地下结构主动抗浮措施工作机制及工程应用

地下结构主动抗浮措施工作机制及工程应用 地下结构主动抗浮措施工作机制及工程应用 地下结构主动抗浮措施工作机制及工程应用 胡正东1， 刘毓氚2 (1. 深圳市市政工程总公司， 广东 深圳 ； 2. 福州大学土木工程学院， 福建 福州 ) 摘要：为了研究高水位地区地下结构抗浮问题，提出在地下结构基础底板下方设置具有专利技术的S型排水DM(drainage mat)地下结构主动抗浮措施，采用数值分析深入研究地下结构主动抗浮工作机制，制定了地下结构主动抗浮措施的设计原则和计算方法，并应用于厦门和昌中心地下结构抗浮工程中。研究表明，地下结构主动抗浮措施消减了基础底板下方土体孔隙水压力，达到地下结构抗浮目标，节省了工期和造价，工程应用前景广阔。 关键词：地下结构; 主动抗浮; 孔隙水压力疏导调节; S型排水 0 引言 由于城市用地日趋紧张，建设必然向空中和地下发展，大型地下空间开发逐步成为增强城市功能、改善城市环境的重要途径，建筑地下室、城市地铁、地下管廊、地下商场、地下交通、地下停车场和综合交通枢纽等大型地下结构埋深大，在南方高地下水位条件下，地下结构基底受静水压力作用产生上浮力(hydrostatic uplift)，上浮力作用易抬升基础底板，甚至导致基础底板开裂、地下室渗水等工程灾害1，地下结构抗浮以及防渗问题突出2。 GB 500072011建筑地基基础设计规范3规定，当建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，应进行抗浮验算； 当不满足抗浮稳定要求时，必须采取合适的地下结构抗浮措施。 传统的地下结构被动抗浮技术包括增加基础荷重、设置抗拔桩或者抗浮锚杆4，这些被动抗浮措施往往工期长、造价高5-8，同时抗浮设防水位难以合理确定9，即便满足抗浮要求，但由于基底静水压力仍然存在，一旦出现裂缝，地下室便容易渗水。 考虑到地下结构基础底板上浮力是由于作用在基础底板的孔隙水压力而产生的，探索地下结构有效治本的主动抗浮措施，必须从控制基底土体水压力入手10。控制基底土体孔隙水压力，可通过在地下结构底板设置排水措施消减部分静水压力，或者设置阻断地下水渗流的防渗墙得以实现11，这项技术已经在美国12、香港13、新加坡14和台湾15等地下结构抗浮工程中成功应用，从未来技术经济发展趋势上看，主动抗浮措施优点多，应用前景广阔，亟待开展相关技术研究16。 工程实践表明，基底设置地下排水系统降低水位是防止水渗入地下室和降低地下室底板浮托力最有效的方法，但有一定的适用条件17。地下结构底板下设置永久排水系统以消减底板扬压力，尽管已得到工程应用，但目前仍然处于概念性设计和经验累积阶段，工作机制、计算方法、适用条件以及排水系统长期稳定等有待深入研究18-19。 本文提出以S型排水管材为基础的地下结构主动抗浮系统，该系统由设置于地下结构基础底板下方具有专利技术的S型排水管材的DM(drainage mat)孔隙水压力疏导系统、孔隙水压力调节系统和智能监控系统组成，已成功应用于厦门和昌中心地下结构抗浮工程中，应用效果良好，孔隙水压力疏导系统见图1，S型排水板材料参数见表1。本文采用数值分析研究手段，深入研究地下结构主动抗浮新技术工作机制，拓宽其适用范围，提出地下结构主动抗浮新技术的设计计算方法，并开展实际工程应用研究，推动新技术工程应用。 (a) 新型排水系统 (b) 新型排水材料的地下结构主动抗浮系统图1 孔隙水压力疏导系统(单位： mm)Fig. 1 Hydrostatic pressure relief system (mm)表1 S型排水板材料参数Table 1 Material parameters of S-typed drainage mat 检测项目指标最大拉力纵向800N/25mm断裂伸长率15%最大压缩强度20kN/100cm2 1 地下结构主动抗浮措施工作机制研究 1.1 模型建立 采用有限元法分析地下结构基底主动抗浮系统工作机制时，首先必须建立基本模型，根据研究选择需要的有限元模块，根据有限元法分析地下结构主动抗浮系统机制，在有限元分析中选择使用SEEP/W和SIGMA/W模块。