地下结构抗浮设计

地下结构上浮事故实例地下结构抗浮设计规范地下水浮力模型试验地下结构抗浮设防水位抗拔桩承载力的计算地下结构抗浮设计一、地下结构上浮事故实例••随着我国经济快速发展,城市地下空间开发和地下轨道交通建设日益增多。当地下结构基础底面处于地下水位以下时，它们在施工、使用阶段将不可避免地要承受地下水的浮力作用。•工程处于高水位地区，地下室底板长期处于地下水位线以下=静水压力；•地下室底板短时间内处于水位线以下，如暴雨、潮汐、洪水的作用=渗流水压力；•饱和砂土地震液化=动-静水压力。•承压水压力地下水浮力作用的类型茂名污水池上浮开裂事故该工程勘察报告说明地下水位深度为2.0~2.3m，设计时取地下水位深度为2.2m。1995年5月污水处理厂主体基本完工，6月当地连降暴雨，降水量达到400mm。当时构筑物周围基坑尚有部分未回填。由于未采取有效的排水措施，致使基坑内积满水，数日后两池的底板上拱开裂。后经事故分析，由于当时的地质勘探是在旱季进行，地下室水位偏低，不能反映雨季的情况，致使结构设计中的上浮荷载取值偏小，底板配筋不足，从而导致在地下水位及浮力突然增加后，底板开裂。海口某商场地下室上浮事故该商场为地上4层，地下2层的框架结构，筏板基础，基底面标高-11.2m，地下室顶板面-0.5m，地下室全高10.7m。工程于1994年春完成地下室主体结构，后因故延至1996年夏才做完外防水。在尚未完成回填的情况下，有关单位为防止地下室进水，将其所有的进出口和预留孔进行了严密封堵。1996年9月20日，强热带风暴侵袭海口，潮位上涨，地下室顶板浸水深度约50cm。体积达3万立方米的地下室在封闭后犹如一个空箱，在地下水浮力的作用下，21日凌晨上浮高出地面5~6m。深圳阳光花园地下室上浮事故•为全埋的单建式地下一层人防工程，长48.9m，宽21.5m，结构设计抗浮方式主要为压重抗浮。该工程所处地原为填海造地滩涂，常年地下水位较高。•该地下室于1999年4月18日开始开挖基坑并用井点降水，8月13日地下室主体结构施工完毕，8月21日基坑土方回填。•施工单位在未采取其它抗浮措施的情况下，于8月23日停止降水，4天后南侧上浮6cm，数天后又回落至3.5cm；后因大雨，地下结构整体上浮倾斜（南侧上浮达68cm，北侧上浮13cm），并造成回填土塌陷，外墙柔性防水层接脱落，严重影响结构的整体使功能。佛山某大楼上浮事故该大厦由26层和18层的两幢塔楼和两幢3层裙楼构成一井字形平面布局，18层塔楼下设一层地下车库，26层塔楼、裙楼及内庭设2层地下车库。1995年12月，当主体结构施工到地上9层时，地下室基底主梁和塔楼相交处出现裂缝，当时认为是差异沉降引起，但后来一个月在原有裂缝处又发现新的裂缝并逐渐扩展，柱脚和柱顶也出现了反对称的裂缝，内庭室内地板发生了明显的上拱现象，上拱值最大为213mm，表现为结构受地下水浮力作用引起的破坏。厦门世贸中心地下室上浮事故厦门世贸中心远景采用人工挖孔桩和箱形地下室基础，地下室部分为地下3层，埋深14m，上部有塔楼及周边的裙楼，局部地方无裙楼。2000年8月完成裙楼主体结构施工，10月底完成地下室基坑回填，四周停止降水-半个月后进行沉降观测未发现异常，一个月后在无裙楼的部分地段出现地下室楼板裂缝现象，后在其它部位发现不同程度的裂缝。三个月后系统观测沉降时发现，位于无裙楼区的地下室发生上浮，最大上浮达149mm，与主体结构连接处出现裂缝。结构的破坏形式小结•构件破坏：如底板拱起、地下室结构裂缝、柱子破坏等。•地下结构整体上浮、倾斜,但构件完好。•结构构件损坏且整体上浮。当前所采用的抗浮措施为了确保工程在施工期间或使用期内的安全性，当前比较常用的几种抗浮法主要有：锚杆（索）锚固抗浮抗拔桩抗浮压重抗浮降、排、截水抗浮基坑围护结构辅助抗浮抗浮锚杆(索)抗浮锚杆（索）是一种受拉杆件，它的一端与结构物相连，另一端则锚固在稳定的岩层或土层中，利用本身材料的抗拉来抵抗地下水对结构物向上作用的浮力。