地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮措施工作機(jī)制及工程應(yīng)用.doc

地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮措施工作機(jī)制及工程應(yīng)用 地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮措施工作機(jī)制及工程應(yīng)用 地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮措施工作機(jī)制及工程應(yīng)用 胡正東1， 劉毓氚2 (1. 深圳市市政工程總公司， 廣東 深圳 518034； 2. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108) 摘要：為了研究高水位地區(qū)地下結(jié)構(gòu)抗浮問題，提出在地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板下方設(shè)置具有專利技術(shù)的S型排水DM(drainage mat)地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮措施，采用數(shù)值分析深入研究地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮工作機(jī)制，制定了地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮措施的設(shè)計(jì)原則和計(jì)算方法，并應(yīng)用于廈門和昌中心地下結(jié)構(gòu)抗浮工程中。研究表明，地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮措施消減了基礎(chǔ)底板下方土體孔隙水壓力，達(dá)到地下結(jié)構(gòu)抗浮目標(biāo)，節(jié)省了工期和造價(jià)，工程應(yīng)用前景廣闊。 關(guān)鍵詞：地下結(jié)構(gòu); 主動(dòng)抗浮; 孔隙水壓力疏導(dǎo)調(diào)節(jié); S型排水 0 引言 由于城市用地日趨緊張，建設(shè)必然向空中和地下發(fā)展，大型地下空間開發(fā)逐步成為增強(qiáng)城市功能、改善城市環(huán)境的重要途徑，建筑地下室、城市地鐵、地下管廊、地下商場、地下交通、地下停車場和綜合交通樞紐等大型地下結(jié)構(gòu)埋深大，在南方高地下水位條件下，地下結(jié)構(gòu)基底受靜水壓力作用產(chǎn)生上浮力(hydrostatic uplift)，上浮力作用易抬升基礎(chǔ)底板，甚至導(dǎo)致基礎(chǔ)底板開裂、地下室滲水等工程災(zāi)害1，地下結(jié)構(gòu)抗浮以及防滲問題突出2。 GB 500072011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范3規(guī)定，當(dāng)建筑地下室或地下構(gòu)筑物存在上浮問題時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算； 當(dāng)不滿足抗浮穩(wěn)定要求時(shí)，必須采取合適的地下結(jié)構(gòu)抗浮措施。 傳統(tǒng)的地下結(jié)構(gòu)被動(dòng)抗浮技術(shù)包括增加基礎(chǔ)荷重、設(shè)置抗拔樁或者抗浮錨桿4，這些被動(dòng)抗浮措施往往工期長、造價(jià)高5-8，同時(shí)抗浮設(shè)防水位難以合理確定9，即便滿足抗浮要求，但由于基底靜水壓力仍然存在，一旦出現(xiàn)裂縫，地下室便容易滲水。 考慮到地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板上浮力是由于作用在基礎(chǔ)底板的孔隙水壓力而產(chǎn)生的，探索地下結(jié)構(gòu)有效治本的主動(dòng)抗浮措施，必須從控制基底土體水壓力入手10?？刂苹淄馏w孔隙水壓力，可通過在地下結(jié)構(gòu)底板設(shè)置排水措施消減部分靜水壓力，或者設(shè)置阻斷地下水滲流的防滲墻得以實(shí)現(xiàn)11，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在美國12、香港13、新加坡14和臺(tái)灣15等地下結(jié)構(gòu)抗浮工程中成功應(yīng)用，從未來技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢上看，主動(dòng)抗浮措施優(yōu)點(diǎn)多，應(yīng)用前景廣闊，亟待開展相關(guān)技術(shù)研究16。 工程實(shí)踐表明，基底設(shè)置地下排水系統(tǒng)降低水位是防止水滲入地下室和降低地下室底板浮托力最有效的方法，但有一定的適用條件17。地下結(jié)構(gòu)底板下設(shè)置永久排水系統(tǒng)以消減底板揚(yáng)壓力，盡管已得到工程應(yīng)用，但目前仍然處于概念性設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)累積階段，工作機(jī)制、計(jì)算方法、適用條件以及排水系統(tǒng)長期穩(wěn)定等有待深入研究18-19。 本文提出以S型排水管材為基礎(chǔ)的地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)，該系統(tǒng)由設(shè)置于地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板下方具有專利技術(shù)的S型排水管材的DM(drainage mat)孔隙水壓力疏導(dǎo)系統(tǒng)、孔隙水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和智能監(jiān)控系統(tǒng)組成，已成功應(yīng)用于廈門和昌中心地下結(jié)構(gòu)抗浮工程中，應(yīng)用效果良好，孔隙水壓力疏導(dǎo)系統(tǒng)見圖1，S型排水板材料參數(shù)見表1。本文采用數(shù)值分析研究手段，深入研究地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮新技術(shù)工作機(jī)制，拓寬其適用范圍，提出地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮新技術(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并開展實(shí)際工程應(yīng)用研究，推動(dòng)新技術(shù)工程應(yīng)用。 (a) 新型排水系統(tǒng) (b) 新型排水材料的地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)圖1 孔隙水壓力疏導(dǎo)系統(tǒng)(單位： mm)Fig. 1 Hydrostatic pressure relief system (mm)表1 S型排水板材料參數(shù)Table 1 Material parameters of S-typed drainage mat 檢測項(xiàng)目指標(biāo)最大拉力縱向800N/25mm斷裂伸長率15%最大壓縮強(qiáng)度20kN/100cm2 1 地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮措施工作機(jī)制研究 1.1 模型建立 采用有限元法分析地下結(jié)構(gòu)基底主動(dòng)抗浮系統(tǒng)工作機(jī)制時(shí)，首先必須建立基本模型，根據(jù)研究選擇需要的有限元模塊，根據(jù)有限元法分析地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)機(jī)制，在有限元分析中選擇使用SEEP/W和SIGMA/W模塊。由SEEP/W模塊分析滲流情況，分析孔隙水壓力，將SEEP/W模塊分析中得到的結(jié)果應(yīng)用于SIGMA/W模塊分析中，分析土體變形，研究設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)對周邊環(huán)境的影響。 1.2 典型土層分布案例分析 以典型土層分布為研究對象，采用有限元法深入研究高水位條件下，設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)基底土體滲流分布規(guī)律以及對周邊環(huán)境的影響，通過比較分析得出地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)的適用性及其影響因素。 設(shè)置地面標(biāo)高為0，地下室底板標(biāo)高-10 m，水位標(biāo)高-1.0 m，地下室底板寬16 m。地下室底板下設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)，土層分布及基坑剖面見圖2，土層參數(shù)見表2。 圖2 典型土層剖面圖(單位： m)Fig. 2 Profile of typical soil layers (m)表2 土體參數(shù)Table 2 Soil properties 土層厚度/m重度/(kN/m3)有效彈性模量/MPa滲透系數(shù)/(m/s)黏土20185159510-7 由流網(wǎng)分析在地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)的單寬滲流量計(jì)算結(jié)果(見圖3)，單寬滲流量為3.5910-6 m3/(sm)(0.31 m3/(dm)。進(jìn)一步分析有無設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)時(shí)基底孔隙水壓力變化情況(見圖4)，圖4(a)為未設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)時(shí)基底孔隙水壓力分布情況，圖4(b)為設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)時(shí)基底孔隙水壓力分布情況。由圖4可以看出，未設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)時(shí)基底孔隙水壓力達(dá)到88.26 kPa； 而設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)因?yàn)榧皶r(shí)排出地下水，基底孔隙水壓力為0?；卓紫端畨毫Φ南⒖梢杂行Х乐菇Y(jié)構(gòu)上浮，增加地下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。 圖3 滲流分析結(jié)果(單位： m3/s)Fig. 3 Seepage analysis results (m3/s) (a)未設(shè)置系統(tǒng) (b)設(shè)置系統(tǒng)圖4 基底孔隙水壓力分布Fig. 4 Pore water pressure distribution of basement slab 典型土層案例分析結(jié)果表明，在黏土層中使用地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)，不僅可以有效降低基底孔隙水壓力，防止地下結(jié)構(gòu)上浮，而且其基底單寬滲流量都在建筑結(jié)構(gòu)的適用條件范圍內(nèi)。地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)特別適用于地下結(jié)構(gòu)埋深范圍內(nèi)沒有軟弱土層，基底土體屬于滲透系數(shù)小的硬土層，利用地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)中的DM孔隙水壓力疏導(dǎo)系統(tǒng)能及時(shí)排出地下水，消散基底孔隙水壓力，并且對周邊環(huán)境影響小，有效保證地下結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性。 2 地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)設(shè)計(jì) 地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作機(jī)制研究表明，地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)可靠的主動(dòng)抗浮措施，為實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則如下。 1)主動(dòng)疏導(dǎo)排水，將地下結(jié)構(gòu)基底下多余地下水通過設(shè)置于地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板下方的DM孔隙水壓力疏導(dǎo)系統(tǒng)在有壓條件下主動(dòng)排除，需疏導(dǎo)水量小，不同于被動(dòng)降水，對周邊建筑物影響小。 2)通過基底孔隙水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)部分消散基底孔隙水壓力，降低浮力作用，滿足地下結(jié)構(gòu)抗浮要求，不必完全消除孔隙水壓力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性要求。 3)該系統(tǒng)隨地下水位變動(dòng)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，可主動(dòng)消散動(dòng)荷載作用下可能形成的超孔隙水壓力，使基底孔隙水壓力始終控制在基底目標(biāo)孔隙水壓力附近，提高靜動(dòng)荷載作用下主動(dòng)抗浮措施的可靠性，適應(yīng)地下水位動(dòng)態(tài)變化。 