地下结构抗浮设防水位和浮力计算

第31卷 第4期河北理工大学学报(自然科学版)Vol131 No14 2009年11月Journal of Hebei Polytechn ic Un iversity (Natural Science Edition)Nov12009 文章编号: 167420262(2009) 0420111204 地下结构抗浮设防水位和浮力计算 肖林峻 1 ,杨治英 2 (1 1聊城大学 建筑工程学院,山东 聊城252000; 21山东博远建筑设计有限公司,山东 肥城271600) 关键词:地下结构;设防水位;浮力;渗流 摘 要:大量地下车库、 下沉式广场等地下建筑的兴建,使抗浮问题非常突出。针对地下结构 设计时抗浮设计水位的确定和水浮力计算问题,分析了地下水赋存状态与渗流特性、 基础埋深 与地下水层关系,介绍了设防水位的合理选取及水浮力实用计算方法,最后给出了工程算例。 中图分类号: TU 46 文献标志码:A 0 引言 随着现代化城市的建设发展,地下空间不断得到开发利用,诸如无上部建筑的地下车库、 商场、 下沉式广 场修建越来越多。这些地下建筑物设计的关键就是抗浮问题,核心内容无外乎抗浮设计水位的确定和结构 托浮力的计算。抗浮设计水位取值过高,为平衡设计浮力势必要增加结构自重或抗拔桩等复杂的抗浮措施, 使费用增加,造成浪费。抗浮设计水位确定过低,修建或使用期间遇到地下水位上升,则会造成结构开裂、 渗 水,甚至失效浮起,国内此类安全事故已发生多起。 现行的有关规范对抗浮设计均有说明,但均不具体。 高层建筑岩土工程勘察规程 8161节中规定:“ 根 据地下水类型、 各层地下水位及其变化幅度和地下水补给、 排泄条件等因素,对抗浮设防水位进行评价,当有 长期水位观测资料时,场地抗浮设防水位可采用实测最高水位;无长期水位观测资料或资料缺乏时,按勘察 期间实测最高稳定水位并结合场地地形地貌、 地下水补给、 排泄等因素综合确定。 ” 1 。 岩土工程勘察规 范 713节中规定:“ 对基础、 地下结构物和挡土墙,应考虑在最不利组合情况下,地下水对结构物的上浮作 用,原则上按设计水位计算浮力,对节理不发育的岩石和粘土且有地方经验或实测数据时,可根据经验确 定。 ” 2 。可见 ,规范都要求对结构物进行抗浮验算,但对具体方法没有明确。现有的岩土工程勘察报告也 是只提及最高水位及常年平均水位,常使一些对水文地质条件不太熟悉的设计人员出于安全的考虑简单地 以最高水位作为设计水位,这种简单的设计方法显然缺乏合理性和经济性,因此探讨该问题很有必要。 1 抗浮设防水位确定方法 111 设防水位的概念 高层建筑岩土工程勘察规程 21116给出了抗浮设防水位的概念,即“ 地下室抗浮评价计算所需的、 保 证抗浮设防安全和经济合理的场地地下水水位。 ” 1 。从该词条定义可以这样理解 :设防水位是保证建筑物 服役安全,几十甚至上百年建筑使用期的安全,在此期间不致因地下水上升,浮力加大而引起抗浮失效,因而 应有足够安全度;另外,设防水位应是场地水位,要以区域水文地质条件为基础,从较大范围的整个场地来考 虑,而不是以某个单独建筑来考虑 3 。 地下水位是随机变化的,不但与地下水本身天然变幅、 地层赋存条件以及气候变化、 降水多寡等自然因 素有关,而且还受地下水开采、 水资源利用、 水库蓄洪泄水等人为因素影响,变得十分复杂。因此,抗浮设防 水位的确定应根据区域和整个场地的水文地质条件或地下水埋藏条件来综合决定,具体涉及到地下水的类 收稿日期: 2009202214 型、 分布、 埋藏深度、 含水层数目、 岩性结构、 含水层构造特点以及地下水的补给、 排泄条件等。 112 准备工作 首先要了解场地的水文地质条件,搞清地下水的赋存状态。根据赋存状态,一般将地下水划分为上层滞 水、 潜水和承压水。上层滞水是埋藏在地表浅处具有自由水面的地下水,它的分布范围有限,其来源主要是 由大气降水补给。