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岩土研究院

地下室抗浮设计常见问题及要点分析

905 2020-12-02 11:42:03


地下室抗浮设计常见问题及要点分析






00 前言


随着经济的发展、城市人口密度的不断增加,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越来越突出,尤其在南方或者滨海地带,由于地下水位一般比较高,地下室的抗浮设计成为影响工程安全和造价的重要问题。近年来,部分地下建筑结构因降雨影响,地下水位升高,出现了一些地下车库上浮破坏的工程事故,如某体育中心游泳馆,地下室上浮造成上部结构梁、板、柱产生大量裂缝,有些构件丧失承载能力;某高层建筑地下室底板局部隆起高达350mm,柱间板出现45°破坏性裂缝。某医院两层独立地下车库,在施工过程过程中出现整体上浮,最大上浮高度达到1.42m。近日,由于出现连日强降水,2020年7月11日,南昌万科天空之城又出现了因地库上浮,地下室40多根承重柱剪断,墙体开裂、顶板开裂质量问题。(见图片)


诸如此类问题时有发生,造成了不良的社会影响和巨大的财产损失。究其原因,既有现有抗浮各规范不统一、抗浮设计概念不清、水浮力传递途径混乱、抗浮节点构造不合理等方面因素,也有施工阶段未重视抗浮设计、忽视地表水浮力不利影响等原因,为避免类似现象发生,结构设计人员在地下室抗浮设计时,必须重视以下几个方面要点。



01 合理确定抗浮设防水位


《高层建筑岩土工程勘察规程》JGJ/T72-2017规定了勘察单位分析提出抗浮设计水位的合理建议,并规定了抗浮设计水位确定原则:1.抗浮设防水位宜取地下室自施工期间至全使用寿命期间可能遇到的最高水位。该水位应根据场地所在地貌单元、地层结构、地下水类型、各层地下水水位及变化幅度和地下水补给、径流、排泄条件等因素综合确定。当拟建建筑物区域有长期水位观测资料时,按照最高水位和地下室使用期间水位变化,结合当地经验修正后确定。2.施工期间的抗浮设防水位可按勘察时实测的场地最高水位,并结合季节变化导致地下水位可能升高的因素,以及结构自重和覆土尚未施加时,浮力对地下结构的不利影响等综合确定。各勘察单位往往根据各自的理解和当地经验确定,差异较大,如遇到50年一遇、甚至100年一遇的极端天气,极有可能会超过设防最高抗浮水位,直接导致地下建筑抗浮设计不足。

抗浮设计水位是勘察单位根据已有水文地质资料,对工程所在地结构使用年限内地下水浮力作出的判断,只能事后验证,无法进行即时检验,受勘察资料数量和准确性的影响较大。由于抗浮设计水位是结构设计的一个重要的设计参数,对地下结构的费用影响较大,加之规范对抗浮设防水位确定较模糊,有开发商为节省投资,抱有侥幸心理,人为干扰勘察单位合理确定抗浮设防水位。加之有些设计人员对地下水的作用认识不足,抗浮设计的基本概念不够清晰,对勘察资料提供的抗浮设防水位不加分析,直接使用,认为只要按照勘察资料提供的抗浮设计水位进行设计,自己就没责任。

鉴于抗浮设计水位对结构安全和费用影响大,抗浮设防水位确定时,需根据建筑使用功能、场地历史最高水位、长期水位观测资料、地下水补给和排泄条件、勘察报告建议、水位预测咨询和当地工程经验等因素,按施工阶段和使用阶段分别确定。对水文地质情况复杂、水位变化幅度大、工程建设可能导致地下水补给和排泄条件改变等情况,抗浮设计水位建议采取专项论证确认。



02 同步进行整体抗浮和局部抗浮验算


实际中,在同一整体大面积地下室上建有多栋高层和低层建筑,而地下室面积大,形状又不规则,加之局部上方没有建筑,此类抗浮问题也相对比较难以处理,须作细致分析处理。

大面积地下室,其上部往往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,该范围的压重较大,有很大的抗浮余量,而上部没有建筑或建筑层数不多的范围,压重可能不能平衡水浮力的作用。有设计人员利用上部结构自重抗浮,只计算上部结构总自重标准值大于总的水浮力设计值,就认为抗浮设计满足要求,未分析其上部自重荷载的分布和抗浮力的传递途径,造成局部范围因抗浮压力或拉力小于水浮力,导致底板隆起,甚至造成地下室及上部结构构件大面积破坏。因此必须同时进行整体和分区、分块的局部抗浮验算只有整体抗浮和局部抗浮均满足要求,才能保证建筑物抗浮安全。当整体或局部抗浮不足时,可采用“压”、“拉”、“压拉并举”和“传”等方法,来平衡向上水浮力。所谓“压”,就是利用建筑的自重(包括结构自重、建筑装修、上部或四周覆土等)抵消地下水的总浮力。“拉”就是设置抗拔桩、锚杆等,强制拉住建筑防止上浮;“传”就是通过增加局部梁板刚度,将该局部范围水浮力传递、过渡到周围荷重较大的构件上。利用周围的荷重富余量,来抵抗局部范围地下水的浮力。



