地下建筑抗浮设计新方法——消除浮力法的工程实践与探讨_童建富.pdf

第 5 卷第 1 期 地 基 处 理 Vol.5 No.1 2023 年 1 月 Journal of Ground Improvement Jan.2023 地下建筑抗浮设计新方法消除浮力法的 工程实践与探讨 童建富1*，夏胜天2，阮陆宇1，吴开成3，沈永良2（1.杭州通达集团有限公司建筑设计院，浙江 杭州 310019；2.国昇设计有限责任公司，浙江 杭州 311200；3.浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310028）摘 要：传统地下建筑抗浮设计大多采用被动抗浮模式，需要设置大量的抗拔桩或相当数量的压重来平衡基底的水浮力，不仅建造成本高，而且对施工和使用期间抗浮水位的取值很敏感，要求数据比较准确，当偶遇暴雨引发的洪涝灾害时，往往容易发生地下室上浮等安全事故。针对传统地下建筑抗浮设计存在成本高、事故多等缺点，本文提出新的抗浮设计方法消除浮力法，通过在基坑周边设置隔水构件，以及在基底利用反滤层排水，从而对基底渗流水采用疏堵结合的措施，有效消除基底水浮力，该方法属于主动抗浮模式。经过理论分析，消除浮力法不需要抗拔桩或大量压重就能有效解决地下室抗浮的难题。该方法概念清晰、受力明确、安全可靠、经济合理、简便实用，具有很好的工程实际应用价值，并且已经在实际工程中取得了非常好的应用效果。关键词：抗浮设计；抗拔桩；消除浮力法；渗流量；反滤层；主动抗浮；被动抗浮 中图分类号：TU46 文献标识码：A 文章编号：20967195(2023)01004306 Engineering practice and discussion on a new anti-floating design method of underground buildings TONG Jian-fu1*,XIA Sheng-tian2,RUAN Lu-yu1,WU Kai-cheng3,SHEN Yong-liang2(1.The Architectural Design Institute of Hangzhou Tongda Group Co.,Ltd.,Hangzhou 310019,Zhejiang,China；2.GuoSheng Design Co.,Ltd.,Hangzhou 311200,Zhejiang,China；3.The Architectural Design and Research Institute of Zhejiang University Co.,Ltd.,Hangzhou 310028,Zhejiang,China)Abstract:The traditional anti-floating method of underground buildings mostly adopts passive anti-floating mode.This requires a large number of uplift piles or a considerable amount of weight to balance the water buoyancy at the bottom of the foundation pit.This traditional method is not only expensive,but also sensitive to the anti-floating water level during construction and running.At the same time,the anti-floating water level needs to be accurately determined.When encountering rainstorms,security incidents such as basement floating are often prone to occur.Due to the disadvantages of high cost and potential risks in the traditional anti-floating method of underground buildings,this paper proposes a new anti-floating design method:the method of eliminating buoyancy.In this method,a water blocking member is arranged around the foundation pit,and a reverse filter layer is used on the base to drain water.A combination of dredging and blocking measures is adopted for the seepage water of the basement to effectively eliminate the buoyancy of the basement water.Different from the traditional method,this method is a kind of active anti-floating mode.After theoretical analysis,the eliminating buoyancy method can effectively solve the problem of basement anti-floating without using anti-uplift piles or a large amount of weight.This method has many advantages,such as cost-saving and reliable,simple and practical,and has good practical application in civil engineering.It has achieved very good results in practical projects.Key words:anti-floating design;uplift pile;method of eliminating buoyancy;seepage discharge;filtration layer;active anti-floating;passive anti-floating 收稿日期：2022-08-28 作者简介：童建富（1966），男，浙江建德人，硕士，高级工程师，主要从事建筑工程设计。