基礎抗浮與大體積混凝土施工技術措施的結合運用

付元東，郝 杰，安 鵬

（中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430501）

1 地下室工程概況

該工程±0.00 相當于絕對標高21.25 m，地下室結構完成面標高為-5.900，塔樓范圍內的地下室采用平板式筏型基礎，筏板厚度為2 000 mm；相鄰塔樓之間基礎采用柱墩與筏板相結合的基礎形式，筏板的厚度為500 mm，地下室外墻厚度為800 mm，筏板、柱墩及外墻混凝土強度等級為C40。

從構件最小截面尺寸和混凝土體量綜合分析可確定，該地下室的基礎及外墻屬于大體積混凝土工程。根據圖1 地勘剖面圖和地下室結構層標高可以判斷，地下室基礎以下地基土質為④-1 層粉質黏土，其透水性較差，且項目距離長江流域較近，地下水位較高，受地下水影響較大。因此，在地下室施工過程中需要同時考慮大體積混凝土和地下水的雙重影響因素。

圖1 地勘剖面圖

2 影響地下室混凝土結構有害因素分析

2.1 大體積混凝土有害因素分析

塔樓范圍內的平板式筏型基礎和地下室外墻混凝土體量較大，混凝土中膠凝材料水化反應熱釋放比較集中，內部溫升較快，在混凝土內部和表面形成較大的溫度梯度場，使筏板和剪力墻內外溫差較大，產生變形差。水化反應引起的溫度變化和收縮易導致有害裂縫產生，最終將會導致地下室底板出現滲漏，影響結構安全和正常使用[1]。

隨著現代化城市地下空間的迅猛發展，大體積混凝土在地下空間結構中極為常見，溫度變化和收縮產生的有害裂縫對地下工程的不利影響也越來越多，較為常見且影響較大的是地下室底板和側墻滲漏問題。因此，尋求解決地下空間結構混凝土有害裂縫的技術問題成為工程技術人員的重要研究課題。

2.2 地下水有害因素分析

2.2.1 浮托力有害因素分析

建筑物塔樓的重力通過筏板基礎豎向均勻地傳遞給地基，地基水頭在巨大壓力的作用下，勢必對伐板產生向上的浮托力。根據建筑基礎抗浮穩定性要求：

式中：Gk為建筑物自重及壓重之和（kN）；Nw，k 為浮力作用值（kN）；Kw 為抗浮穩定安全系數，一般情況下可取1.05。

在抗浮穩定安全系數一定的情況下，浮力作用值隨建筑物自重及壓重之和的增加而增大。巨大的浮托力對基礎結構具有向上的推力，受地下室結構底板的阻礙，地下水的水頭勢能不斷增大，使結構底板承受較大的壓力。由于混凝土在終凝之前的強度有限，當水頭勢能超過了混凝終凝之前的承受能力時，混凝土就會產生裂縫。同時，浮托力還會加速水化反應所引起的溫度變化和收縮而導致的有害裂縫的發展。因此，浮托力對地下室混凝土結構具有較強的破壞能力，容易導致混凝土結構薄弱位置出現斷裂、結構板上浮，以及地基基礎的不均勻沉降，降低了地下室混凝土結構自防水的能力。

2.2.2 滲透有害因素分析

在水頭壓力作用下，地下水的滲透勢能較大。由于地下室基礎結構以下地基層土質為④-1 層粉質黏土，該土層滲透系數較小，因此對地下水側向滲透阻力較大。當處于基坑降排水水系統較遠處時，地下水難以通過側向滲透及時排出，因此只能向上滲透。

在基礎墊層及結構混凝土澆筑過程中，豎向滲透的地下水進入混凝土中，改變了混凝土局部位置的水膠比，影響混凝土整體強度穩定性。豎向滲水在水頭壓力的作用下，具有一定的穿透性，會在混凝土中形成滲流通道，并伴隨著輕微的流沙現象，豎向滲流通道會隨著混凝土的初凝而形成貫通的砂眼。此外，地下水的滲透作用會加速混凝土結構有害裂縫的發展，加大了結構墻、板滲漏風險。無論是滲流砂眼還是有害裂縫，都會造成地下室滲水，影響地下空間的正常使用功能，嚴重時會影響結構安全。

3 工藝結合運用的可行性分析

基礎抗浮與大體積混凝土施工技術措施結合運用，其實質是將解決地下水浮托力對基礎不利影響的技術措施與降低大體積混凝土水化熱的不利影響的技術措施進行結合運用，實現一舉雙效，降低技術措施成本，提高工程實體質量。

3.1 泄水抗浮技術分析

地下室結構處于粉質黏土層，周圍土體滲透性較小，地下水以孔隙水形式賦存于人工填土中，且僅有上層滯水以及地表滲水，為消除浮托力對基礎結構的不利影響，該項目采用泄水減壓的抗浮技術，實現無浮力底板，該技術與配重式抗浮及其他抗浮措施相比，泄水減壓抗浮經濟效益甚為顯著[2]。泄水減壓抗浮的基本原理是通過在建筑底板和地下室側墻上預埋泄水減壓裝置，如圖2 所示，通過該裝置將地下室結構底板和側墻土層中的壓力水排除，以消除地下水向上的浮托力對結構造成的影響。