由SEEP/W模块分析渗流情况，分析孔隙水压力，将SEEP/W模块分析中得到的结果应用于SIGMA/W模块分析中，分析土体变形，研究设置地下结构主动抗浮系统对周边环境的影响。 1.2 典型土层分布案例分析 以典型土层分布为研究对象，采用有限元法深入研究高水位条件下，设置地下结构主动抗浮系统基底土体渗流分布规律以及对周边环境的影响，通过比较分析得出地下结构主动抗浮系统的适用性及其影响因素。 设置地面标高为0，地下室底板标高-10 m，水位标高-1.0 m，地下室底板宽16 m。地下室底板下设置地下结构主动抗浮系统，土层分布及基坑剖面见图2，土层参数见表2。 图2 典型土层剖面图(单位： m)Fig. 2 Profile of typical soil layers (m)表2 土体参数Table 2 Soil properties 土层厚度/m重度/(kN/m3)有效弹性模量/MPa渗透系数/(m/s)黏土20185159510-7 由流网分析在地下结构主动抗浮系统的单宽渗流量计算结果(见图3)，单宽渗流量为3.5910-6 m3/(sm)(0.31 m3/(dm)。进一步分析有无设置地下结构主动抗浮系统时基底孔隙水压力变化情况(见图4)，图4(a)为未设置地下结构主动抗浮系统时基底孔隙水压力分布情况，图4(b)为设置地下结构主动抗浮系统时基底孔隙水压力分布情况。由图4可以看出，未设置地下结构主动抗浮系统时基底孔隙水压力达到88.26 kPa； 而设置地下结构主动抗浮系统因为及时排出地下水，基底孔隙水压力为0。基底孔隙水压力的消散可以有效防止结构上浮，增加地下结构安全系数。 图3 渗流分析结果(单位： m3/s)Fig. 3 Seepage analysis results (m3/s) (a)未设置系统 (b)设置系统图4 基底孔隙水压力分布Fig. 4 Pore water pressure distribution of basement slab 典型土层案例分析结果表明，在黏土层中使用地下结构主动抗浮系统，不仅可以有效降低基底孔隙水压力，防止地下结构上浮，而且其基底单宽渗流量都在建筑结构的适用条件范围内。地下结构主动抗浮系统特别适用于地下结构埋深范围内没有软弱土层，基底土体属于渗透系数小的硬土层，利用地下结构主动抗浮系统中的DM孔隙水压力疏导系统能及时排出地下水，消散基底孔隙水压力，并且对周边环境影响小，有效保证地下结构抗浮稳定性。 2 地下结构主动抗浮系统设计 地下结构主动抗浮系统设计工作机制研究表明，地下结构主动抗浮系统是经济可靠的主动抗浮措施，为实现自适应动态调节，该系统设计原则如下。 1)主动疏导排水，将地下结构基底下多余地下水通过设置于地下结构基础底板下方的DM孔隙水压力疏导系统在有压条件下主动排除，需疏导水量小，不同于被动降水，对周边建筑物影响小。 2)通过基底孔隙水压力调节系统部分消散基底孔隙水压力，降低浮力作用，满足地下结构抗浮要求，不必完全消除孔隙水压力，实现经济性要求。 3)该系统随地下水位变动自适应动态调节，可主动消散动荷载作用下可能形成的超孔隙水压力，使基底孔隙水压力始终控制在基底目标孔隙水压力附近，提高静动荷载作用下主动抗浮措施的可靠性，适应地下水位动态变化。 根据设计原则可知，地下结构主动抗浮系统设计包括： 工程概况，工程场地工程地质和水文地质条件，抗浮设防水位确定，渗流计算分析确定需排除水量，基底排水系统布设，实时监控和应急系统设计等。 3 工程应用案例 3.1 工程概况 厦门和昌中心工程位于厦门岛东部前埔，环岛干线东北侧，洪前路东南侧，拟建建筑物地下室基坑开挖深度为2.8416.95 m。 