锚杆（索）抗浮具有施工方便，造价低廉，工期相对短的优点，缺点是长时期的使用会存在应力松驰及腐蚀问题。抗拔桩抗浮抗拔桩主要是利用桩与周围土体的摩擦力及自身的重量来为结构提供约束作用，以阻止结构上浮。比较常用的是钻孔灌注摩擦桩；随着施工工艺的提高，也有人使用预应力管桩作为抗浮（拔）桩。具有稳定、可靠的优点。压重抗浮压重抗浮就是用比重较大的材料堆压在结构上，以有效地抵抗地下水的浮力。对于单建地下结构，其全部埋置在地下，往往利用上覆土体的方法达到抗浮的目的。但由于一些工程对结构的标高要求严格，顶板距地面的高度不够实施覆土抗浮；或者结构所受浮力太大，在上方压重会对顶板提出更高的要求，这时也可在底板上适当增加配重。压重抗浮不仅方法简单，易于操作，而且造价低廉，所以在很多单建地下工程或者浮力事故处理的工程中得到应用。降、排、截水抗浮利用降低地下水的水位，使结构底板以上没有地下水或者地下水位很低，不足以引起对结构的浮力破坏来达到抗浮的目的。目前主要应用在那些自重可以克服浮力但施工未完成的工程。如：高层建筑在完成地下部分的施工而上部还未建造时，结构自重不足以抵抗地下浮力，往往就采用一些降、排、截水的措施。在一些上浮事故处理和永久抗浮中也有使用。基坑围护结构辅助抗浮“一桩三用”技术：利用排桩围护体系，除在基坑施工过程中挡土止水外，还作为建筑物工程桩承担上部结构荷载或作为地下室抗浮桩，同时通过桩墙合一技术使排桩与地下室外墙形成复合结构，共同抵抗水土压力。不仅可以节约大量费用，且由围护桩与地下室外墙组成的组合结构有利于减小墙体开裂，可提高抗渗性能。基坑围护结构辅助抗浮加设斜撑：在围护桩与地下室底板沿边之间加设工字钢斜撑，把围护桩兼做抗浮桩，可不增加围护桩长。当上部结构施工合适层数后，再割除斜撑与锁口梁的焊缝，用吊车把工字钢取走，留下的空隙用砂灌满。二、既有技术标准的相关条款关于要不要计算浮力，从上世纪50年代起就一直存在争论。70年代编制《高层建筑箱形基础设计与施工规程》时，才首次列入考虑浮力的条文，但它仅是作为有利因素用于箱形基础承载力的验算，人们还没有对它会造成工程危害引起足够的重视。国家《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2002）当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下结构存在上浮问题时，尚应进行抗浮计算。但地下水位和浮力计算方法没有明确规定。《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）地表水或地下水对结构作用的浮托力，其标准值应按最高水位确定，并应按下式计算：qfw,k=γwhwηfw其中ηfw为浮托力折减系数，对非岩质地基应取1.0，对岩石地基应按其破碎程度确定。国家《岩土工程勘察规范》•（GB50021-2001）•地下水对基础的浮力作用，是最明显的一种力学作用。在静水环境中，浮力可以用阿基米德原理计算。•一般认为，在透水性较好的土层或节理发育的岩石地基中，计算结果即等于作用在基底的浮力；对于渗透系数很低的粘土来说，上述原理在原则上也应该是适用的，但是有实测资料表明，由于渗透过程的复杂性，粘土中基础所受到地浮力往往小于水柱高度。国家其他标准和学者观点在《铁路路基规范》中，规定在粘土条件下，浮力可做一定的折减，但折减多少并没有说明。《建筑结构荷载规范》（GB5009-2001）、《水闸设计规范》（SL265-2001）、《港口工程荷载规范》（JTJ215-98）中对浮力均有所提及，但对其大小的计算方法均没有明确的说明。有些学者提出浮力按排开水的重量乘以一个小于1的折减系数来计算，但为何、如何折减不详。上海市《地基基础设计规范》箱型基础在施工、使用阶段均应验算抗浮稳定性。在抗浮稳定验算中，基础及上覆土的自重分项系数取1.0，地下水对箱型基础浮力作用分项系数取1.2。但怎么计算浮力，规范没有明确的规定。