疏水减压法在大型地下结构抗浮设计中的应用.pdf

福建材技术应用2023年疏水减压法在大型地下结构抗浮设计中的应用詹滨（中国城市建设研究院有限公司福建分院，福建福州3 5 0 0 2 5）摘要以某大型地下结构为背景，通过3 种抗浮设计方案对比，确定了选用疏水减压法设计，并从多方面详细阐述了地下室疏水减压抗浮设计方法。实践证明，该抗浮设计方法能够节约工程造价和缩短工期，工程跋工投入使用相关监测数据显示，未发现明显的基础沉降和地面裂缝现象，取得良好应用效果。关键词疏水减压；大型地下结构；抗浮设计；疏水水量0引言随着城市经济高速发展，土地资源紧张的状况不断加剧，开发和利用地下空间成为解决城市可持续发展瓶颈问题的良好选择，因此，各个城市不断涌现出大型商场等地下结构。而大型商场普遍具有自重较轻且地下水浮力较大的特点，大型地下结构的抗浮问题成为摆在设计师面前一大的难题。一般情况下,地下水位取值为该地区历史最高水位或设计地面高程，地下水位正常情况下长期处于稳定区间，很少出现历史最高水位，如果按照历史最高水位进行取值显得有点保守，但是也不排除出现极端天气，如长时间持续暴雨或泄洪等事件，导致地下水位骤升的情况，尤其是在地下水丰富和地质情况复杂的大型地下结构，由于抗浮设计方案不合理导致地下室上浮事故屡见新闻报道。因此，设计师必须高度重视，确定合理的大型地下结构的抗浮设计方案，要求方案不仅能够顺利解决复杂地质和水文情况带来的浮力大问题，还能取得较好的经济效益。1工程概况某项目位于福州市仓山区吴山片区，总建筑面积为2 7 4 4 3 8 8 m，主要由2 4 栋建筑物组成，其中商务公寓为地上1 5 2 2 层，共有1 0 栋；商业楼为地上5 层，共有1 3栋；酒店为地上1 4 层，共有1 栋。拟建项目北侧为义序路,南侧为南三环路,西侧为齐安路,东北侧为果园、农作者简介：詹滨（1 97 9一）,男，研究生，硕士，工程师，从事建筑结构设计工作。88田和2 3 层的工业厂房，东南侧为天水村。地下室为3层，地下1 2 层使用功能为商场，地下3 层使用功能为设备用房和车库，地下室建筑面积为1 2 0 7 5 0 5 m。2地地质与水文情况2.1地质情况施工场地整体地势平坦，属于河谷阶地地貌，地质情况叙述如下：杂填土,均匀性差，主要成分为黏性土和砂，局部混有块石，呈松散 稍密状态，层厚0.601.40m；粉质黏土，局部混有细砂，属于中等压缩性土，以黏粉粒为主，呈可塑硬塑状态,层厚0.501.80m；含泥中细砂，主要成分为石英砂，混有黏粉粒，黏粉粒含量约为1 3%，呈松散 稍密状态，属于可液化土层，层厚5.8 0 1 1.2 0 m；淤泥夹薄层粉细砂，主要成分为黏粉粒，力学强度低，呈流塑状态，属于高压缩性土，层厚1 6.3 0 2 5.8 0 m；细砂，主要成分为石英砂，呈松散状态，属于可液化土层，层厚为3.506.10m；粉质黏土，局部混有细砂，呈软塑 硬塑状态，细砂含量约为8%，属于中等压缩性土，层厚4.507.20m；淤泥质土，主要成分为黏粉粒，呈流塑状态，压缩性高，层厚3.1 0 4.6 0 m；圆砾，混有黏性土和粗砾砂，圆砾含量7 8%90%，粒径为8 2 3 mm，呈中密状态，层厚4.3 0 6.2 0 m；残积砂质黏性土，主要成分为高岭土，风化较为厉害，手捏即碎，层厚1.803.50m；全风化花岗岩，低压缩性，风化强烈，力学强度较高，层厚3.8 0 6.2 0 m；砂土状强风化花岗岩，力学强度高，低压缩性，岩芯呈砂土状，层厚4.207.40m；碎块状强风化花岗岩，风化程度不均匀，低压缩性，碎裂状构造，层厚8.6 0 1 0.5 0 m；中风福建材技术应用第7 期（总第2 6 7 期）化花岗岩，不可压缩性,岩质坚硬,中细粒花岗结构,层厚3.1 0 7.4 0 m。2.2水文情况施工场地西北、东南和西南处各有1 个池塘，面积为2 0 0 0 5 0 0 0 m，水深为1 2 m。距场地南侧1 0 0 1 5 0 m有条马洲河，河面宽度为3 5 7 6 m。