潜水是埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上具有自由水面的地下水。潜水直接受雨水 渗透或河流渗入土中而得到补给,同时也直接由于蒸发或流入河流而排泄。承压水是埋藏在上下两个隔水 层之间的地下水,依靠大气降水与河流湖泊水通过潜水补给的。不同的地下水赋存状态对地下结构的作用 效应亦不同。文献 3 认为 :滞水是弱透水层上积聚的具有自由水面的重力水,季节性强,通常是暂时性的, 不考虑其浮力效应,不作为场地抗浮设防水位。 其次要了解当前场地含水层的分布、 补给、 径流、 排泄关系及其相互间的影响。通过地质勘察,探明场地 地下水类型和分布,了解场地附近地面水体与场地地下水的侧向补给情况,掌握近35年内地下水位的年 变化幅度。地下水位的动态变化主要受到以下因素的影响 : (1) 大气降水 ; (2) 人为干扰,表现为地下水开采 和水利工程活动。文献 4 阐明了上述因素对地下水的影响 ,认为大气降水只是对年动态变化有较大影响, 不会引起多年的水位升降变化,而人为因素影响剧烈,甚至于改变了各层地下水的赋存关系和渗流状态,会 对已建工程和拟建工程造成了重大影响。文中以官厅水库的三次放水引起北京地区区域内地下水位大幅升 高为例对上述观点进行了详细分析。 然后要了解建筑物基底所在含水层层位和标高。建筑场地有不同的含水层,赋存着不同的地下水,结构 基底浮力由基础所处的地下水层最高水位标高来控制。弱透水层的存在,改变了地下水的补排关系,形成了 各自的赋存和渗流特征。在水力梯度驱动下,不同含水层间会发生越流渗透。由于弱透水层渗透性小,地下 水垂直进入该层后水力坡度增大,水头衰减加快。文献 5介绍了北京某建筑场地现场测试地下水压的实 验,经过现场37天的观测,验证了水头在通过弱透水层越流补给过程中发生较大“ 水头损失 ” 的事实。 当基底位于两个含水层间的弱透水层中某一高程时,要根据上下层地下水最高水位标高,对地下水经过 弱透水层渗流哀减后到达基底高程后的水头高程计算,经过哀减后,哪层地下水的水头高,基底的地下水浮 力就受哪层地下水的压力决定。因此, 岩土工程勘察规范 强制性条文明确要求:“ 对多层含水层的水位测 量,应采取止水措施,将被测含水层与其它含水层隔开 ” 。 113 设防水位的合理确定 抗浮设防水位的确定取决于地下结构底板所处土层地下水类型和水头高度,在查询本区域水文地质研 究资料和多年水位动态变化统计资料的前提下,对建筑物在施工期和以后近百年使用年限内可能产生的最 高水位进行合理计算。 首先对地下结构埋深与地下土层的相对关系情况进行分析,无外乎表1所列的几种情况 6 。 明确了地下结构物所受上浮力的控制含水层后,下一步需结合该水层补给、 排泄条件和年度变化幅度对 其后期的最高水位进行预测分析。北京市勘察设计研究院系统研究了北京市总体规划区内的浅层地下水赋 211 河北理工大学学报(自然科学版) 第31卷 存与渗流特性、 水位变化的历史过程和影响因素,编制了地下水位的预测预报系统,已经很好地服务于工程 建设。但现实是,目前我国很多城市还缺乏本地区水文地质系统研究的资料,没有长期观测网络,更没有相 应的水文分析预报系统。因此,地下结构物抗浮设防就需结合水文地质条件和工程经验综合确定。目前,应 用比较方便的经验公式是:地下水最高水位=勘察期间该层地下水最高水位+该层地下水在相当于勘察时 期的年变幅+可能的意外补给造成的该层水位上升值。其中,该层地下水位在相当于勘察时期的年变幅即 为:在枯水期勘察加整个年变幅,在丰水期勘察就少加甚至可以不加;意外补给系指非本区大气降水的补给, 如水库放水或引水工程等。 2 浮力的实用计算 211 浮力计算原理 根据阿基米德定律,浮力等于它所排开水体体积 的重量,即: p = gV A = wV A =wh 式中:p 单位面积水浮力 A 物体底面积 w 水容重 h 物体在水中的高度 212 现场实测法 地下水经过弱透水层渗流,会有一定的水压力衰 减,其程度与渗透系数ki和弱透水层厚度mi有关。 