根據(jù)設(shè)計(jì)原則可知，地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括： 工程概況，工程場地工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，抗浮設(shè)防水位確定，滲流計(jì)算分析確定需排除水量，基底排水系統(tǒng)布設(shè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控和應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。 3 工程應(yīng)用案例 3.1 工程概況 廈門和昌中心工程位于廈門島東部前埔，環(huán)島干線東北側(cè)，洪前路東南側(cè)，擬建建筑物地下室基坑開挖深度為2.8416.95 m。 根據(jù)勘察報(bào)告可知，基坑開挖深度范圍內(nèi)的主要含水層為雜填土1、素填土2和殘積砂質(zhì)黏性土，全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖1、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖2和中風(fēng)化花崗巖的透水性、富水性較差，均屬弱透水層。相關(guān)土層物理力學(xué)參數(shù)見表3。 地下室底板普遍低于地下水穩(wěn)定水位，因此在地下室設(shè)計(jì)與施工時(shí)，需考慮地下水的防水和浮托作用，進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算，并采取相應(yīng)的防水和抗浮措施，以確保地下室的安全使用。根據(jù)廈門有關(guān)規(guī)定和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合勘察實(shí)測的場地地下水穩(wěn)定水位，并考慮到地下水位年變幅在整平至設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高的情況下，本工程地下室防水和抗浮設(shè)防水位標(biāo)高建議按擬建場地周邊道路設(shè)計(jì)標(biāo)高以下1.0 m考慮。 3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算分析 假設(shè)不透水層位于基底以下20.00 m處，根據(jù)場地水文地質(zhì)條件，用SEEP/W數(shù)值模擬計(jì)算，概化土層剖面見圖5，相關(guān)土層參數(shù)見表3。 圖5 概化土層剖面(單位： m)Fig. 5 Generalized soil profile (m) 3.2.1 滲流分析 由流網(wǎng)分析在地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)的單寬滲流量見圖6。由數(shù)值模擬滲流分析可知，在A-A斷面(標(biāo)高為-5.10 m)基底的滲流為3.3110-5 m3/(sm) (2.91 m3/(dm)，B-B斷面(標(biāo)高為-4.40 m)基底的滲流為1.3910-5 m3/(sm) (1.21 m3/(dm)。進(jìn)一步分析有無設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)時(shí)基底處孔隙水壓力變化情況(見圖7)，圖7(a)為設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)時(shí)基底孔隙水壓力分布情況，圖7(b)為未設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)時(shí)基底孔隙水壓力分布情況。由圖7可以看出，未設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)時(shí)基底孔隙水壓力達(dá)到202113 kPa； 而設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)因?yàn)榧皶r(shí)排出地下水，基底孔隙水壓力為小于10 kPa?；卓紫端畨毫Φ南⒖梢杂行Х乐菇Y(jié)構(gòu)上浮，增加地下結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)。 表3 地基土主要物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Physico-mechnical properties of soils土層名稱天然含水量/%天然重度/(kN/m3)天然孔隙比液限wL/%塑限wP/%壓縮模量Es1-2/MPa快剪黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角/()滲透系數(shù)/(m/s)素填土22518109131217937808894010-6淤泥60716235146422814360115010-7黏土316194085434214584176982210-6粉質(zhì)黏土2861908431217958778814010-6 圖6 工程實(shí)例滲流分析結(jié)果(單位： m3/s)Fig. 6 Seepage analysis results of engineering application (m3/s) (a) 設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng) (b) 未設(shè)置地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)圖7 基底孔隙水壓力分布Fig. 7 Pore water pressure distribution of basement slab 3.2.2 變形分析 根據(jù)有限元變形分析結(jié)果可知，沉降分析對象取基坑兩邊地面(見圖8)。在右側(cè)地面，離坑壁6 m處達(dá)到的最大沉降6.54 cm，當(dāng)與基坑距離超過40 m時(shí)，沉降小于2 cm; 在左側(cè)地面，離坑壁10 m處達(dá)到最大沉降12.03 cm，當(dāng)與基坑距離超過40 m時(shí)，沉降小于6 cm。對于地面X方向的變形，右側(cè)地面最大變形為2 cm，左側(cè)地面最大變形為6 cm。 (a) 右側(cè)地面沉降 (b) 左側(cè)地面沉降圖8 地面沉降Fig. 8 Ground surface settlements 計(jì)算分析結(jié)果表明，使用地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)不僅可以有效降低基底孔隙水壓力，防止地下結(jié)構(gòu)上浮，而且其基底單寬滲流量和地面變形量都在建筑結(jié)構(gòu)的適用條件范圍內(nèi)。 