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摘要：分析了地下水賦存條件、滲流、土的滲透性、土層物理狀態(tài)和飽和度、基地周邊大區(qū)域環(huán)境條件、臺風(fēng)暴雨等惡劣天氣等因素對建筑工程抗浮水頭的取值問題的影響，同時闡述了工程抗浮工況和圍護(hù)工程防水措施等實際情況對建筑工程抗浮設(shè)計的影響...

建筑工程抗浮設(shè)計水頭合理取值問題的探討

戴金林  朱青爭

(1．浙江耀信工程咨詢有限公司，浙江杭州310006；2．浙江中大房產(chǎn)集團(tuán)有限公司，浙江杭州310006)

1、概  述

    現(xiàn)代城市建設(shè)向空間和地下發(fā)展，高層建筑的地下室、大底盤地下室、地下車庫等地下結(jié)構(gòu)大量出現(xiàn)，而東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)大部分為軟土地區(qū)，地下水位高。《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB 50007—2002)》強(qiáng)制性條文3.02條第六款規(guī)定：“當(dāng)?shù)叵滤�埋藏較淺，建筑地下室或地下構(gòu)筑物存在上浮問題時，尚應(yīng)進(jìn)行抗浮驗算”，因此，地下室的抗浮設(shè)計計算是地下結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容之一。《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB 50007-2002)》3.0.3條第一款明確規(guī)定勘察工程報告應(yīng)：“提供用于計算地下水浮力的設(shè)計水位”，然而，抗浮設(shè)計水頭的確定方法在該規(guī)范及其它相關(guān)規(guī)范中未有明確、詳細(xì)的規(guī)定，勘察和設(shè)計人員缺乏合理的取值依據(jù)，在實際工程設(shè)計中常出現(xiàn)抗浮水頭確定不合理現(xiàn)象，如簡單地按勘察時的地下水位標(biāo)高或地面標(biāo)高確定抗浮水頭。合理確定地下室的抗浮設(shè)計水頭，是確保地下室抗浮設(shè)計“安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量”的重要條件。勘察和設(shè)計人員為了地下工程的安全，抗浮水頭的取值常常過大，增加了地下室整體抗浮措施和局部抗浮的工程造價，另外，抗浮設(shè)計水頭是地下室底板的板底荷載，是確定地下室抗?jié)B等級和抗?jié)B措施的重要參數(shù)，因而也增加了地下室底板和地下室防水的工程費(fèi)用，造成大量的工程投資浪費(fèi)和工期增加；相反，若對工程周邊情況、設(shè)計基準(zhǔn)期、施工期間暴雨臺風(fēng)的因素考慮不足，抗浮設(shè)計水頭取值太小，使得安全分項系數(shù)不夠造成工程隱患，也出現(xiàn)過地下室工程在施工過程上浮的事故。本文認(rèn)為在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)地下室抗浮水頭的取值：須考慮地下水賦存條件、滲流、土的滲透性、土層物理狀態(tài)和飽和度等因素的影響；還須考慮分析圍護(hù)工程、基地周邊大區(qū)域環(huán)境條件和臺風(fēng)暴雨等惡劣天氣因素的影響。同時，建筑工程抗浮設(shè)計還須考慮工程抗浮工況和圍護(hù)工程防水措施等情況的影響。

2確定抗浮設(shè)計水頭應(yīng)考慮的因素

    2.1“靜水”水頭和滲流水頭 

    通常勘察和設(shè)計人員將地下室抗浮設(shè)計水頭按“靜水”水頭考慮，實際上是“靜水”水頭還是滲流水頭，應(yīng)根據(jù)基地不同的土質(zhì)情況和不同的地下水賦存條件、工程周邊情況和所處的區(qū)域大環(huán)境綜合考慮。地下水根據(jù)地下水的賦存條件可分為潛水、承壓水。潛水的主要特征是具有自由水面，水面處的壓力水頭等于零，潛水的下邊界往往是滲透性比較低的地層，上邊界是毛細(xì)帶；承壓水被上下邊界都為透水性較差的地層所限制，使水處于承壓狀態(tài)。土層可分為含水層與隔水層，土層中的含水層為在正常水力梯度下，能夠傳輸大量水的飽和的透水性地質(zhì)單元；與含水層相對的地層便是隔水層，因此含水層為滲透性大的砂土和粉土，隔水層為滲透性低的軟黏土和淤泥質(zhì)黏土。