广东省《建筑地基基础设计规范》地下水对基础（或建筑物底板）的浮力及对地下结构的侧压力应按下列原则进行计算：地下水的设防水位应取建筑物使用年限内（包括施工期）可能产生的最高水位。条文说明还规定：若勘察报告不提供最高水位，则按室外地坪标高设计；计算浮力时，不考虑地下室侧壁的摩擦作用及与岩土的粘滞作用；除了有可靠的长期控制地下水的措施之外，不得对地下水水头进行折减；结构基底面承受的水压力应按全水头计算。湖北省《建筑地基基础技术规范》抗浮设防水位若有长期水文观测资料和历史水位记录时，地下水作用力的计算可采用历史最高水位；若无长期水文观测资料和历史水位记录时，地下水作用力的计算可采用丰水期最高稳定水位。场地有承压水且与潜水有水力联系时，应按承压水和潜水的混合最高水位计算地下水对地下室的浮力作用。地下室在稳定水位作用下所受的浮力应按静水压力计算。临时高水位下的浮力，在粘性土中适当折减，折减系数由勘察单位提出，在砂土中不折减。既有标准和文献小结对地下结构遭受地下水作用的浮力，在地下水位确定、浮力计算方法方面，尚缺乏统一的认识。因此，进行室内实验、现场观测和理论研究，十分必要！三、地下水浮力模型试验本试验是为了模拟地下建（构）筑物在高水位地区所受地下水作用时浮力的大小变化。同一情况下的地下结构，只有在地下水的水位发生变化时，浮力大小才会有所改变。要在现场实现对水位变化的精确控制是非常困难的，所以选择在室内进行试验模拟。试验方案FWF土F浮F浮F土WFF摩F摩模型结构明置模型结构埋置试验模型示意图1097862700100012004350531１．模型池２．水位管３．角钢支架４．力传感器５．位移计６．调节螺栓７．结构模型８．土样９．透水碎石10．排水孔试验模型照片饱和土样制备•中砂（透水性好）•分层压实后用水浸泡7天•孔隙率n=28.3%、37.1%（2组）•水位增高后15min浮力稳定•粉质粘土（透水性差）•风干并分层压实后用水浸泡15天•孔隙率n=41.0%（1组）•水位增高后30min浮力稳定模型试验方法•结构模型自由上浮试验（空模型试验和模型压重试验）•模型顶部约束后试验•模型试验结果：中砂0.00.20.40.60.81.01.20246810n=37.1%时空模型上浮n=28.3%时空模型上浮n=28.3%时配重后上浮位移/mm水位比h/htAWWhwt/)(:附加自重理论上浮水位模型顶上无约束自重：217.6N配重：80.0N0.00.20.40.60.81.01.20246810n=37.1%时空模型上浮n=28.3%时空模型上浮n=28.3%时配重后上浮位移/mm水位比h/ht模型重217.56N，按理论水位计算起浮水位为18.1cm，实测37.1%孔隙率砂中在18.5cm上浮，滞后2%（折减系数0.98）；28.3%孔隙率砂中空模型在18.3cm上浮，滞后1%（折减系数0.99）。加80N的配重后在24.5cm处发生完全上浮（ht=24.7cm），无滞后。0.20.61.01.41.82.2050100150200250300反力增量/N水位比h/ht预加力108.8N预加力125.1N0.20.61.01.41.82.20.00.20.40.60.81.01.21.4位移/mm水位比h/h理预加力125.1N预加力108.8N中砂地基37.1%模型顶上有约束0.20.61.01.41.82.2050100150200250预加力91.6N预加力117.4N预加力148.9N反力增量：N水位比h/ht0.20.61.01.41.82.20.00.40.81.21.6预加力91.6N预加力117.4N预加力148.9N位移/mm水位比h/ht中砂地基n=28.3%模型顶上有约束wsFAhF约束其中：F：传感器实测力（N）；λ：折减系数；γw：水的容重（N/m3）；As：结构模型与介质的接触面积（m3）；Δh：关于模型底面的水位差(m);F'：函数常数项（N）。浮力计算拟合公式孔隙率n（%）F0（N）折减系数λλ的平均值37.1108.81.0010.996125.10.991