根据勘察报告可知，基坑开挖深度范围内的主要含水层为杂填土1、素填土2和残积砂质黏性土，全风化花岗岩、强风化花岗岩1、强风化花岗岩2和中风化花岗岩的透水性、富水性较差，均属弱透水层。相关土层物理力学参数见表3。 地下室底板普遍低于地下水稳定水位，因此在地下室设计与施工时，需考虑地下水的防水和浮托作用，进行抗浮稳定性验算，并采取相应的防水和抗浮措施，以确保地下室的安全使用。根据厦门有关规定和经验，结合勘察实测的场地地下水稳定水位，并考虑到地下水位年变幅在整平至设计地坪标高的情况下，本工程地下室防水和抗浮设防水位标高建议按拟建场地周边道路设计标高以下1.0 m考虑。 3.2 设计计算分析 假设不透水层位于基底以下20.00 m处，根据场地水文地质条件，用SEEP/W数值模拟计算，概化土层剖面见图5，相关土层参数见表3。 图5 概化土层剖面(单位： m)Fig. 5 Generalized soil profile (m) 3.2.1 渗流分析 由流网分析在地下结构主动抗浮系统的单宽渗流量见图6。由数值模拟渗流分析可知，在A-A断面(标高为-5.10 m)基底的渗流为3.3110-5 m3/(sm) (2.91 m3/(dm)，B-B断面(标高为-4.40 m)基底的渗流为1.3910-5 m3/(sm) (1.21 m3/(dm)。进一步分析有无设置地下结构主动抗浮系统时基底处孔隙水压力变化情况(见图7)，图7(a)为设置地下结构主动抗浮系统时基底孔隙水压力分布情况，图7(b)为未设置地下结构主动抗浮系统时基底孔隙水压力分布情况。由图7可以看出，未设置地下结构主动抗浮系统时基底孔隙水压力达到202113 kPa； 而设置地下结构主动抗浮系统因为及时排出地下水，基底孔隙水压力为小于10 kPa。基底孔隙水压力的消散可以有效防止结构上浮，增加地下结构抗浮安全系数。 表3 地基土主要物理力学指标统计表Table 3 Physico-mechnical properties of soils土层名称天然含水量/%天然重度/(kN/m3)天然孔隙比液限wL/%塑限wP/%压缩模量Es1-2/MPa快剪黏聚力c/kPa内摩擦角/()渗透系数/(m/s)素填土22518109131217937808894010-6淤泥60716235146422814360115010-7黏土316194085434214584176982210-6粉质黏土2861908431217958778814010-6 图6 工程实例渗流分析结果(单位： m3/s)Fig. 6 Seepage analysis results of engineering application (m3/s) (a) 设置地下结构主动抗浮系统 (b) 未设置地下结构主动抗浮系统图7 基底孔隙水压力分布Fig. 7 Pore water pressure distribution of basement slab 3.2.2 变形分析 根据有限元变形分析结果可知，沉降分析对象取基坑两边地面(见图8)。在右侧地面，离坑壁6 m处达到的最大沉降6.54 cm，当与基坑距离超过40 m时，沉降小于2 cm; 在左侧地面，离坑壁10 m处达到最大沉降12.03 cm，当与基坑距离超过40 m时，沉降小于6 cm。对于地面X方向的变形，右侧地面最大变形为2 cm，左侧地面最大变形为6 cm。 (a) 右侧地面沉降 (b) 左侧地面沉降图8 地面沉降Fig. 8 Ground surface settlements 计算分析结果表明，使用地下结构主动抗浮系统不仅可以有效降低基底孔隙水压力，防止地下结构上浮，而且其基底单宽渗流量和地面变形量都在建筑结构的适用条件范围内。 3.3 设计施工方案简介 地下结构主动抗浮系统由诱导排水板、主排水板和土工膜覆盖组成，排水系统外接集水涵洞，通过集水井与市政管网连接。