圖2 泄水減壓裝置示意圖

泄水減壓裝置由三部分構成，第一部分為濾水裝置最底端的濾水包，安裝于土體與混凝土結構的交界處，其作用是對地下水的初級過濾，防止泥沙進入過濾裝置堵塞裝置。第二部分為直徑75 mm 的金屬止水套管，該部分主要作業是保護多級過濾料，形成地下水過濾通道，其止水翼緣兼具防水功能。第三部分是填充在止水套管內的多級過濾材料，它的濾水功效要比濾水包更強，其主要作用是在保障泄水的前提下，防止泥沙隨滲透水流被帶入地下室出現流沙現象，確保地基土體穩定。

3.2 大體積混凝土施工控制措施分析

在大體積混凝土施工過程中，其質量控制的一項重要舉措就是控制膠凝材料的水化熱。在大體量的地下工程中，不宜劃分過細的施工段，因為施工縫是結構的薄弱環節，容易出現結構裂縫，而分層澆注易在先后澆注面形成混凝土結構冷縫，大量的結構裂縫和冷縫易導致結構滲漏。

為降低水化熱對大體積混凝土的影響，現場采用混凝土內部敷設冷凝管，通過冷卻水管中的低溫流體進行熱量交換，降低混凝土中心區域的水化熱，從而能夠緩解溫度變化和收縮產生的有害裂縫[3]。

4 工藝結合運用的基本原理

本文將泄水減壓抗浮與大體積混凝土施工技術控制措施相結合的基本原理如圖3 所示。通過將泄水減壓抗浮體系與大體積混凝土的冷凝系統連通成為一個整體，通過泄水減壓系統，地下水進入大體積混凝土冷凝系統，借助流通的地下水吸收熱量，降低混凝土內部的水化熱，從而避免混凝土澆筑階段出現滲流砂眼，防止有害裂縫的產生和加速發展。

圖3 基本原理圖

4.1 地下室抗浮的基本原理

地下室抗浮的基本原理是地下水通過泄水減壓裝置進入導流管內，導流管將地下水引入到室內截水溝和集水井內，以卸除地下水浮托力對地下室結構的影響。側墻泄水減壓裝置隨剪力墻的鋼筋施工同步安裝，泄水裝置濾水包安裝在剪力墻外側模板以外與回填土相通，內填多級濾料的止水套管伸入混凝土結構內，與豎向導水管連通，通過側墻上的泄水減壓裝置，以消除側向地下水對地下室外墻的壓力。底板泄水減壓裝置是在地下室底板墊層混凝土澆筑階段預埋的，泄水裝置濾水包埋置于地基土體內，起到過濾豎向滲透壓力水的作用，內填多級濾料的止水套管伸入混凝土結構內，與水平導水管連通，以消除豎向地下水對地下室底板的豎向壓力。泄水減壓裝置的布設應根據填土的寬度和夯實度，以及底板受到擾動土厚度，合理確定側墻和底板泄水孔的間距[4]。

在泄水減壓裝置的作用下，地下室外圍壓力水的泄流方向如圖4 所示，通過人為導向，使壓力水按照設定的導向排出，可有效防止地下水穿透結底板，避免浮托力加速有害裂縫的發展，能有效提高地下室結構混凝土的密實性和自防水性能。

圖4 壓力水導流圖

4.2 降低水化熱基本原理

降低大體積混凝土內部的水化熱是借助地下水在循環導水管內流通實現的，循環導水管采用熱傳遞性能較好的管材，隨鋼筋工程埋置在混凝土結構的中間位置，其進水口一端與泄水減壓裝置相連，出水口與室內截水溝相通，形成連通器。低溫的地下水在水頭壓力作用下，從泄水減壓裝置進入循環的導流管，在管道內部流通。在熱傳遞功能的作用下，混凝土中心區域的水化熱通過導流管將熱能傳遞給循環管內的低溫水流，從而起到降低混凝土中心區域水化熱的功效。

循環水流在導流管內的流向如圖5 所示，借助豐富的地下水在導流管內持續性的流動，能及時降低混凝土內的水化熱，防治混凝土內部出現溫度驟增，能有效抑制有害裂縫的產生，對提高混凝土的密實性和抗滲性有重要意義。

圖5 循環水降溫示意圖

5 結論

通過對基礎抗浮與大體積混凝土施工技術措施的結合運用進行研究，本文得出的結論是地下室泄水減壓抗浮體系與降低大體積混凝土水化熱的循環系統能夠有效的組合運用。通過將兩者進行組合，能在及時卸除地下水壓力對結構影響的同時，可快速降低混凝土水化熱，從多方面防止混凝土有害裂縫的產生和加速發展，提高了混凝土的防水性能，對地下工程的施工具有重要意義。