筑物浮起、结构破坏事故,或出现不应有的浪费现象。


按上浮的时间和阶段可分为施工阶段上浮、使用阶段上浮和地下室水池临时检修卸载时的上浮。


地下建筑物上浮有整体上浮和局部上浮两种。面积不大的地下建筑物和水池等,常发生整体上浮;面积很大的地下建筑物常发生局部上浮。不均匀的局部上浮造成结构梁柱板混凝土被拉裂,裂缝集中发生在框架节点处,严重削弱裂缝位置的抗剪能力。


图3 北京某在建项目地下室上浮

图4 某仓储建筑上浮倾斜



三、   解决地下室上浮问题的常用手段


目前建筑物通常采用的抗浮措施有两大类:

一是抗力平衡型,即采用抗拔桩、抗拔锚杆或是增加结构自重等,使抗力与地下水的浮力平衡,从而达到构建筑物抗浮的目的;

二是浮力消除型,即通过疏排水措施,使地下水位保持在预定的标高之下,减小或消除地下水对建筑物的浮力,从而达到抗浮的目的。


1. 确定合理的抗浮水位

抗浮设计的关键是准确地确定托浮力,但由于其复杂性,勘察报告往往会给出较为保守的设防水位。对开发类地产来说,通过合适的方式如多方沟通、抗浮专项论证等手段降低设防水位,是最经济有效的“抗浮手段”。根据测算,地下水位降低1m,可节省工程造价约250元/m2,对于单层地库面积动辄几万平米的项目,成本节约相当可观,并可削减工期。


2. 配重法

配重法在各类工程条件中均适用。根据抗浮要求,通常在底板上增设回填层,填入土、砂、石、混凝土等材料并分层压实,利用回填物增加工程自重。配重法基本不受地质条件、施工环境的影响,设计和施工均较简单,因此在抗浮要求不高的情况下常常作为设计之首选。


3. 基板延伸法

基板延伸法是配重法的一种发展,就是利用在底板外挑部分即翼板上堆载回填物作为配重。这种方法的优点是可以增加较大的附加配重,有利于抵抗浮力作用的发挥。缺点是,为了要延伸基板,开挖的范围将相应加宽,土方及使用土地面积也将因此而加大。此法只适用于不受场地限制的小规模地下结构物的抗浮。


4. 抗浮锚杆和抗拔桩

抗浮桩利用桩侧阻力起抗浮作用,单桩承载力大,不过受环境条件、施工条件影响较大,造价较高。抗浮锚杆则利用锚杆与砂浆组成的锚固体与岩土层的结合力作为抗浮力,其造价相对低廉,施工方便、受力合理,近年来被广泛应用。


图5 抗浮锚杆


5. 盲沟排水法

盲沟疏导地下水工艺是在地下建筑外墙四周或底板下部,系统的布置永久性的排水盲沟,当地下水达到盲沟标高处时,水通过集水管上的空洞进入集水支管,再通过集水支管汇集到集水井,然后通过排水总管流入流泥井。在流泥井处设置抽水泵等机械排水设备或是由排水管道直接排入天然河道或雨水系统。


只要能确保盲沟通道内的水能流出,盲沟的标高可随意调低,从而可有效的减小地下水位。



图6 截水盲沟系统示意

图7 盲沟剖面


要充分发挥盲沟排水法的效率保证地下室的抗浮安全,需要满足一定的适用条件:

1. 地层赋水及土体渗透系数不宜太大,较适用于基岩地区及渗透系数较小的粘土、粉质粘土地区

2. 排水盲沟顶标高应在临界水位以下(可满足结构自重抗浮时的水位标高),且场区四周有顺畅、永久的出水口

3. 地下建筑物占地面积不宜过大,占地面积过大水阻势必加大,易造成盲沟堵塞,水流不畅

4. 如建筑物底板标高高于出水口,可在底板下同时增加排水盲沟,结合外墙四周的盲沟可更有效控制地下水


6、截排减压法

截排减压法是利用基坑开挖时设置的止水帷幕,如地下连续墙,搅拌桩或旋喷桩等“截”,利用减压井等结构“排”,截排联合的抗浮手段。截排原理如下图所示,减压井采用无砂混凝土,设计成方便维护、易维修的结构,减少其淤堵概率,确保长期有效运行。