系统剖面见图9，平面布置见图10。在底板下卧土层布设孔隙水压力传感器，并在排水系统末端设置流量计，以监测系统运营情况，共布设50个孔隙水压力传感器和10个流量计，并且布设50个应急减压管，作为应急应对措施。 施工顺序如下： 铺设砂石垫层、诱导排水系统施工、主排水系统施工、主排水系统与集水井连接、监测与应急系统和顶面土工膜施工等。施工情况见图11。 图9 地下结构主动抗浮系统剖面图(单位： m)Fig. 9 Profile showing active anti-uplifting system of underground structure (m) 图10 地下结构主动抗浮系统平面布置图 Fig. 10 Plan of layout of active anti-uplifting system of underground structure 图11 地下结构主动抗浮系统施工图 Fig. 11 Construction site of active anti-uplifting system of underground structure 3.4 工程实施效果初评 厦门和昌中心工程地下结构主动抗浮系统于2014年5月铺设完成，铺设完成后，局部排水板开始排水(见图12)。地下室施工到正负零高程后，回填土，地下结构主动抗浮系统开始运行，确保施工期间地下室不至于在高水位作用下上浮，监测到的典型地下结构主动抗浮系统下土体孔隙水压力分布见图13。由图13可以看出，地下结构主动抗浮系统开始运行后，基地土体孔隙水压力迅速降低至目标孔隙水压力附近，地下结构主动抗浮系统发挥了抗浮作用。 图12 地下结构主动抗浮系统排水 Fig. 12 Drainage of active anti-uplifting system of underground structure 图13 典型的基底土孔隙水压力变化 Fig. 13 Typical variation of pore water pressure of soil under basement slab 4 结论与建议 地下结构主动抗浮系统主要由设置于地下结构基础底板下方具有专利技术的S型排水管材的DM(drainage mat)孔隙水压力疏导系统、孔隙水压力调节系统和智能监控系统组成。本文采用数值分析深入研究地下结构主动抗浮工作机制，制定了地下结构主动抗浮措施的设计原则，并应用于厦门和昌中心基础抗浮中，主要结论如下。 1)数值计算分析表明，地下结构主动抗浮系统特别适用于地下结构埋深范围内没有软弱土层，基底土体属于渗透系数小的硬土层，利用地下结构主动抗浮系统中的DM孔隙水压力疏导系统能及时排出地下水，消散基底孔隙水压力，并且对周边环境影响小，有效保证地下结构抗浮稳定性。 2)在工作机制研究基础上，本文提出地下结构主动抗浮系统设计原则和计算方法，包括抗浮设防水位、基底目标孔隙水压力和需排除水量确定，以及基底孔隙水压力疏导系统和孔隙水压力调节智能监控系统设计。 3)实际工程应用表明，地下结构主动抗浮措施消减了基础底板下方土体孔隙水压力，达到地下结构抗浮目标，节省了工期和造价，工程应用前景广阔。 4)建议后续研究工作如下： 首先，建立以渗流理论为基础，能考虑各种复杂边界条件的单宽渗流量计算公式；其次，研究DM孔隙水压力疏导系统在不同上覆压力以及不同基底土体条件下的渗透试验，为排水材料以及防淤堵土工织物选择提供依据; 最后，深入研究DM孔隙水压力疏导系统的长期性能，积累科学数据，为推动工程应用奠定坚实基础。 参考文献(References)： 1 袁正如. 地下工程的抗浮设计J. 地下空间, 2004, 24(1): 41-43.(YUAN Zhengru. 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