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一言难尽话抗浮  

2013-03-28 18:11:34|  分类: 土木工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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文章来自LQ1951博客


随着城市地下空间的开发与利用,抗浮已成为无法回避的问题。现行规范规程,面面俱到地涉及地下水勘察、水位观测、地下水作用评价,可谓滴水不漏。然而,勘察时的初见水位及稳定水位,都是静态水位。而地下水受区域性水文地质条件制约,随季节、气候条件、地形、补给排泄条件变化而变化,以勘察短暂之工作确定建筑抗浮万世之基准,容易乎?不少案例表明,抗浮是地下的事,也是天上的事,更是人类自身的事。


无处不在的水

水,无处不在。

它弥漫着、氲氤着、荡漾着,奔腾着,在茫茫宇宙之间。或下渗成河、或蒸发成汽,或凝结成冰。水,构成着生物圈中必不可少的一环(图1)。

在世界本原探究上,水是人们最先认识到的组分。中国古代哲学家提出的“五行说”,“金、木、水、火、土”构成世界物质之本源(尚书﹒洪范)。西哲亚里斯多德认为,以前的哲学家们认为世界本原是气与水。近现代科学发现,人类赖以休养生息的地球,水体占地表总面积70%。人体各种组分里,水亦在总重70%。

 


图片未命名 图1 

其实,不管人类认知还是未认知,水就这样存在着。串滴成珠、连点成线,集线成溪,汇溪成河,终归于大海,循环于天地……勤于思考的先人们从这里生发出了诸多哲理与思想——

老子发现了水的品质与力量,“上善若水”、“天下莫柔弱于水,而攻坚强者莫之能胜”;

孔子看到了岁月的无情,在川上感喟“逝者如斯夫!”

帝王的智囊们则看到了民众的力量,勒铭警世“载舟覆舟”。

当水渗入大地,聚焦到土力学们的眼睛里,又会是什么呢?是土的三相组成部分!作为岩土介质的组成,直接影响着岩土工程性质和行为。随着城市地下空间的开发与利用,抗浮已成为建设、设计者们无法回避的问题。

 

“滴水不漏”的规范

《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)——

第3.0.2条规定:“当地下水埋藏较浅,建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时,尚应进行抗浮验算”,这条被列为强制性条文。是否可以理解,有地下水方考虑抗浮?

第3.0.3条文规定:“地基基础设计前应进行岩土工程勘察,并应符合下列规定:当工程需要时,尚应提供用于计算地下水浮力的设计水位”,是明确设计水位应通过岩土工程勘察确定?

《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)(2009版)——

第7.1.1条规定:“岩土工程勘察应根据工程要求,通过搜集资料和勘察工作,掌握下列水文地质条件:

①地下水的类型和赋存条件;

②主要含水层的分布规律;

③区域性气候资料如年降水量、蒸发量及其变化和对地下水位的影响;

④地下水的补给排泄条件,地表水与地下水的补排关系,及其对地下水位的影响;

⑤勘察时的地下水位,历史最高地下水位,近3-5年最高地下水位,水位变化趋势和主要影响因素;

⑥是否存在对地下水和地表水的污染源及其可能的污染程度”。

第7.1.3条文:“对高层建筑或重大工程,与水文地质条件对地基评价,基础抗浮和工程降水有重大影响时,宜进行水文地质勘察”。

第7.2.2条:(1)遇地下水时应量测水位;(2)对工程有影响的多层含水层的水位量测,应采取止水措施,将被测含水层与其它含水层隔开。

第7.3.2条规定:“地下水力学作用的评价应包括下列内容:

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;原则上应按设计水位计算浮力,对节理不发育的岩石和黏土且有地方经验或实测数据时,可根据经验确定;有渗流时,地下水的水头和作用宜通过渗流计算进行分析评价”。

《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ 72-2004)——

第5.0.2条:需要调查“地下水的类型、主要含水层及其渗透性”、“地下水的补给排泄条件、地表水与地下水的水力联系”、“历史最高、最低地下水位及近3-5年水位变化趋势和主要影响因素”等;

第5.0.3条:当在无经验地区,应“在调查的基础上,进行专门的水文地质勘察”、“对缺乏常年地下水监测资料的地区,在初步勘察阶段应设置长期观测孔或孔隙水压力计”;

第5.0.4条:“当场地中有多层对工程有影响的地下水时,应采取止水措施,将被测含水层与其它含水层隔离后,测定地下水位或承压水头高度”。强调对多层地下水水位及承压水水位的分层监测。

   上述规范规程,面面俱到地涉及地下水勘察、水位观测、地下水作用评价,可谓滴水不漏。可是,现在流行的“短、平、快”式的勘察进程,谈何容易!