03 理清水浮力传递途径,合理设置抗浮构件



理论上说,无论是采用“压”还是“拉”的方法抵抗水浮力,一般情况下,水的浮力总是均匀向上作用在底板上,而结构抗浮力作用,基础底板自重(含基础底板上恒载)是均匀向下的。一般情况下,建筑物上部荷重和抗浮构件都具有不均匀性,并不是在整个地下室底板区域均匀分布的,可能是集中在一个点上(即柱、桩和锚杆)或一条线上(即墙、梁),因此,分析搞清其传力途径,对抗浮设计尤为重要。

从力的传递概念来看,柱间板底的水浮力先首先传至板底,然后由板再传至梁(或墙),再由梁传至柱,形成抗浮力的完整结构体系。

由于与柱、墙相连的梁板一定范围内具有一定的刚度,水浮力可直接与上部结构自重平衡,而远离梁、柱、桩、墙的板自重很难用自重平衡,因此自重与水浮力平衡可分成两种区域计算:柱、墙影响区域和纯底板抵抗区域。

在抗浮设计时,若采用抗浮锚杆法,抗浮锚杆数的计算应分两种区格进行,即柱、墙、梁影响区格和纯底板区格。在柱、墙、梁影响区格中,应充分利用上部建筑自重进行抗浮,其计算方法是每平方米的水浮力除以梁、墙可以传递的建筑自重线荷载,得到影响区域的宽度。纯底板区域的计算方法应是抗浮锚杆设计承载力除以每平方米水浮力(扣除底板及其上荷重),得到抗浮锚杆的受力面积。同时需注意,梁要将该荷载传递到柱、桩上,该梁必须有一定的结构刚度,并根据其跨度计算其强度、裂缝宽度,满足规范要求,以确保梁能将实际的受力荷载传递给柱、桩、墙形成力的平衡。

在抗浮设计时,若采用抗拔桩方案时,一般情况下,将抗拔桩设置在柱(墙)或基础梁附近,这时基础底板必须满足强度、刚度和裂缝要求,方能将水浮力传递至周边梁、墙上,然后再传到柱上,通过上部建筑物荷重和抗拔桩,抵消地下水浮力。计算方法为,每平方米水浮力扣除底板及其上荷重,按刚度分布到四周梁墙柱上,减去上部建筑物荷重,剩余水浮力,通过抗拔桩平衡。

如果由建筑物自重完全平衡水浮力,基础底板、基础梁必须有一定的结构刚度,并满足强度、裂缝宽度要求,方能有效传递和平衡水浮力。



04 重视地表水作用,加强施工阶段抗浮设计



地下水位及其变幅是地下室抗浮设计重要依据,实际地下室抗浮设计中,往往只考虑正常使用极限状态,对施工过程和洪水期重视不足,因而会造成施工过程中由于抗浮不够出现局部破坏。

地下建筑抗浮设计时,有些结构设计人员往往只重视地下水、承压水和径流影响,常常忽视地表水的不利影响,造成了在施工阶段和使用阶段的建筑物上浮破坏现象。特别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,地下室底板和侧墙形成了一个密闭的空间,极易形成“脚盆”效应,基坑成为“大脚盆”,地下室就是“小脚盆”。一旦暴雨来临,地面的地表水流入基坑,无法排出和透渗土壤,基坑这个“大脚盆”和地下室“小脚盆”间充满了水,对建筑物造成不必要的抗浮破坏。

在施工过程中,一些施工人员不关注降水或在抗浮结构未达到设计预定目标时就停止降水,浇筑封闭后浇带,造成了事实上与设计抗浮条件不符合的现象。特别是在降雨季节,施工阶段未采取相应排水、泄水压力等措施,致使地下室发生上浮事件。

其实,有关规范对施工阶段抗浮,也有相应的规定。如《地下室防水技术规范》在第10章中明确规定了,“明挖法地下室施工时,地下水位应降至工程底部最低高程500mm以下,降水作用应持续至回填完毕”。

建设部《建筑工程设计文件编制深度规定》第4.4.3条,规定了“地下室抗浮(防水)设计水位及抗浮措施,施工期间的降水要求及终止降水的条件等。因此结构设计时,应在设计文件说明中明确提醒,这些规定都是多年经验的总结,设计和施工阶段,我们都应严格执行,确保工程质量。

地下室抗浮设计牵涉到设计、施工、监测、验收和维护等方面,对工程安全和投资造价影响较大,必须结合当地地方经验,因地制宜,精心设计、严格施工,确保工程质量安全。





稿源:瀚联设计

作者:谷春雷(国家一级注册结构师,高级工程师)

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