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岩土研究院

地下室抗浮加固的若干有效措施

757 2020-08-05 17:33:28

摘要:

通过对地下室抗浮设计的基本原理的基本认识及了解,分别详细介绍了地下室抗浮加固的几种主要重要措施,为地下室抗浮设计及既有地下室抗浮加固提供有效处理措施。


∎引言

近年来,地下空间的应用越来越广泛,地下空间的开发和利用越来越受到重视,地下室的埋深也越来越大,因此建筑物的抗浮问题也越来越突出。随着地下空间开发利用的日渐增多,相关的工程质量事故也出现得较为频繁,地下室工程质量事故包括结构开裂、渗漏或承载力不足等情况,在地下室抗浮设计中,水浮力的取值以及地下室抗浮设计计算方法是两个主要方面。由于地下水位在暴雨天气接近地表,因此近年来有关抗浮设计的质量事故也逐渐出现。地下结构物建筑面积大、基础埋藏较深,建筑层数相对较少,在历史最高地下水位情况下,结构自重不足以抵抗地下水的上浮力,地下结构物的抗浮问题日益突出。


一、地下室抗浮设计的基本原理

1、地下室最主要破坏形态即为抗浮破坏,因此抗浮设计显得尤为重要。


2、水对地下建筑物的浮力大小遵循阿基米德原理,水对物体的浮力等于物体排开同体积水的重量{即基底单位面积所受的水浮力为γh的(γ为水的重度,h为建筑物基底以上的水深)}。当水浮力强度大于地下建筑物单位面积的重量时,建筑物即可浮起,当水不断补充时,建筑物将不断上浮,所以,建筑物浮起是一个渐进过程。水量的大小只是控制着建筑物上浮速度和上浮量,而水位高低则是控制建筑物上浮的基本要素。


3、地下室与潜水艇的根本区别:

地下室底板除受水浮力外还受土反力,而潜水艇底板只有水浮力。(注意此时的地下室基础形式,若为独基+防水板,防水板是不允许受土反力的,而只受水浮力作用;基础范围均受土反力与水浮力。)潜水艇完全沉没在海里面时,其所受总的浮力是个定值,因为此时排开水的体积不再变化,即为:顶板向下水的压力+自重=潜水艇底板向上水的压力。

地下室抗浮设计中,力的平衡公式:F顶板表面(定值)+G地下室自重(定值)=P基底土反力(不允许为0)+水浮力。从中得出:即随着地下水位的上升,水浮力逐渐增大,土反力逐渐减小,若基底土反力小于或等于0时,地下室出现整体抗浮破坏。当水位在地下室顶板或者超过顶板面时,地下室整体所受的水浮力是个定值。注意:地下室顶板所受的荷载大小是个定值,跟有没有水不相干;而地下室底板所受的水浮力(γh)大小只与水头高度相干,随着水头高度变化而变化。


4、在抗浮中起有利作用的及一些自身安全储备有:

a. 地下室的自重和覆土重对抗浮有利;

b. 地下室底板与土(存在水的情况)存在张力作用;侧壁的回填土(质量要有保证),对侧壁有个摩擦力。


5、地下室抗浮验算:

《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012的3.2.4条的第1.2款规定:“当永久荷载效应对结构有利时,组合分项系数不应大于1.0”。

在地下室整体抗浮验算中,永久荷载对结构有利,荷载分项系数一般应取1.0。

广东省标准《建筑地基基础设计规范》DBJ 15-31-2016第5.2.1条规定,地下室抗浮稳定性验算应满足式5.2.1的要求:

W/F≥1.05(5.2.1)

式中 W——地下室自重及其上作用的永久荷载标准值的总和;

F——地下水浮力(标准值)。

水浮力+土反力


二、抗浮加固的主要措施

一般来说,工程中抗浮设计方法大致采用4种,压重抗浮、工程桩抗浮、抗拔锚杆抗浮、排疏水法抗浮。配重法主要是通过增加底板或者顶板的重量去平衡地下水的浮力,施工比较简单,对于地下室净高要求能满足的是一种较好的抗浮加固措施。抗拔桩一般设计原则是柱底打桩,做法与承压桩类似,但因为地库一般柱距较大,跨中通过底板变形传递水浮力,所以一般需要底板有足够的刚度,因此板厚以及配筋都不会很小,需要投入较高成本,工期较长,经济效益较低。与采用抗拔桩比起来,只要土体分布合适岩石层埋藏较浅,抗拔锚杆能够有效的缩短工程工期(施工简单)以及降低造价,再加上其施工机械小,灵活便捷,能够在窄小空间内作业,这也成为它备受认可的优势之一。“地下室疏排水”或“释放水浮力法”是指采用明排的方法,将渗出基底的地下水通过疏排水系统收集排走,从而完全或部分消除底板水压,取消或减少抗浮构件及降低底板负荷。也可称为“排水减压”。

1、压重抗浮

抗浮失效(建筑物倾斜或出现裂缝)是由于建筑物自重小于地下水浮力造成的,因此解决此问题最简便的办法就是增加建筑物自重,比如在地下室顶板部位覆盖一定厚度的土层。对于土体的选择,不同地区可结合当地地质条件,就近选择可利用覆土材料。对相关范围内地下室底板不满足抗浮承载力要求的采用新增叠合板加固处理,并可考虑提高后加叠合板混凝土的容重。