图8 某项目截排减压方案    

图9 运行期间的减压井


显然并不是所有的地层都适用截排减压技术。当地层存在地下水相对补给充分的强透水层时,可优先考虑截排减压抗浮。此地层中进行截排减压抗浮,基坑内外的主要水力联系通道已被止水帷幕“截”断,经绕渗进入坑内的水量相对于地层中强透水层的导水能力而言,是“小量”。能够轻易地被排水结构(减压井等)排走,从而有效减少作用在地下室底板上的水压力,实现减压抗浮的目的。


由于使用条件的限制,截排减压方案在工程中应用不多。但由于截排的联合,使得排水减压抗浮方法在经济、工期及环保等方面与常规抗浮方法相比拥有巨大优势。


我国南方某公建项目紧邻江边,地下室两层(单层面积7.5万m2),采用截排抗浮方案对原抗拔桩方案进行优化,并令底板的配筋有效减少,总计节约成本约 1 亿元。项目2007年建成运行至今,状态良好,实测总出水量700方/天,远小于计算值,抽水电费与抽出水的利用费用平衡,实现了良好的经济效益。


7、支护桩兼做抗浮措施的讨论

工程支护桩造价较高,通常地下结构完成、土方回填完成后即完成使命,用其兼作抗浮是从资源重复利用的角度提出的。


图10 支护桩与地下室连接方式

图11 底板钢筋与支护桩的连接


此方法适用范围较小,针对地下室面积不大或长度较大宽度较小的狭长地下室效率较高。若地下室长宽均较大,即使地下结构满足整体抗浮要求,也将引起结构内部较大的应力,引起结构顶板配筋增加较多,局部抗浮安全值得关注。且此方法并不能完全取代常用的抗浮手段,故在房地产开发项目中不推荐使用。



四、关于抗浮设计的建议

抗浮单项设计不是单一设计,往往需要与基础选型、施工周期等通盘考虑,再加上场地地形地貌、水位变动情况等因素,很难说哪种抗浮方式最为经济有效。我司项目抗浮方案均是在考虑上述因数的情况下,通过经济技术比较后敲定的。


如前所述,抗浮水位是抗浮设计的“因”,若项目勘察报告提供的抗浮水位明显高于周围地块或不合常理,建议通过专项咨询的形式降低设防水位,这样最直接最经济,应该首选。


盲沟排水法在各个地区的使用,均取得了很好的效果。因此如果场地、地质条件允许,且存在安全的排水出水口,建议尝试盲沟排水法,其经济性优于其它抗力平衡性措施。


截排减压法重点在于“截”水,其排水涉及后期运营费用问题,但一次投资经济性好,且能节约工期。综合考虑施工时基坑支护形式、排水费用和抽水利用费用平衡的基础上,通过专项设计,在写字楼和商业等公建产品中选择使用。


表1 各种抗浮措施的特点对比  

1) 表中采用“★”表示优劣对比,得分最高的为五星,最低为一星;

2) 表中“-”表示需根据具体项目对比才能确定优劣;


抗浮单项设计也不仅是单专业设计,根据场地地形选择合理的地下室排布方式、通过合理的管线排布等降低地下室层高等,都是十分有效的减少营造成本的方式。



五、对抗浮设计安全的思考

抗浮安全是建筑物安全的重要组成部分,相对于上部结构的安全系数来说,抗浮安全系数是偏小的,抗浮安全可靠度一直是业界争论的话题。在高水位地区,结构抗浮费用较大,安全系数提高,将会引起结构造价的增加。


从设计的角度出发,至少有两个有利因素:

1. 勘察部门提供的抗浮设防水位是已经综合考虑了各种不利因素后确定的水位;

2. 抗浮验算中不计外墙与土层之间的摩擦力,这部分抗力可作为安全储备考虑;


浮力消除型措施目前应用较少,主要是因为多数的工程师对盲沟或其他截排措施的可靠性和耐久性存疑。但从目前全国使用情况来看,盲沟消除型的抗浮措施是安全可靠的。


抗力平衡型措施中,当水浮力大部分或全部由结构自重和填料重量平衡时,其抗浮稳定安全系数小;当水浮力大部分由抗拔构件的抗力平衡时,其抗浮稳定的安全系数大。



六、结语

地下建筑物的抗浮措施与地下建筑物的具体情况和多种因素相关,往往需要采用综合性方法予以解决。在项目实践中,需要结合项目具体情况,利用有利条件,比选出最适合的抗浮方案,在保证安全的前提下,节约造价,节省工期,实现产品溢价。