地下室結構抗浮設計中常遇問題及解決措施

陳 穎

0 引言

近年來,隨著國民經濟的發展,人民生活質量的不斷提高,這也促進了城市建設的發展,高層及超高層建筑的涌現,基礎埋置越來越深,同時作為車庫等功能的廣場式建筑的純地下室部分,裙房或相對獨立的地下結構物(如下沉式結構,地下車庫,地鐵,地下商場等)的開發和利用越來越多。由此,地下結構物的防水與抗浮問題日益突出,埋深較大的地下室抗浮問題就顯得尤為重要。因為浮力的存在,會對地下結構及上部結構產生破壞:地下室底板隆起,導致底板破壞;地下建筑物整體不均勻浮起,導致梁柱節點處開裂和底板破壞以及建筑物的傾斜等。

如何解決地下結構物的抗浮問題目前已經成為一個經常面臨的問題,引起工程師的廣泛關注。

1 抗浮水位的選取

建筑設防水位的確定對建筑物的安全和投資有著重要的影響。很多文獻指出巖土地基中的地下水浮力的確定不能簡單按靜水壓力公式計算,即地下水的水壓力在垂直方向上并非隨深度增加而線性增加。《鐵路橋涵設計規范》也規定:位于粉砂類土、碎石類土、粘砂土等透水地基上的墩臺,當驗算穩定時,應考慮設計頻率水位的浮力;若持力層為不透水的黏土以及位于巖石(破壞、裂隙嚴重發育除外)的基礎且基礎混凝土與巖石接觸良好時,不考慮浮力。《巖土工程手冊》中提到,當建筑物位于粉土、砂土、碎石土和節理裂隙發育的巖石地基時,按設防水100%計算浮力;而當建筑物位于節理裂隙不發育的巖石地基時,按設防水位50%計算浮力;當建筑物位于黏土地基時,其浮力較難準確確定,應結合地區的實際經驗考慮。《鐵道設計規范》條文說明指出:在驗算結構抗浮穩定性時,對浮力、抗浮力的計算及抗浮安全系數的取值均需慎重:計算浮力時不能僅僅著眼于根據地質調查取得的當前地下水位,必須估計到將來變化的可能性;在黏性土中水浮力的取值不需折減。從這些規范或手冊中的規定可以看出,地下水浮力的作用相當復雜,要準確確定地下水壓力的大小最好的辦法是實測地下水壓力,但費時費力。如文獻[1]對抗浮地下水位的取值原則是:取建筑物有效使用期間(包括施工期)可能產生的最高水位,此數據應由工程勘察單位提供。如工程勘察報告中無法提供較準確的科學數據時,地下水位最高水位可計算至建筑物的室外地坪標高,且不應對地下水水頭進行折減。抗浮水位的確定直接關系到地下結構防水、防滲設計、外墻及底板結構設計。由此,如何合理確定抗浮水位的取值,應根據工程的特點、地理環境、地質情況及場地條件等因素,還有工程勘察報告中提供場區歷年最高水位和近年的最高地下水位,并結合當地的工程經驗綜合考慮,確定建筑物的設防水位和抗浮設計水位,使設計做到經濟、安全。

2 地下結構物抗浮方案的類型及其選擇

目前,建筑地基基礎規范對建筑地下室抗浮設計只作了概念性規定,并未提出明確的設計標準或設計依據,在具體應用時尚存在很多問題。因此,對地下結構上浮的處理方法研究顯得尤為重要。目前針對地下室抗浮問題主要有以下幾種方法。

2.1 增加自重法方案

增加自重法包括頂板壓載、基板加載及邊墻加載等方法,增加地下結構物自身重量(即恒載),使其自身的重力始終大于地下水對結構物所產生的托浮力,確保結構物不上浮。這種方法的優點是:施工及設計較簡單;缺點是:當結構物需要抵抗浮力較大時,由于需大量增加混凝土或相關配重材料用量,故費用增加較多。對地下結構物還可能影響室內使用凈高。

1)頂部壓載措施。

頂部壓載措施是將地下結構物頂板的混凝土加厚或增加其他壓載材料,使自身重量(即恒載)增加以抵抗地下水的上浮力,但增加的混凝土卻占去原有覆土的位置,所以增加的重量僅為混凝土與覆土重量之差。因為混凝土與覆土重量的差距不大,所以此法的效益不大,并且使地下結構與地表的距離拉近,由此減少了地下結構上方覆土厚度。此法一般用于埋深較淺、不需增加太厚壓載物且其頂部有條件壓載的地下結構物的抗浮,否則,其頂部有條件壓載也會增加結構自身造價和基礎造價,對規模較大、埋深較深的地下結構物的抗浮不宜采用此法作抗浮措施。

2)基板加載措施。

基板加載措施是將地下結構物底板的混凝土加厚,使自身重量增加以抵抗地下水的上浮力,但在增加混凝土的同時也增加了水的上浮力,所以它增加的重量是混凝土與水的重量之差。因為混凝土與水的重量差距遠比混凝土與覆土的重量差距大,所以每增加單位體積的基底板混凝土,其抗浮效益比頂板壓載法要大,但會提高工程造價,采用基板加載抗浮措施,不僅在地下室底板需澆筑大量的壓載混凝土,在材料上造成極大的浪費,厚板給施工也帶來非常大的困難和不便。因壓載增加了地下室底板的厚度,造成地下室凈空變小,給以后的使用帶來不便。此方案造價很高既費錢又費工,此法一般用于埋深較淺、不需增加太厚混凝土的地下結構物的抗浮。

3)側墻加載措施。

側墻加載措施是將地下結構物側墻的混凝土加厚,這種做法雖然增加了水的上浮力,但也由此加寬了地下結構物上方覆土的范圍。這種做法雖然也可得到較大的抗浮力,并且不需要加深基坑開挖,但開挖的范圍卻因此增寬,在地價昂貴的地區,經濟效益也將因此折減。此法一般適用于不受場地限制、地價不貴地區的規模較小地下結構物的抗浮。

2.2 設置抗浮樁

目前這是在工程設計中最為廣泛使用的一種解決方法。但仔細分析,這種方法也有一定的局限性,因為地下室的抗浮設防水位是根據擬建場地歷年最高水位結合近幾年的水位變化情況提出來的,即使是經過重新評估后確定的抗浮設防水位,也是按一定的統計規律得出的結論,很顯然,這種方法確定的地下水位在一般的情況下是很難達到的,加之設計計算的不精確性也使得抗浮樁都具有一定的安全儲備,因此,“抗浮樁”實際上長期起著“抗壓樁”的作用,這種“反作用”將阻礙有抗浮要求的地下室的合理沉降,而這種變化將會使不設縫的大底盤地下室在主體結構和裙房之間產生更大的不均勻沉降差,這正是我們在設計中想極力避免的;同時設置抗浮樁后,計算基礎底板內力及配筋時應考慮地下水壓力,這樣也會增加基礎底板的荷載。因此,針對抗浮樁的使用時,應該結合工程的實際情況及當地的工程經驗。

3 結語

在選擇抗浮方案時,可按其經濟合理、技術先進、安全可靠和方便施工為原則。還應根據工程特點、地質情況、場地條件、環境和當地當時的情況等因素,綜合考慮,因地制宜,選擇一個最佳有效的抗浮方案。

[1] 《巖土工程手冊》編寫委員會.巖土工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1994:128-131.

[2] TBJ 2-85,鐵路橋涵設計規范[S].

[3] GB 50007-2002,建筑地基基礎設計規范[S].