查阅相关资料可知，马洲河近5 年的水位高程最大值为5.8 m，场地内灌溉水渠较多，地表水较为发育。据不完全统计，该地区雨季为5 一6 月，月最大降雨量6 1 3.1 mm，月最高降雨日为1 8 d。该工程的上层滞水主要埋藏于杂填土和粉质黏土等土层中，孔隙承压水则赋存于含泥中细砂、细砂和圆砾等土层中，风化裂隙水则埋藏于花岗岩各种裂隙中。勘察期间，场地内地下水埋深为0.7 0 2.8 0 m，对应的高程为2.8 9 5.2 5 m，地下水具有微腐蚀性。马州河水位高程最大量测值为3.5 m，场地内市政道路路面高程实测值为7.0 7.2 m，盖山路（场地南侧）路面高程实测值为6.7 m，地坪高程设计值为7.35m，因此该工程抗浮水位高程设计值为6.0 0 m。3#抗浮设计方案确定3.1压重法压重法就是以建筑物自重来抵御地下水的浮力，在底板上增加覆土厚度或加大回填层自重，从而加大结构自重；将混凝土变成重度混凝土，利用材料特性来增加自重；将底板外挑，使得底板上的覆盖土体重量较大；增加底板厚度、剪力墙或砖墙墙体厚度、上部结构规格尺寸或增设屋顶等方式来增加结构自重。压重法抗浮设计相对简单，只要压重大于浮力即可，受地质情况影响较小，主要适用于抗浮要求不高的项目。该工程为大型地下结构，地下室为3 层，面积较大，地下水浮力与结构自重相差较大，采用压重法将造成工程造价极高，经济性较差,另外,对使用功能有所影响,因此不采纳压重法。3.2锚固抗浮法锚固抗浮法主要采用抗浮桩和抗浮锚杆进行被动式抗浮，抗浮桩主要是靠桩周摩阻力和桩身自重为建筑结构提供抗拔力，常见桩型有灌注桩和PHC管桩。为了提高抗拔力，通常要求灌注桩嵌人岩体一定长度。灌注桩工程造价相对较高，施工周期较长。PHC管桩对地质条件要求较高，虽然施工速度快，但是造价依然很高。抗浮锚杆主要以其与岩层的摩阻力为基础提供抗拔力，施工工艺简单，但是注浆体在浮力较大情况下容易出现断裂现象。该工程地下水具有微腐蚀性，锚杆可能会受到一定腐蚀，抗腐蚀措施一般而言造价较高，因此不采纳锚固抗浮法。3.3疏水减压法疏水减压法充分利用土层透水率较低的特性，在地下室底板下采用砂、石和土工织物等材料设置透水层，从而将地下水通过透水层中的滤水管以自然溢流形式，经布置好的集水管网系统排入集水井中，并在集水井中设置抽水泵和溢流管，一旦水位触及到临界值，则自动将地下水抽到地面的消防水池或市政管网，从而使得地下水水位高程低于临界值，属于主动抗浮法 2 。通过疏水措施保证地下水水位高程得到合理控制,从而减小或消除地下水对基础底板的浮力，以期达到抗浮的目标。出于技术先进、施工简便、经济合理和安全可靠等因素考量，根据该工程基坑深度、基底的低渗透性土层、水文条件和周边环境等情况，最终确定该工程抗浮设计方案为疏水减压法。4地下室疏水减压抗浮设计方法4.1设计原则疏水减压抗浮设计原则为：保证地下室底板不因浮力过大而导致受弯开裂破坏；基底土层的渗透性能满足疏水减压法的适用条件，且抗浮设计方案符合地下室抗浮稳定性要求；地下水水位高程变化不得引起较大的地基沉降，不得对周边建筑或地下管线造成较大影响，不得出现安全事故。4.2疏水减压法适用条件鉴于疏水减压法对地质条件要求比较严格，其适用条件如下 3 :基底土层的渗流水量q0.03m（m d);基础承载力符合设计要求；基坑采用放坡开挖法，要求处于地下室底板上下2 m范围内的岩土层渗透系数k10-cm/s，并要求对岩土层的水平与垂直渗透系数的影响进行评估，地下室土方回填时，要求基坑最下方2m位置须回填渗透系数k10cm/s的土料；采用挡土排桩基坑支护方式，要求处于地下室底板上下2 m范围内的岩土层渗透系数k10cm/s;采用止水惟幕和挡土排桩结合支护方式或地连墙支护方式，要求地下室底板至挡土结构底部处的岩土层渗透系数k10-4cm/s且土层厚度 2.0 m，假如岩土层渗透系89福建材技术应用2023年数不达标或存在高透水裂缝情况下，采用注浆、换填土料或其他地质改良等方法使得土层渗透系数满足k10-tcm/s。