水头损失 h mi ki ,是一个与土质相关的量。通过 现场测试原始水压力或孔隙水压力,绘制勘察深度内 的分布曲线,分析推断衰减规律,据此计算基底浮力。 某工程在现场进行了弱透水层的水压力测试,绘 制了水压力随深度的变化曲线,见图1 7 。 由图1中的结果可以看出,在弱透水层中的水压 力要比理论静水压力低很多。因此,利用现场测试水 压力结果进行抗浮设计,符合工程实际,相对传统的最 高水位设防设计方法要经济的多。 213 实用计算方法 在没有现场水压力实测数据资料的情况下,需寻 求一种经济稳妥的方法进行抗浮设计。结合表1内 容,本文分情况探讨了基础底板水浮力计算方法,其模 型和公式列于表2中。 3 算例 311 工程简介 8 北京市朝阳区某工程地上五层,地下四层,场地地 面标高3637 m。2003年9210月勘察,勘察资料提 供该场地有三层地下水:第一层台地潜水:水位标高 2912535182 m,年变幅23 m;第二层层间潜水:水 311 第4期 肖林峻,等:地下结构抗浮设防水位和浮力计算 位标高2111223140 m,年变幅12 m;第三层承压水:水位标高1614319112 m,年变幅45 m。经调 查,勘察期间场地附近没有大型降排水工程。 根据地层剖面得知:台地潜水层与层间潜水层间有一平均厚度大于5 m的弱透水层,层间潜水层与承压 水层间也有一平均厚度大于5 m的弱透水层。勘察资料提供场地地下水历年最高水位为35150 m,近35 年内最高地下水水位为34100 m。(按这一历年最高水位和近35年最高水位,还低于勘察期间台地潜水 最高水位,似有矛盾,但资料未说明原因)。建筑物基底高程为19150 m,基底位于层间潜水层中。要求论证 建筑物基底地下水浮力和建议抗浮措施。 312 设防水位论证 基础底板位于层间潜水中,按照213论证该场地层间潜水的最高水位。考虑到勘察期间正值丰水期,地 下水位较高,所以在勘察最高水位的基础上再加少量的年变幅是趋于安全的,为方便计算,并保证经济安全, 这里考虑选择半个年变幅。对于本区的可能意外补给,需要考察周边地区水利设施活动对场地地下水的影 响。根据北京勘察设计院观测资料,最不利情况是永定河在1996年前后放水对北京地下承压水水位增幅很 大,本场地所在区域水位升高近4 m。勘察资料显示,层间潜水水位年变幅约为承压水位年变化幅度的一 半,那么人为放水对层间潜水的影响亦按承压水情况的一半考虑,台地潜水不受河流泄水的影响。 场地各层地下水可能的最高水位计算为: 台地潜水: 35182 + 1 2 (2 3) +0 =37132; 层间潜水: 23140 + 1 2 (1 2) +2 =26140 承压水层: 19112 + 1 2 (4 5) +4 =25162 由于基底位于层间潜水层中,该工程抗浮设防水位标高按26140 m考虑。 313 基底水浮力计算 由地层剖面介绍可知,该工程基础埋深与地下水层关系符合表2中的计算模型m情况。依据提供的相 应实用方法进行浮力计算,并依此结果进行结构物的抗浮验算和抗浮措施设计。 p = rw(hz + d)=10(2614-1915)=69 kN /m 2 4 结论 1) 工程抗浮设防水位应以区域水文地质条件、 现场勘察资料、 地下水赋存状态及补给条件为基础,合理 预估建筑场地可能的最高水位作为设防水位。 2) 地下水浮力计算应针对基础底板与含水层关系区别对待。地下水赋存状态与基础埋深决定了地下 水浮力的计算办法,因此,不能一味地按照场地最高水位进行设计,应合理选用计算模型,才能使得结构物抗 浮设计既经济又安全。 