    建筑工程基礎(chǔ)影響范圍內(nèi)除了少數(shù)為單一的高滲透性含水層外，通常為多層滲透性不同的含水層、隔水層土層組成。軟土地區(qū)地下水往往為潛水，是雜填土或其它高滲透性土中的空隙水，盡管隔水層滲透性很低，實際上豎向不同土層之間仍有滲流產(chǎn)生。根據(jù)工程基地的區(qū)域大環(huán)境，分析考慮地下水在土體中的流動，實際上地下水很少真正處于“靜態(tài)”，平原地區(qū)地下水位的坡度在1％左右，有時可達(dá)2％～3％；在砂卵石地層的臺地上可達(dá)l％～2％，臺地邊緣可達(dá)5％～l8％；山區(qū)和丘陵地形通常為2％～5％，最大可達(dá)l0％。

    因此，進(jìn)行滲流和孔隙水壓力背景場的分析，是確定地下室抗浮設(shè)計水位的前提和基礎(chǔ)，當(dāng)滲流對工程影響很小時，我們將地下水作為“靜水”處理。因此，在很多時候地下室的抗浮設(shè)計水頭要考慮滲流的影響，是滲流場中地下室底板處的水頭。

    2.2設(shè)計基準(zhǔn)期影響

    根據(jù)現(xiàn)行國家設(shè)計規(guī)范，一般建筑物地下水可變作用，在50年或更長時間的設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，地下水位應(yīng)根據(jù)地方水文資料，考慮可能出現(xiàn)的最高地下水位，應(yīng)考慮罕遇洪水臺風(fēng)的作用。上海、杭州等江濱及其它的海濱或湖濱城市江(海、湖)邊有很高的防洪或防臺堤壩，地基影響范圍的土層滲透性高，應(yīng)考慮水的滲流問題，江河地下水位的水位變化幅度大，因此靠近江邊的建筑物的抗浮設(shè)計必須詳細(xì)了解當(dāng)?shù)氐乃�文情況，考慮當(dāng)?shù)赜袩o暴雨、臺風(fēng)的影響，是否會出現(xiàn)由于地表水不能及時排除和江河水位暴漲而引起地下水位提高，按歷史上的高水位設(shè)計。值得注意的是，有些工程地質(zhì)勘察報告所提供的抗浮水頭不是從地方水文資料分析得出，而僅反映勘測期間的地下水位情況。如果詳勘在當(dāng)?shù)厍锒�季低水位時期進(jìn)行，所提供的地下水位標(biāo)高不應(yīng)被設(shè)計取用，否則將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)計算的失誤。所以設(shè)計人員應(yīng)明確設(shè)計基準(zhǔn)期對抗浮水頭的影響，對不滿足設(shè)計要求的地質(zhì)勘察報告應(yīng)要求予以補(bǔ)充。

    2.3土的滲透性、物理狀態(tài)和含水狀態(tài)

    考慮50年或更長時間的設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，高滲透性砂土粉土和低滲透性黏土淤泥質(zhì)黏土的抗浮設(shè)計水頭應(yīng)分別根據(jù)不同的地下水賦存條件，將地下水按“靜水”和考慮滲流兩種不同情況確定抗浮水頭。地下室底板位于砂土粉砂等高滲透性土層上，不考慮滲流影響，按偏“安全”的“靜水”確定抗浮設(shè)計水頭時：地下室底板以上的土層為單層或多層的砂土粉砂等高滲透性土層，抗浮設(shè)計水頭為地下水位“歷史上的高水頭”；地下室底板以上的土層為黏土淤泥土等低滲透性的隔水土層，抗浮設(shè)計水頭應(yīng)為地下室底板處土層中“歷史上高的”水頭或承壓水頭。地下室底板位于黏土或淤泥質(zhì)黏土等低滲透的隔水層，設(shè)計時簡單的按地面標(biāo)高或地下水標(biāo)高確定抗浮設(shè)計水頭不合理，抗浮設(shè)計水頭應(yīng)該是黏土或淤泥質(zhì)黏土中的孔隙水壓力，應(yīng)根據(jù)該具體土層的不同土質(zhì)情況確定：

    (1)低滲透土中孔隙水壓力應(yīng)根據(jù)該土的物理狀態(tài)確定。若水下的黏性土液性指數(shù)IL≥1，則土處于流動狀態(tài)，土顆粒之間存在大量自由水，此時，可認(rèn)為土體顆粒受到水的浮力作用如同砂土粉土，抗浮設(shè)計可按“靜水”考慮；若IL≤0，則土處于固體狀態(tài)，土中自由水受到土顆粒間結(jié)合水膜的阻礙不能傳遞靜水壓力，故認(rèn)為土體顆粒不受水的浮力作用，抗浮設(shè)計水頭為0；若0，土處于塑性狀態(tài)時，土顆粒受到水的浮力作用應(yīng)根據(jù)上下土層不同水頭及周邊情況滲流場確定，抗浮設(shè)計水頭為地下室底板處滲流場中的水頭。