2、工程桩抗浮

工程桩,就是在工程中使用的,最终在建构筑物中受力起作用的桩。按承载性状可分为摩擦型桩和端承型桩,工程桩基础大多是现浇大直径柱,整体性好,工程桩周围与土层间摩擦力大。但同时也应当注意工程桩在使用过程中经常会出现的裂缝及耐久性较差的问题,因此在地下室结构抗浮设计中使用工程桩抗浮应当对于使用过程中可能涉及到的桩体变形问题进行有效预估。


3、锚杆抗浮

锚杆抗浮是建筑工程地下结构抗浮措施的一种,在建筑物采用天然地基且基岩情况下,锚杆抗浮是地下室抗浮设计很好的选择,锚杆抗浮为抗拔桩体承受拉力,普通抗浮桩受力也是自桩顶向桩底传递,桩体受力大小随着地下水位的变化而变化,因此当地下水压力较大,松散砂层太厚,锚杆受到的拉力也随之发生变化,不宜采用锚杆抗浮,这种情况下如果采用锚杆,就会产生较大的变形,不利于结构稳定,造成抗浮失效此外,当软弱土层较厚或锚杆自由段过长时,这种方案抗浮也是不合适的,锚杆自由段长其永久防腐蚀措施要求就较高,工程费用也会显著增加。

普通抗浮锚杆大样


4、排疏水法抗浮

排水法抗浮主要是通过修建排水盲沟将地下室周围的地下水自流排到较低区域,这种方法只适用于建筑场地标高相对于周围地面较高或附近有较低水位的排水系统工程中,不能普遍使用当前比较流行的一种排水法抗浮是标准静水压力释放系统,该系统通过多孔聚乙稀排水管网将地下水位降到地下室底板以下,使地下室地板不受或受很小的水浮力,能够有效地防止地下室上浮。基坑开挖降水后,基坑内外形成水头差,地下水通过在土体渗流,绕过止水帷幕的底部,流入基坑内部。当坑底附近土体隔水较好或止水帷幕可以有效隔断透水层时,地下水的渗流将十分缓慢,坑内日渗水量少,抽水负荷低,短时间抽水即可维持水位低于坑底或目标标高 。在低渗水量条件下,采用“排水法”代替常规的抗拔桩或锚杆成为可能:在地下室底板以下设置永久的疏排水系统,系统的排水速度和能力可设计为最不利渗水工况的数倍甚至数十倍以上,将渗入系统中的少量地下水迅速排离,则可轻松达到控制水位的目标。

新增集水井大样


三、地下室抗浮设计中存在的常见问题

1、只重视地下室的梁、板、柱、墙的结构构件设计,忽视整体抗浮验算分析,忽视施工的抗浮措施,总认为具有上万吨自重的地下室不会浮起来;


2、地下室底板裂缝、漏水,甚至成为地下游泳池,把某些实质上是因为地下水的作用远大于设计荷载而造的工程事故,错判为温度应力作用、混凝土施工质量问题等;


3、对于基底为不透水土层的地基(基岩、坚硬粘土),深基坑支护又采用了止水帷幕或桩、锚、喷射混凝土联合支护,忽视水的浮力。

为防止地下室整体上浮我们通常采用两类做法,一类为“压”,一类为“拉”。当采用“压”的做法时,利用建筑的自重(包括结构及建筑装修、上部覆土等,不含楼面活荷载)平衡地下室水的总浮力,当不能平衡时,必须增加“拉”的做法,即采用桩或锚杆等来抵抗地下水的浮力。无论是“压”还是“拉”的做法,都必须进行整体抗浮验算,保证抗浮力(压重+抗拉力)大于水的总浮力。

局部抗浮验算,除了梁板墙柱结构构件的强度验算、变形验算和裂缝验算,还应包括局部的抗浮验算,对于大面积地下室上建有多栋高层和低层建筑,建筑自重不均匀,当上部为高层或恒荷载较大时,该范围的整体抗浮能力可能较高,但上部没有建筑或建筑层数不多的局部范围,特别应进行分区、分块的局部抗浮验算,例如:柱、桩、墙的压力或拉力能否平衡它所影响区域里的水浮力总值。


四、总结

当遇暴雨使地下水位升至地表时,仅靠地下室自重抗浮是不足的,必须考虑使用期间的抗浮问题。地下室的加固处理除针对梁柱和底板裂缝外,还应对地下室整体抗浮进行加固处理。结合实际工程情况抗浮加固处理措施可以采用降排水法和打设抗浮锚杆以及配重法等方式进行,但考虑尽快恢复地下室的正常使用以及节省成本造价,加固方案可以多种组合方式的加固施工方案。本文提出采用疏排水法作为地下室抗浮加固措施,该措施方法综合用了结构工程专业、岩土工程专业、建筑给排水专业的知识领域,系统地将“泄压减浮”技术成功应用到房建工程,极大节省地下室抗浮方面的工程造价并缩短了施工工期,具有良好的社会效益和经济效益。