广州地区地下结构抗浮设计水位分析.pdf

广州地区地下结构抗浮设计水位分析 熊 勃1 陈伟1 2 1 中南大学勘察与基础工程研究所 长沙 410083 2 广州市建筑科学研究院 广州 510440 E mail lsh xb 摘摘 要要 就地下结构抗浮设计水位进行分析 结合广州地区经验 讨论了几种常见地层结构 情况下地下结构抗浮设计水位的取值及浮力折减系数问题 为同类工程设计提供了依据 关键词关键词 地下结构 水压力 抗浮水位 浮力折减系数 1 前言前言 工程中常遇到地下水浮力对地下室和地下构筑物结构设计施工的影响 地下室作为不可 避免的承载体 其浮力或水压力优先于地基反力作用在结构上 给结构设计与施工带来了不 容忽视的影响 1 水压力计算不准确 要么会造成施工过程中或竣工后地下结构物的上浮事 故 要么为安全起见会增加地下室底板厚度或增设抗浮桩 造成工程投资的增大 新规范 建 筑地基基础设计规范 GB50007 2002 中首次提出 当地下水埋藏较浅 建筑地下室或地 下构筑物存在上浮问题时 尚应进行抗浮验算 而具体的计算方法 规范未做规定 目前 独立式地下车库等需要做抗浮验算的建 构 筑物在土地紧缺的大中城市已很常见 正确的 进行建 构 筑物的抗浮验算 从安全上和经济上都有着十分重要的意义 2 地下结构抗浮设计地下结构抗浮设计 地下室产生上浮现象的原因是结构体的重量和地下室侧壁摩擦力之和小于水浮力所引 起 地下结构所受的地下水浮力 为作用在基础底板上的静水压强与底板面积的乘积 即 ApP 1 式中P 基底所受的水浮力 p 作用在底板上的静水压强 A 底板面积 基底静水压强p一般按下式确定 p H w 2 式中 w 水的重度 H 抗浮设计水头值 设计中通常采用以下公式计算抗浮设计水头值 H 0 hh 3 式中 岩土工程勘察报告中最高地下水静止水位标高 h 1 0 h 基底标高 地下结构抗浮方法很多 目前 国内外运用较多的技术措施主要有 增加自重法即压载 抗浮技术 降排截水法 抗拔桩和抗浮锚杆等 其抗浮设计流程如图 1 所示 2 图 1 抗浮设计流程图 浮力对地下结构为永久作用 抗浮安全系数应采用 1 2 故地下结构竣工后 或正常使 用期间 已不能降低地下水位时 应按下式进行抗浮稳定性验算 2 1 H FW w 4 W 施工或使用阶段基底以上全部净荷载 kN F 基底面积 m2 w 水的重度 kN m3 H 抗浮设计水头值 m 3 广州地区抗浮设计水位分析广州地区抗浮设计水位分析 由上述公式可以看出 设防水位的高低 直接决定了浮力的大小 决定了抗拔桩的设置 数量 底板的厚度及配筋的大小 且式中抗浮设计水头值H打不打折扣 原式中没有说明 折减系数的大小一般取决于地下室底板下土层的渗透系数大小及所确定的地下水位在相对 隔水层中的埋深 故规范要求按地区经验取值 实际上在不同的地基环境中地下水浮力是变 化的 当地下工程位于粉土 粘土 砂土 碎石土和节理裂隙发育的岩石地基时 地下水浮 力计算可不折减 而位于节理裂隙不发育的岩石地基时 可对地下水浮力予以折减 甚至在地 下工程底板与岩石地基紧密结合时 可不考虑浮力的作用 对广州地区而言 由于其地理位 2 置沿海及基岩为粉砂岩 砾岩广泛分布的特点 所形成的地层具有明显的区域性特点 其水 文地质条件也较复杂 含 隔 水层界线并不非常清晰 另外 广州地区基础建设飞速发展 人类工程活动强烈 地质环境变化较大 因此 广州地区抗浮设计变得较复杂 笔者根据广 州地区多年来的岩土勘察报告 针对四种典型的地层结构类型 如图 2 所示 进行了抗浮 设计水位的取值与折减分析 3 a b c d 图 2 广州地区地层结构类型 1 杂填土 2 淤泥 3 淤泥质沙 4 粉质粘土 5 细砂 6 粉砂岩 类型 a 为滨海一带填海区的地层结构特点 如番禺区大部分地区及海珠区靠近珠江侧 该地段一般淤泥层厚度较大 可达 5 14m 故有地下室设置时 地下室一般均在淤泥层中 上部填土多数由开山劈石的坡积 残积土组成 结构松散 渗透性较大 渗透系数最大可达 2 4m d 往往构成弱含水层 能形成潜水 因此要考虑对地下室的浮力作用 该类型由于为 滨海地带 地势较低 为地下水或地表水的排泄区且与海水联系密切 随潮汐变化水位 地下 水活动频繁 较难准确测定地下水位值 根据最高潮水位 抗浮设计水位一般按设计地平面下 1 5 2 0m 取值 因填土物质成分复杂且结构松散 浮力计算不进行折减 即浮力折减系数为 1 0 下部的砂层由于埋藏深度较大 一般可不考虑其对地下室的作用 类型 b 为山前冲沟一带的地层结构特点 如白云区国际机场附近 越秀区部分地区 该类型上部填土及冲洪积粉质粘土也属于弱透水层 弱含水层 但一般冲洪积粉质粘土或填 土较类型 a 的渗透系数小 地下室的抗浮设计水位依地下室的埋深或填土及粉质粘土的厚度 有所不同若地下室埋藏较浅 