    (2)根據(jù)地下室底板處黏性土的含水狀態(tài)確定。若為飽和土，地下室的抗浮設(shè)計水頭按上條確定；若為非飽和土，則孔隙水壓力為負(fù)值，抗浮設(shè)計水位為0。例如某工程為大底盤地下室，面積約32000 m2．，形狀不甚規(guī)則，開挖面積約27000 m2，局部為2層地下室，基地為坡地，挖土深度為6.16～10.65m，同一整體地下室頂板上局部為4～6層的高檔住宅，建筑面積約40000 m2，局部頂板上方為填土綠化、小區(qū)道路和景觀水系。筏板基礎(chǔ)的持力層為：粉質(zhì)黏土(飽和度92.6％一l00％，平均97％；液性指數(shù)0.65～0.87，平均0.75)；粉質(zhì)黏土(飽和度75.1％一l00％，平均95％；液性指數(shù)0.04～0.62，平均0.3)；含碎石黏性土(飽和度82.8％一100％，平均93％；液性指數(shù)0.13～0.20，平均0.04)：強(qiáng)風(fēng)化粉砂泥巖或粉砂巖(飽和度68.4％一100％，平均90.4％；液性指數(shù)0.31—0.37，平均0.07)。基坑圍護(hù)工程采用土釘支護(hù)，實際開挖后地下室基坑底干燥；在基坑周邊布置降水深井，井中的水位高度為地下室板底標(biāo)高甚至更低，遠(yuǎn)小于按挖土深度確定的水位標(biāo)高。另外，地下室底板的后澆帶在主體結(jié)構(gòu)結(jié)頂后澆筑，經(jīng)歷了多雨的霉雨季節(jié)和夏天臺風(fēng)暴雨的考驗，然而后澆帶處的100厚 C15素混凝土墊層未發(fā)現(xiàn)開裂噴水現(xiàn)象，表明地下室板底的水頭遠(yuǎn)小于按地下室挖深確定的靜水水頭。

3、勘察單位應(yīng)測定地下室底板處的水頭   

    為了合理的確定地下室抗浮設(shè)計水頭，勘察和設(shè)計人員要明確概念，勘察單位應(yīng)綜合考慮土層的滲透性、物理狀態(tài)和含水狀態(tài)；考慮設(shè)計基準(zhǔn)期等因素后提供用于計算地下水浮力的抗浮設(shè)計水頭，并且明確區(qū)分地下水為“靜水”還是滲流，明確地下水為承壓水還是潛水。

因此，當(dāng)?shù)叵率一�礎(chǔ)影響范圍內(nèi)的土質(zhì)為高滲透性土又同時地下水為“靜水”時，可以只提供地下水水位標(biāo)高。當(dāng)?shù)叵滤疄闈B流、地下室底板位于承壓水或黏土淤泥質(zhì)黏土等低滲透的土層上時，為了合理確定抗浮設(shè)計水頭，勘察單位除了提供地下水位標(biāo)高外，還應(yīng)測量并提供該土層中地下承壓水的水頭或孔隙水壓力及地下室底板處的滲流壓力。

4、抗浮設(shè)計應(yīng)考慮工程實際情況影響

    工程抗浮設(shè)計除準(zhǔn)確確定抗浮水頭外，還應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的分布、場地周邊情況和圍護(hù)形式的不同，根據(jù)工程實際情況考慮不同因素的影響：

    4.1永久抗浮和臨時抗浮、整體抗浮與局部抗浮

    考慮50年或更長時間的設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)的條件下，而工程抗浮設(shè)計除了考慮正常使用極限狀態(tài)外，還要重視施工過程和洪水期，防止施工過程中抗浮不夠而造成破壞事故。因此，應(yīng)根據(jù)工程抗浮工況區(qū)分施工階段臨時抗浮和工程正常使用極限狀態(tài)下的永久抗浮。臨時抗浮是地下室的頂板和側(cè)壁已經(jīng)封閉，而上部結(jié)構(gòu)或環(huán)境綠化覆土等有利的永久荷載未加上，此時是工程抗浮的最不利情況。

    實際工程抗浮設(shè)計中常常出現(xiàn)正常使用狀態(tài)不需采取永久抗浮措施，或只需較少費(fèi)用的抗浮措施，而臨時抗浮嚴(yán)重不足，因此，施工階段的抗浮設(shè)計除了采用永久抗浮設(shè)計的措施外，還應(yīng)根據(jù)實際考慮圍護(hù)工程的有利影響及采取相應(yīng)的臨時性措施。由于地下室通常比較大，底板和頂板往往有后澆帶沉降縫、收縮縫等臨時或永久的混凝土縫，臨時抗浮措施之一是將此類縫的封閉時間推遲到適當(dāng)時候，如地下室板底的水頭壓力足夠大，則會使預(yù)留縫中的混凝土素墊層開裂隆起，底板上形成局部水通道，地下水大量流入地下室，將不利的浮力變成有利的抗力。在同一整體大面積地下室上建有多棟高層或低層建筑，而地下室面積大，形狀又不規(guī)則，加之局部上方?jīng)]有建筑，此類抗浮問題須作細(xì)致分析處理，按臨時抗浮與永久抗浮，整體抗浮與局部抗浮不同情況分別處理。