参考文献: 1 JGJ7222004,高层建筑岩土工程勘察规范 S1 2 GB5002122001,岩土工程勘察规范 S1 3 张旷成,丘建金 1关于抗浮设防水位及浮力计算问题的分析讨论J 1岩土工程技术, 2007, 21(1) : 152201 4 张在明,孙保卫,徐宏声 1地下水赋存状态与渗流特征对基础抗浮的影响J 1土木工程学报, 2001, 34 (1) : 732781 5 孙保卫,徐宏明,张在明 1孔隙水压力测试与建筑抗浮水压力的确定J 1工程勘察, 1998 (3) : 312351 6 张欣海 1深圳地区地下建筑抗浮设计水位取值与浮力折减分析J 1勘察科学技术, 2004 (2) : 122151 7 马波 1北京沙河地区地面沉降及抗浮设防水位的探讨J 1岩土工程技术, 2007, 21(4) : 20222031 8 张思远 1在确定建筑物基础抗浮设防水位时应注意的一些问题J 1岩土工程技术, 2004, 18(5) : 22722291 (下转第127页) 411 河北理工大学学报(自然科学版) 第31卷 1) 通过沥青路面路况影响因素分析,构建了以结构承载能力、 功能性、 安全性以及结构性能等为评价指 标的沥青路面使用状况评价指标指标体系。 2) 通过对各评价指标特点及其联系的分析,根据模糊数学原理,构建了沥青路面使用状况评价综合评 价模型。 3) 利用沥青路面使用状况评价综合模糊评价模型对实际路段的路用性能进行了分析评价,应用结果表 明,该模型具有较强的实用性。 参考文献: 1 朱建民 1高速公路沥青路面使用性能方法探讨J 1公路工程与运输, 2004, 7 (33) : 332361 2 黄文雄 1基于混合遗传神经网络的高速公路沥青路面使用性能评价方法研究D 1武汉:武汉理工大学, 20031 3 交通部 1公路养护技术规范(JTJ073296) M 1北京:人民交通出版社, 19961 4 蔚晓丹 1平整度指数作为路面平整度评价指标的研究J 1公路交通科技, 1999, 41 5 陆鼎中,程家驹 1路基路面工程M 1上海:同济大学出版社, 19991 6 潘玉利 1路面管理系统原理M 1北京:人民交通出版社, 19981 7 姚祖康 1路面管理系统M 1北京:人民交通出版社, 19931 8 陈继光,刘睦增 1基于模糊聚类决策的路面性能评价J 1建筑技术开发, 2005, 2 (2) : 932941 Fuzzy Comprehensive Evaluation M odelOf Asphalt Pavement CHEN Chao, ZHANG Ya2bin,WANG Xiao2lei (College of Traffic and Surveying, Hebei Polytechnic University, Tangshan Hebei 063009, China) Key words: asphalt pavement; pavement perfor mance; fuzzy comprehensive evaluation Abstract: Based on a full analysis of influencing factors and the performance of the asphalt pavement, the paper sets up fuzzy comprehensive evaluation model of the performance of asphalt pavement with mathematical theory of fuzzy comprehensive evaluation, and uses the model for application analysis1Practical analysis shows that the model hasmuch stronger practicality1 (上接第114页) D iscussion on Water Level for Prevention of Up2floating and Calculation of Uplift Pressure XIAO Lin2jun 1 , YANG Zhi2ying 2 (1 1College ofArchitecture 21