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綠色加固

【原創】特刊分享|淺談關于地下室抗浮加固的幾種有效措施

時間:2020-05-16 18:58:00       作者:      

本文摘自:廣州市勝特建筑科技開發有限公司 第 14 期 勝特特刊 點擊查看特刊>>

    本文通過對地下室抗浮設計的基本原理的基本認識及了解,分別詳細介紹了地下室抗浮加固的幾種主要重要措施,為地下室抗浮設計及既有地下室抗浮加固提供有效處理措施。
    關鍵詞:地下室抗浮加固,壓重抗浮,工程樁抗浮,抗拔錨桿抗浮,排疏水法抗浮

引言
    近年來,地下空間的應用越來越廣泛,地下空間的開發和利用越來越受到重視,地下室的埋深也越來越大,因此建筑物的抗浮問題也越來越突出。隨著地下空間開發利用的日漸增多,相關的工程質量事故也出現得較為頻繁,地下室工程質量事故包括結構開裂、滲漏或承載力不足等情況, 地下室加固 在地下室抗浮設計中,水浮力的取值以及地下室抗浮設計計算方法是兩個主要方面。由于地下水位在暴雨天氣接近地表,因此近年來有關抗浮設計的質量事故也逐漸出現。地下結構物建筑面積大、基礎埋藏較深,建筑層數相對較少,在歷史最高地下水位情況下,結構自重不足以抵抗地下水的上浮力,地下結構物的抗浮問題日益突出。

一、地下室抗浮設計的基本原理

    1、地下室最主要破壞形態即為抗浮破壞,因此抗浮設計顯得尤為重要。
    2、水對地下建筑物的浮力大小遵循阿基米德原理,水對物體的浮力等于物體排開同體積水的重量{即基底單位面積所受的水浮力為γh的(γ為水的重度,h為建筑物基底以上的水深)}。當水浮力強度大于地下建筑物單位面積的重量時,建筑物即可浮起,當水不斷補充時,建筑物將不斷上浮,所以,建筑物浮起是一個漸進過程。水量的大小只是控制著建筑物上浮速度和上浮量,而水位高低則是控制建筑物上浮的基本要素。
    3、地下室與潛水艇的根本區別:
      地下室底板除受水浮力外還受土反力,而潛水艇底板只有水浮力。(注意此時的地下室基礎形式,若為獨基+防水板,防水板是不允許受土反力的,而只受水浮力作用;基礎范圍均受土反力與水浮力。)潛水艇完全沉沒在海里面時,其所受總的浮力是個定值,因為此時排開水的體積不再變化,即為:頂板向下水的壓力+自重=潛水艇底板向上水的壓力。
地下室抗浮設計中,力的平衡公式:F頂板表面(定值)+G地下室自重(定值)=P基底土反力(不允許為0)+水浮力。從中得出:即隨著地下水位的上升,水浮力逐漸增大,土反力逐漸減小,若基底土反力小于或等于0時,地下室出現整體抗浮破壞。當水位在地下室頂板或者超過頂板面時,地下室整體所受的水浮力是個定值。注意:地下室頂板所受的荷載大小是個定值,跟有沒有水不相干;而地下室底板所受的水浮力(γh)大小只與水頭高度相干,隨著水頭高度變化而變化。
    4、在抗浮中起有利作用的及一些自身安全儲備有:
      a. 地下室的自重和覆土重對抗浮有利;
      b. 地下室底板與土(存在水的情況)存在張力作用;側壁的回填土(質量要有保證),對側壁有個摩擦力。
    5、地下室抗浮驗算:
      《建筑結構荷載規范》GB 50009-2012的3.2.4條的第1.2款規定:“當永久荷載效應對結構有利時,組合分項系數不應大于1.0”。
      在地下室整體抗浮驗算中,永久荷載對結構有利,荷載分項系數一般應取1.0。
      廣東省標準《建筑地基基礎設計規范》DBJ 15-31-2016第5.2.1條規定,地下室抗浮穩定性驗算應滿足式5.2.1的要求: W/F≥1.05(5.2.1) 式中 W——地下室自重及其上作用的永久荷載標準值的總和; F——地下水浮力(標準值)。

二、抗浮加固的主要措施

    一般來說,工程中抗浮設計方法大致采用4種,壓重抗浮、工程樁抗浮、抗拔錨桿抗浮、排疏水法抗浮。配重法主要是通過增加底板或者頂板的重量去平衡地下水的浮力,施工比較簡單,對于地下室凈高要求能滿足的是一種較好的抗浮加固措施。抗拔樁一般設計原則是柱底打樁,做法與承壓樁類似,但因為地庫一般柱距較大,跨中通過底板變形傳遞水浮力,所以一般需要底板有足夠的剛度,因此板厚以及配筋都不會很小,需要投入較高成本,工期較長,經濟效益較低。與采用抗拔樁比起來,只要土體分布合適巖石層埋藏較淺,抗拔錨桿能夠有效的縮短工程工期(施工簡單)以及降低造價,再加上其施工機械小,靈活便捷,能夠在窄小空間內作業,這也成為它備受認可的優勢之一。“地下室疏排水”或“釋放水浮力法”是指采用明排的方法,將滲出基底的地下水通過疏排水系統收集排走,從而完全或部分消除底板水壓,取消或減少抗浮構件及降低底板負荷。也可稱為“排水減壓”。
    1、壓重抗浮 