4.3疏水水量计算和滤水管选用地质勘察报告建议该工程地下室抗浮水位高程为6.0 0 m，地下室层高为3.9 4.5 m，地坪高程设计值为7.35m，地下室顶板覆土厚度为0.9m，抗浮水头相对标高为6.0 0-7.3 5=-1.3 5 m，而顶板覆土到底板面距离为3.9+4.5+4.5+0.9=13.8m，因此可以算出底板面设计水头为（1 3.8-1.3 5）1 0=1 2 4.5 kN/m。该工程疏水后抗浮设计水位高程为-3.5 3 m，显而易见，疏水设计水压力为9.5 3 m，基底土质主要以淤泥夹薄层粉细砂和粉质黏土为主，查看地勘报告可知其渗透系数分别为1.510c m/s 和5.0 1 0 cm/s,该工程基坑支护方式为SMW工法桩+混凝土内支撑，地下水渗流量采用达西定律进行计算：Q=KAH I L式中：Q为地下水渗流量；A为基础底面积；K为基底土层渗透系数平均值；H为基底与地下水位的水头差；L为水力路径长度。根据地勘资料取几个典型的孔位计算地下水渗流量，基底土层渗透系数平均值K为6.1 1 0 cm/s,基底高程为-3 6.0 4 m，L为3 2.5 1 m，H 为9.5 3 m，A 取值1 m,单位换算1 cm/s=864m/d，因此单位面积地下水渗流量Q=6.1 10-86419.53=32.51=0.015m/md)。根据疏水减压法适用条件第1 条可知，该工程抗浮设计可以采用疏水减压法。为了更好地疏水，该工程拟在柱网中点位置布置管径为1 0 0 mm的塑料滤水管，在滤水管上钻取尺寸为1 0 mm2mm的管孔，柱间距为6.1 1 0.8 m，因此，滤水管与柱子中线间距为3.1 5.4 m，以最大管线间距为1 0.8 m和1 0 倍安全系数进行滤水管疏水能力计算，单位换算1 m/d=86400m/s，管线形成面积为1 0.8 1 0.8=1 1 6.6 4 m，单位面积地下水渗流量为0.015m（md）,1 0 倍安全系数情况下该面积内滤水管疏水量1 1 6.6 4 0.0 1 5 1 0=8 6 4 0 0=2.0 3 1 0 4 m/s。查阅给水排水设计手册可知,该工程采用波纹滤水管（管径为1 0 0 mm）的湿周为0.1 5 7 m，过水面积为4.010m,粗糙系数为1.2 5 1 0,降坡为4.0 1 0-，滤水管疏水能力为1.7 3 1 0-m/s，即选用的滤水管满足场地渗流疏水要求。904.4正疏水措施及构造做法（1）经过计算可知，在级配碎石层中埋置1 根直径为1 0 0 mm的塑料滤水管即可满足疏水减压要求。滤水管采用土工布包裹，碎石层粒径为5 1 5 mm，含泥量3%。地下水由土工布过滤后进人碎石层，再经由滤水管排人集水坑，碎石层与底板间设置防水层，从而杜绝地下水往上渗透进入底板。为了防止外来水渗透进入透水层影响到地下水位高程，地下室外墙在止水惟幕以上受到扰动区域的地面分层回填和夯实纯黏土，要求压实度94%。连续土工布性能指标如下：等效孔径0.0 95 mm，纬向断裂伸长率3 0%，透水率0.2 5 L/s，撕破强力0.9kN，顶破强度4.0 kN，单位面积质量3 3 0 g/m,纬向断裂强度2 0 kN。滤水管外包土工布性能要求：透水率0.3 6 L/s，等效孔径0.22mm，单位面积质量2 5 0 g/m。聚乙烯保护膜性能要求：透水率2 2 0 L/s,厚度0.2 2 mm。滤水管大样图如图1 所示。土工布滤水管底板面100mm直径双壁高密度聚乙烯打孔波纹地下排水管，专用接口连接管孔大小为1 0 mm2mm.180开孔，环刚度 6.3图1 滤水管大样图（2）鉴于施工场地西北、东南和西南处存在较大面积的水塘，为了防止池塘水渗透导致基底内水量骤增，在地下室剪力墙外围单排设置水泥搅拌桩止水幕，桩长为6 7 m，桩径为6 0 0 mm，桩与桩的搭接宽度为400mm，要求桩身进入基础底板下5.0 m。（3）根据滤水管布置情况及疏水量合理地布置集地下室底板地下室防水层100mm厚C15素混凝土垫层聚乙烯保护膜300mm厚粒径5 1 5 mm级配碎石压实层，中间布滤水管外包土工布滤水管连续的地下水过滤土工布100mm厚中粗砂层福装建材技术应用第7 期（总第2 6 7 期）水坑，集水坑主要尺寸为1 5 0 0 mm1000mm1500mm（长度宽度深度）,每9 0 0 m布置1 个集水坑。