3.3 設(shè)計(jì)施工方案簡介 地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)由誘導(dǎo)排水板、主排水板和土工膜覆蓋組成，排水系統(tǒng)外接集水涵洞，通過集水井與市政管網(wǎng)連接。系統(tǒng)剖面見圖9，平面布置見圖10。在底板下臥土層布設(shè)孔隙水壓力傳感器，并在排水系統(tǒng)末端設(shè)置流量計(jì)，以監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)營情況，共布設(shè)50個(gè)孔隙水壓力傳感器和10個(gè)流量計(jì)，并且布設(shè)50個(gè)應(yīng)急減壓管，作為應(yīng)急應(yīng)對措施。 施工順序如下： 鋪設(shè)砂石墊層、誘導(dǎo)排水系統(tǒng)施工、主排水系統(tǒng)施工、主排水系統(tǒng)與集水井連接、監(jiān)測與應(yīng)急系統(tǒng)和頂面土工膜施工等。施工情況見圖11。 圖9 地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)剖面圖(單位： m)Fig. 9 Profile showing active anti-uplifting system of underground structure (m) 圖10 地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)平面布置圖 Fig. 10 Plan of layout of active anti-uplifting system of underground structure 圖11 地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)施工圖 Fig. 11 Construction site of active anti-uplifting system of underground structure 3.4 工程實(shí)施效果初評(píng) 廈門和昌中心工程地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)于2014年5月鋪設(shè)完成，鋪設(shè)完成后，局部排水板開始排水(見圖12)。地下室施工到正負(fù)零高程后，回填土，地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)開始運(yùn)行，確保施工期間地下室不至于在高水位作用下上浮，監(jiān)測到的典型地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)下土體孔隙水壓力分布見圖13。由圖13可以看出，地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)開始運(yùn)行后，基地土體孔隙水壓力迅速降低至目標(biāo)孔隙水壓力附近，地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)發(fā)揮了抗浮作用。 圖12 地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)排水 Fig. 12 Drainage of active anti-uplifting system of underground structure 圖13 典型的基底土孔隙水壓力變化 Fig. 13 Typical variation of pore water pressure of soil under basement slab 4 結(jié)論與建議 地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)主要由設(shè)置于地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板下方具有專利技術(shù)的S型排水管材的DM(drainage mat)孔隙水壓力疏導(dǎo)系統(tǒng)、孔隙水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和智能監(jiān)控系統(tǒng)組成。本文采用數(shù)值分析深入研究地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮工作機(jī)制，制定了地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮措施的設(shè)計(jì)原則，并應(yīng)用于廈門和昌中心基礎(chǔ)抗浮中，主要結(jié)論如下。 1)數(shù)值計(jì)算分析表明，地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)特別適用于地下結(jié)構(gòu)埋深范圍內(nèi)沒有軟弱土層，基底土體屬于滲透系數(shù)小的硬土層，利用地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)中的DM孔隙水壓力疏導(dǎo)系統(tǒng)能及時(shí)排出地下水，消散基底孔隙水壓力，并且對周邊環(huán)境影響小，有效保證地下結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性。 2)在工作機(jī)制研究基礎(chǔ)上，本文提出地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和計(jì)算方法，包括抗浮設(shè)防水位、基底目標(biāo)孔隙水壓力和需排除水量確定，以及基底孔隙水壓力疏導(dǎo)系統(tǒng)和孔隙水壓力調(diào)節(jié)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 3)實(shí)際工程應(yīng)用表明，地下結(jié)構(gòu)主動(dòng)抗浮措施消減了基礎(chǔ)底板下方土體孔隙水壓力，達(dá)到地下結(jié)構(gòu)抗浮目標(biāo)，節(jié)省了工期和造價(jià)，工程應(yīng)用前景廣闊。 4)建議后續(xù)研究工作如下： 首先，建立以滲流理論為基礎(chǔ)，能考慮各種復(fù)雜邊界條件的單寬滲流量計(jì)算公式；其次，研究DM孔隙水壓力疏導(dǎo)系統(tǒng)在不同上覆壓力以及不同基底土體條件下的滲透試驗(yàn)，為排水材料以及防淤堵土工織物選擇提供依據(jù); 最后，深入研究DM孔隙水壓力疏導(dǎo)系統(tǒng)的長期性能，積累科學(xué)數(shù)據(jù)，為推動(dòng)工程應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn)(References)： 1 袁正如. 地下工程的抗浮設(shè)計(jì)J. 地下空間, 2004, 24(1): 41-43.(YUAN Zhengru. 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