    抗浮失效(建筑物傾斜或出現裂縫)是由于建筑物自重小于地下水浮力造成的,因此解決此問題最簡便的辦法就是增加建筑物自重,比如在地下室頂板部位覆蓋一定厚度的土層。對于土體的選擇,不同地區可結合當地地質條件,就近選擇可利用覆土材料。對相關范圍內地下室底板不滿足抗浮承載力要求的采用新增疊合板加固處理,并可考慮提高后加疊合板混凝土的容重。
    2、工程樁抗浮 

    工程樁,就是在工程中使用的,最終在建構筑物中受力起作用的樁。按承載性狀可分為摩擦型樁和端承型樁,工程樁基礎大多是現澆大直徑柱,整體性好,工程樁周圍與土層間摩擦力大。但同時也應當注意工程樁在使用過程中經常會出現的裂縫及耐久性較差的問題,因此在地下室結構抗浮設計中使用工程樁抗浮應當對于使用過程中可能涉及到的樁體變形問題進行有效預估。
    3、錨桿抗浮 

    錨桿抗浮是建筑工程地下結構抗浮措施的一種,在建筑物采用天然地基且基巖情況下,錨桿抗浮是地下室抗浮設計很好的選擇,錨桿抗浮為抗拔樁體承受拉力,普通抗浮樁受力也是自樁頂向樁底傳遞,樁體受力大小隨著地下水位的變化而變化,因此當地下水壓力較大,松散砂層太厚,錨桿受到的拉力也隨之發生變化,不宜采用錨桿抗浮,這種情況下如果采用錨桿,就會產生較大的變形,不利于結構穩定,造成抗浮失效此外,當軟弱土層較厚或錨桿自由段過長時,這種方案抗浮也是不合適的,錨桿自由段長其永久防腐蝕措施要求就較高,工程費用也會顯著增加。


    4、排疏水法抗浮 

    排水法抗浮主要是通過修建排水盲溝將地下室周圍的地下水自流排到較低區域,這種方法只適用于建筑場地標高相對于周圍地面較高或附近有較低水位的排水系統工程中,不能普遍使用當前比較流行的一種排水法抗浮是標準靜水壓力釋放系統,該系統通過多孔聚乙稀排水管網將地下水位降到地下室底板以下,使地下室地板不受或受很小的水浮力,能夠有效地防止地下室上浮。基坑開挖降水后,基坑內外形成水頭差,地下水通過在土體滲流,繞過止水帷幕的底部,流入基坑內部。當坑底附近土體隔水較好或止水帷幕可以有效隔斷透水層時,地下水的滲流將十分緩慢,坑內日滲水量少,抽水負荷低,短時間抽水即可維持水位低于坑底或目標標高 。在低滲水量條件下,采用“排水法”代替常規的抗拔樁或錨桿成為可能:在地下室底板以下設置永久的疏排水系統,系統的排水速度和能力可設計為最不利滲水工況的數倍甚至數十倍以上,將滲入系統中的少量地下水迅速排離,則可輕松達到控制水位的目標。

三、地下室抗浮設計中存在的常見問題

    1、只重視地下室的梁、板、柱、墻的結構構件設計,忽視整體抗浮驗算分析,忽視施工的抗浮措施,總認為具有上萬噸自重的地下室不會浮起來;
    2、地下室底板裂縫、漏水,甚至成為地下游泳池,把某些實質上是因為地下水的作用遠大于設計荷載而造的工程事故,錯判為溫度應力作用、混凝土施工質量問題等;
    3、對于基底為不透水土層的地基(基巖、堅硬粘土),深基坑支護又采用了止水帷幕或樁、錨、噴射混凝土聯合支護,忽視水的浮力。
    為防止地下室整體上浮我們通常采用兩類做法,一類為“壓”,一類為“拉”。當采用“壓”的做法時,利用建筑的自重(包括結構及建筑裝修、上部覆土等,不含樓面活荷載)平衡地下室水的總浮力,當不能平衡時,必須增加“拉”的做法,即采用樁或錨桿等來抵抗地下水的浮力。無論是“壓”還是“拉”的做法,都必須進行整體抗浮驗算,保證抗浮力(壓重+抗拉力)大于水的總浮力。
    局部抗浮驗算,除了梁板墻柱結構構件的強度驗算、變形驗算和裂縫驗算,還應包括局部的抗浮驗算,對于大面積地下室上建有多棟高層和低層建筑,建筑自重不均勻,當上部為高層或恒荷載較大時,該范圍的整體抗浮能力可能較高,但上部沒有建筑或建筑層數不多的局部范圍,特別應進行分區、分塊的局部抗浮驗算,例如:柱、樁、墻的壓力或拉力能否平衡它所影響區域里的水浮力總值。

四、總結

    當遇暴雨使地下水位升至地表時,僅靠地下室自重抗浮是不足的,必須考慮使用期間的抗浮問題。地下室的加固處理除針對梁柱和底板裂縫外,還應對地下室整體抗浮進行加固處理。結合實際工程情況抗浮加固處理措施可以采用降排水法和打設抗浮錨桿以及配重法等方式進行,但考慮盡快恢復地下室的正常使用以及節省成本造價,加固方案可以多種組合方式的加固施工方案。本文提出采用疏排水法作為地下室抗浮加固措施,該措施方法綜合用了結構工程專業、巖土工程專業、建筑給排水專業的知識領域,系統地將“泄壓減浮”技術成功應用到房建工程,極大節省地下室抗浮方面的工程造價并縮短了施工工期,具有良好的社會效益和經濟效益。

 

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