E-mail:。DOI:10.3785/j.issn.2096-7195.2023.01.006 44 地 基 处 理 2023 年 1 月 0 引 言 随着地下空间被越来越多地利用，地下建筑抗浮设计的重要性越显突出，既要考虑结构安全，又要兼顾建设成本。目前，抗浮设计通常采用的方法是“抵抗浮力法”，这是一种被动的抗浮方法，抗浮设计水位对抵抗浮力法的效果影响很大，抗浮设计水位取值过高，会大幅增加建设成本；抗浮设计水位取值过低，会给结构带来危险。由于设计单位过度依赖地质勘测单位提供的抗浮设计水位，往往实际水位在暴雨内涝时可能远高于抗浮设计水位，极易造成地下室结构上浮事故，对于地下室结构安全性造成很大风险1。如南方某市连降暴雨，实际水位远高于设计的抗浮水位，造成地下室底部结构的破坏2；又如海南某市暴雨引起地下水位升高，造成地下室底板破坏3。采用抵抗浮力法设计的主要措施往往通过增加建筑物的自重，或采用抗拔桩、抗拔锚杆来抵抗水浮力4，建设成本非常高，在整个工程造价中的占比较大。近年来，国内一些专家学者开始探索主动的抗浮方法，包括隔水控压、排水泄压等等。如曹洪 等5 提出的“地下结构截排减压抗浮概念”，袁帮玉等6 提出的“地下室泄水减压抗浮体系”,牛梦 娇7 提出的“抗排结合的地下工程抗浮关键技术研究”等。但总体来看，在工程中应用还是非常少。为此，本文基于泄压抗浮的原理，提出一种新的抗浮设计方法消除浮力法，并结合工程实例，对这种新的抗浮方法，从适用性、安全性、经济性等方面进行了具体阐述。1 新的抗浮设计方法消除浮力法 1.1 消除浮力法的提出 地下室底板所受的浮力是由地下室基板底渗流水积聚等对地下室底板产生抬升作用的竖向压力4。传统设计通常采用被动的抗浮方法，即利用抗拔桩、抗拔锚杆以及填土压重等措施来抵抗基底的水浮力，由于抗拔桩、抗拔锚杆等抗力效率非常低，往往导致抗浮建造成本非常高，而且由于抗浮控制水位难以精准确定，容易引发工程事故。本文提出的消除浮力法，从消除产生浮力的源头出发，其基本原理就是通过各种措施，避免和消除底板下渗流水的积聚，使地下室底板下处于少水甚至无水状态，最终达到抗浮的目的。采用这种方法，不仅不需要设置抗力效率低下的抗拔桩，而且由于通过主动消除基底渗流水积聚来消除水浮力，所以不会因为抗浮控制水位不准确而导致抗浮失效。1.2 地下室底板下水浮力的消除方法 要消除地下室底板的水浮力，就必须有效消除地下室底板下的渗流水，单纯采用隔离的办法或单纯采用排水的办法都存在很大的弊端。为此，借鉴水工专业的相关知识，采用“堵”“导”结合的办法去解决基底渗流水的问题。（1）适用条件 该方法主要适用于地下室底板埋置在弱透水层内或底板下一定深度范围内分布有弱透水层，如图 1（a）、（b）所示。参照水利工程碾压式土石坝设计规范8 以及其它水利方面工程经验，弱透水层的渗透系数宜小于 1.0105 cm/s，弱透水层的厚度 B 必须大于 Hd/4（Hd为弱透水层层底与层顶的水头差），并且不小于 3.0 m。（a）底板埋置在弱透水层内（b）底板下一定深度范围内分布有弱透水层 图 1 基础与基底土的关系 Fig.1 Relative position of soil and the basement 弱透水层止水帷幕透水层（含水层）水平隔水板地下室底板集水井反滤层透水层（含水层）弱透水层反滤层止水帷幕透水层水平隔水板地下室底板集水井第 1 期 童建富，等：地下建筑抗浮设计新方法消除浮力法的工程实践与探讨 45（2）堵 要消除地下室底板下的渗流水，首先要设法阻断地下室以外的渗流通道。对于地下建筑，可以利用基坑围护结构的止水帷幕作为竖向隔水构件，堵住基坑外水平渗流水；在地下室外墙与止水帷幕之间设置水平隔水板作为水平隔水构件，阻断地表水渗入。这样使基底处于相对封闭状态，大大减少渗流水的来水量，如图 1 所示。（3）导 虽然设置了隔水构件，但并不能完全阻断所有的渗流通道，特别是通过弱透水层，还会有渗流水流向基底，如果不能及时排出，会导致渗流水积聚产生水浮力。在排水的同时，还必须保证基底土的稳定，不能因为排水而导致水土流失。为此，需要在地下室基底设置反滤层，通过设置反滤层，既可以及时将渗流水汇聚到集水井排出基坑外，同时又能保证土体的稳定。2 消除浮力法设计技术要点 消除浮力法，需要“堵”“导”结合，特别是需要保证基底水的顺利排出，因此，反滤层的设置是非常关键的一环。另外，从适用性角度出发，需要分析承压水引起的土体隆起问题以及渗流水排出量的大小问题。2.1 反滤层设计 反滤层的主要作用是截土泄水，需满足排水和保土的双重作用。首先是为了保证渗流水能顺利排出，避免产生淤堵；其次，必须阻止土颗粒排出，避免发生流土或管涌。因此，反滤层的设计至关重要，反滤层的构造、施工质量直接影响到抗浮设计的成败。反滤层按其工作条件分为型反滤层和型反滤层，根据基底渗流的特点，本文抗浮新方法中，采用的是型反滤层，反滤层位于被保护土层的上部，渗流方向主要由下向上。反滤层由细砂、粗砂、石子等根据一定级配分层铺设而成，在渗流作用下形成砂拱，任何一层的颗粒都不允许穿过相邻较粗一层的空隙。为了防止局部产生的流土或管涌，需最大