    4.2基坑圍護(hù)設(shè)計防水措施

    地下室圍護(hù)工程對地下水的處理措施有“堵”與“降”兩大類，基坑圍護(hù)工程的設(shè)計必須滿足抗?jié)B流安全分項系數(shù)的要求，此時地下室板底的水頭是滲流場中的水壓力，遠(yuǎn)小于永久抗浮設(shè)計的“靜水壓力”，同時實際施工要求基坑地面不應(yīng)有積水。按抗底鼓安全分項系數(shù)的要求，底板下土的自重或其它措施的抗力與該土層下承壓水壓力必須大于1.2。因此，臨時抗浮設(shè)計應(yīng)考慮圍護(hù)工程的有利因素。在圍護(hù)工程采取“堵”水措施時，臨時抗浮的設(shè)計水頭應(yīng)是滲流場中水壓力；采取“降”水措施時，進(jìn)行降水費(fèi)用與抗浮工程費(fèi)用的比較，針對不同的措施費(fèi)用選取合適的臨時抗浮措施。

地下室墻外回填土設(shè)計常常要求為黏性土并分層夯實，然而實際施工中往往達(dá)不到設(shè)計要求，有的施工單位回填土?xí)r甚至用建筑垃圾，考慮回填土可能為高滲透性土并且回填不實，為避免地下室底板底墊層與周邊基地表面的雜填土等高滲透土層成為連通器，為降低抗浮設(shè)計水頭，除了要求施工單位按設(shè)計要求施工外，可采用地下室墻外與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間的基底澆筑約l00素混凝土板或配抗裂鋼筋的混凝土板，使地下室基底土與回填土間有一個隔水層。同時，此措施可提高基坑抗滑移和抗隆起的安全系數(shù)。

5、結(jié)  語

    本文分析討論了地下室抗浮設(shè)計水頭合理取值問題，在地下室工程如此普遍的今天，合理確定抗浮水頭，采取合適的抗浮措施，將在保證工程安全可靠的條件下，有效地節(jié)約地下室工程造價和縮短施工工期，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

    筆者建議地下室抗浮水頭確定和抗浮設(shè)計時要注意以下幾點：

    (1)抗浮設(shè)計水頭的確定應(yīng)根據(jù)基地的工程地質(zhì)情況、土的滲透性、地下水賦存條件、設(shè)計基準(zhǔn)期、工程周邊情況和圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式等因素綜合考慮，區(qū)分地下水按“靜水”和“滲流”不同情況。對于地下室影響范圍內(nèi)為單一的高滲透的砂土和粉土，可取地下水水位高度、地面標(biāo)高確定的“靜水”水頭；地下室板底土層為低滲透性的軟土應(yīng)為土中的滲流孔隙水壓力，遠(yuǎn)小于按地下室挖深確定的“靜水”水頭；豎向為滲透性高低不同的土層而地下室板底位高滲透性含水層時，則為承壓水頭。

    (2)在地下水為“滲流”、承壓水和地下室影響范圍為低滲透性土?xí)r，勘察單位應(yīng)考慮土的物理狀態(tài)和含水狀態(tài)，工程勘察時應(yīng)測量該處土層中水的滲流壓力、承壓水壓力和孔隙水壓力，綜合考慮后提供用于計算地下水浮力的設(shè)計水位，作為抗浮設(shè)計依據(jù)。

    (3)抗浮設(shè)計應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的分布、場地周邊情況和圍護(hù)形式的不同，并根據(jù)工程實際情況考慮不同因素對永久抗浮和臨時抗浮的有利影響，特別是對于臨時抗浮設(shè)計應(yīng)根據(jù)工程費(fèi)用比較采用合適的臨時抗浮措施。   

    (4)對江海湖邊地下工程抗浮水頭的確定，要注意設(shè)計基準(zhǔn)期的臺風(fēng)暴雨等影響，應(yīng)詳細(xì)了解當(dāng)?shù)氐乃�文情況，考慮當(dāng)?shù)赜袩o暴雨、臺風(fēng)的影響，是否會出現(xiàn)由于地表水不能及時排除和江河水位暴漲而引起地下水位提高。

參考文獻(xiàn):

[1]張在明．地下水與建筑基礎(chǔ)工程[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社2001，22．

[2]洪毓康主編，土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)[M]．北京：人民交通出版1995(第二版)．53．

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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