为了及时了解地下水位高程，在布置的管路中每1 5 根滤水管挑选出1 根在柱子上安装玻璃液位计。为了防止管路出现淤堵现象，在滤水管进入集水坑的管段下端和集水坑顶部分别设置排污管堵和反冲洗管堵。为了预防连续大暴雨极端气候下，集水坑内地下水爆满来不及自然溢流，可以采取抽水泵辅助将地下水输送至市政排水系统,因此,在底板面高程+2.5 m位置设置抽水接口。集水坑位置管路布置图如图2 所示。De25UPVC绘水篮每1 5 根滋水管中选用一根设置疫璃液位计，具体现场选取跨藏位置可选择柱位处设置并做好保护措施全长包2 景无坊布直径1 0 0 mm双壁高密度聚乙烯打孔波纹地下排水管De100UPVC给水管管壁打0 1 0 mmDe100UPVC给水管1 m/图2 集水坑位置管路布置图4.5疏水减压抗浮设计优点（1）基底地下水经土工布过滤后进入碎石层中滤水管，再由滤水管排人集水坑，底板下设置防水层，防止地下水上涌。充分利用自然渗流原理，使得基底水压力得到控制，疏水层成为永久性构造，从而避免地下室底板受弯开裂破坏。（2）渗流出来的地下水可作为消防水池用水和绿化灌溉之用，环保又经济。（3）疏水层构造做法施工工艺较为成熟与简单，施工质量有保障。（4）在遭遇连续大暴雨等恶劣气候导致基底水位+（上接第3 5 页）参考文献1李之吉,陆申烨.伪满洲国国务院旧址修复研究.安徽建筑,2 0 1 7,2 4(4):8 1-8 2,1 2 8.2白龙人民日报今日谈：延续城市的历史文脉 N.人民日报,2 0 2 0-0 2-0 8(1).3雷家玥.南满铁路附属地历史建筑研究 D.哈尔滨：哈尔大幅提升情况下，能够有效控制基底水位高程，避免传统抗浮设计因抗浮方案选择不当而出现的结构安全事故，确保建筑结构安全。（5）采用疏水减压抗浮设计，不需要设置抗拔桩或抗浮锚杆；由于地下水位高程得到有效控制，水头压力所产生作用于底板的荷载相应减少，底板厚度由原先的8 0 0 mm变成6 0 0 mm，配筋数量和混凝土量相应减少。采用抗拔桩抗浮设计底板造价为1 0 3 1 元/m，灌注桩造价为2 8 2 3 元/m；而采用疏水减压抗浮设计底板造价为7 2 0 元/m，灌注桩造价为8 6 9元/m；与抗拔桩抗浮设计对比而言,采用疏水减压抗浮设计能节约工期底板面+2.5 0 0 mDe50UPVC绘水生DN80出水采统De80UPVC给水管出水口预留管端接口排污管罐集水坑102d。综上，疏水减压抗浮设计不仅可以节省工程造价，还能大大缩短工期，一举两得。5结语底板面针对基底土层为低渗透性土层和大型地下室结构抗浮设计问题，创新性地提出疏水减压抗浮设计方法。该方法利用自然渗流原理将地下水抗浮水位控制在合理区间，从而减小水压力。与传统抗拔桩或抗浮锚杆抗浮设计方法对比而言，该方法减少了地下室底板的厚度及抗拔桩或抗浮锚杆数量，工程造价较低，施工速度较快，具有良好的应用前景。参考文献1侯锟,陈川,文夜.浅谈某地下室抗浮方案的选择.四川建筑,2 0 2 0(2):2 9 5-2 9 7.2史时喜,程中国.泄水减压技术在地铁车辆地下停车场结构抗浮设计中的应用.铁道建筑,2 0 1 9（2）：1 0 6-1 0 9.3曹洪,骆冠勇,潘泓.采用廊道排水减压解决地下结构抗浮问题的研究及应用.岩石力学与工程学报,2 0 1 6（9）：1864-1870.4中国市政工程西南设计研究院.给水排水设计手册：第二版 M.北京：中国建筑工业出版社,2 0 0 0:4 5-5 5.*+滨工业大学,2 0 1 2.4于奇.长春历史文化与伪满建筑遗产保护 C/中国建筑学会建筑史学分会营造第五辑一一第五届中国建筑史学国际研讨会会议论文集（下）,2 0 1 0:4 4 6-4 5 0.5石梦娇,胡海德,赵岩,等.基于空间句法的历史文化街区的活化与更新一一以长春市人民大街北段为例.四川建材,2 0 1 7,4 3(1 2):6 5-6 6.91