地下室底板下填土和粉质粘土较厚时 对地下室的浮力作用 只 需考虑上部形成的潜水浮力作用 由于上部填土渗透系数不大 浮力计算时可考虑对设计水 位按 0 7 0 8 的系数进行折减 设计水位有长期观测资料取最高水位 无长期观测资料时 3 可按设计地平标高以下 2 0 2 5m 取值 若上部填土和粉质粘土不厚或地下室埋藏深度较 大 地下室底板达到下部砂层时 抗浮设计水位即不打折 若地下室底板接近下部砂层 应按 砂层承压水头分析计算底板抗浮稳定性 类型 c 为冲洪积盆地 台地等地层结构特点 如天河北一带 该类型土层全由弱透水 层或不透水层组成 上部填土一般厚度不大或者无分布 分布位置相对较高地下水或地表水 径流 排泄速度比较快 一般情况下地下水位埋藏较深 雨季时局部可形成上层滞水 此种类 型中有地下室时 抗浮设计水位可按设计地平标高以下 2 5 3 0m 取值 抗浮设计时由于坡 积 残积的粉质粘土渗透性更小 可按 0 5 0 6 折减系数进行浮力计算 类型 d 该类型主要分布在低山 丘陵一带 第四系覆盖层较薄或者经人工开挖活动 基 岩裸露 该类型主要为基岩风化裂隙水 该地段一般为地下水的径流区 地下水埋藏较深 抗浮设计水位可按设计地平标高以下 3 0 5 0m 考虑 浮力计算时 可根据基岩的风化程度 和裂隙发育程度取不同的折减系数 当地下室位于砂砾状强风化层中时 可不进行折减 折减 系数为 1 0 当地下室位于土状强风化层中时 可按 0 8 系数进行折减 当地下室位于碎块 状强风化或中风化层时 可按 0 7 0 8 系数进行折减 当地下室位于裂隙不发育的微风化层 时 可按 0 5 0 6 系数进行折减 折减系数主要是对弱含水层的情况 即渗透系数 0 01m d k 1 00m d 的地层 折减系 数的大小主要是根据地层渗透系数的大小按弱透水层消耗水力坡度 使静水压力降低的原理 定性分析的 应该注意的是 水头折减系数适用的地基条件的前提是 地基土不是流体 也 就是说土颗粒不会与水形成混合的的流体状介质 并且在地震设防区不会液化 因为流体状 介质中 浮力的大小等于地下结构排开液体的重量 如果地基土是流体 则液体的重度就不 等于水重度 而是水土混合物的重度了 这将大于水重度很多 即浮力要增大很多 对这种 地基条件下建筑物抗浮验算应作专门研究 4 结论与建议结论与建议 1 抗浮设计的关键是要解决两个问题 一是确定浮力计算的设计水位 二是对节理不 发育的岩石及粘性土地基如何根据地区经验进行浮力折减或确定浮力折减系数 现行的有关 规范对抗浮设计虽有说明 但均不具体 广州地区由于地层结构的区域性特点 可归纳为几 种基本类型 本文对于不同类型的地层结构 对抗浮设计水位的取值和浮力折减系数分别进 行了分析 2 由于地层结构的复杂性 同一结构物可能会位于不同的水文地质单元 致使浮力的 计算更加复杂 同时 本文仅是个人通过分析大量广州地区实测资料基础上提出的一些经验 系数 建议有条件的工程能够针对不同类型的地下水压力进行实测 积累资料 以便使抗浮 水位和浮力折减系数的确定规范化 4 参考文献参考文献 1 周敦云 对地下水在建筑工程设计施工中的影响分析 青岛远洋船员学院学报 2003 3 2 袁正如 地下工程的抗浮设计 地下空间 2004 24 1 42 43 3 张欣海 深圳地区地下建筑抗浮设计水位取值与浮力折减分析 勘察科学技术 2004 2 Analysis of Defence Water Lever for Underground Buildings in Guangzhou Area XIONG Bo1 CHEN Wei1 2 1 Reconnaissance and Foundation Engineering Institute Central South University Changsha 410083 2 Guangzhou Institute of Building Science Guangzhou 510440 Abstract The paper analysis defence water level for underground structure design Based on Guangzhou area practice defence water and reduction factor of buoyancy for underground buildings are analysed and discussed in the conditions of some common soil and rock construction types presents some suggestion for the engineering similarily Keywords underground struc