 

     名“确”实“难”的抗浮水位

在结构设计中,经常会遇到防水设计水位和抗浮设计水位。

朱炳寅教授编著的《建筑结构设计问答及分析》这样阐述:防水设计水位主要用于建筑外防水设计和确定地下结构抗渗等级,其定义是“地下水的最大水头,可按历史最高水位+1m确定”。抗浮设计水位用于结构的整体稳定性验算及结构构件的设计计算,是对结构设计影响很大的参数。

在上世纪90年代之前,抗浮设防问题并没有引起足够重视。随着城市高层建筑及超高层建筑大量兴建,地下室及超深地下室,纯地下室及地下广场等超补偿建/构筑物出现,地下水对基础工程影响日渐突出而引起工程界广泛关注。特别是纯地下车库或地下广场式建筑以及地下室施工阶段的临时抗浮成为事故多发点。其核心当然是用于设计的“抗浮设防水位”的确定。

国家规范居然没有“抗浮设防水位”的定义?!

直到张旷成大师主持《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ 72-90)修编,“抗浮设防水位”才有了自己的名份,虽然还只是行业规范,但其后的地基规范与岩土规范都引入了这一术语。

给勘察工作者们的枷锁从此套上!

JGJ 72-2004这样解释,抗浮设防水位(water level for prevention of up-floating)是指“地下室抗浮评价计算所需的、保证抗浮设防安全和经济的场地地下水位”。要确保建筑在使用期间安全,抗浮设防水位应是地下建筑在其使用年限内可能遇到的最高水位。这与勘察工作的阶段性是否相悖?

那么,规范又是如何把这个烫手山芋抛给勘察者的呢?请看JGJ 72-2004第8.6.2条:

(1)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、排泄条件等因素综合确定;

(2)场地有承压水且与潜水有水力联系时,应实测承压水水位并考虑其对抗浮设防水位的影响;

(3)只考虑施工期间的抗浮设防时,抗浮设防水位可按一个水文年的最高水位确定;

(4)当地下水赋存条件复杂、变化幅度大、区域性补给和排泄条件可能有较大改变或工程需要时,应进行专门论证。

规程就此确立“抗浮设防水位”的名份,以若干附加条件来陈述“抗浮设防水位”确定的复杂性与关联性,但在勘察中要落到“实处”谈何容易?

众所周知,勘察时的,无论初见水位还是稳定水位,都是静态水位。而地下水受区域性水文地质条件制约,随季节、气候条件变化而变化,并受地形影响、补给、排泄条件而变化,以勘察短暂之工作确定建筑抗浮万世之基准,容易乎?

 

见仁见智的专家

曾几何时,地下水与抗浮设防,如风乍起,吹皱一池春水。专家学者,仁者见仁、智者见智。

张在明院士[1] ——

运用室内模拟试验、现场实测、数值模拟以及地理信息系统等手段,对北京市总体规划区进行了如下研究:

(1)地下水赋存状态的特征分区;

(2)从近50年地下水位变化历史过程,研究影响地下水位的主要因素;

(3)地下水位的预测预报;

(4)典型渗流特征及其对建筑物场地孔隙水压力分布规律的影响。

认为上述4个方面正是合理确定基底浮力的基础。同时提出,传统的“地下水位”或“设防水位”的概念并不能解决工程抗浮问题,提出孔隙水压力场的分布特征才是解决问题的关键所在。

黄志仑大师[2] ——

(1)粘性土层的地下水基本有结合水、毛细水及空隙自由水。静水压力在粘性土层中主要依靠贯穿粘土层的空隙(或孔洞)传递。可以用孔隙率对静水压力进行打折;

(2)层间潜水不会将该层层顶相对隔水层及其以上的静水压力向下传递;

(3)承压水的扬力仅决定于其压力水头,与该层顶相对隔水层的静水压力无关。

(4)在多层地下水条件下,各层地下水具有各自独立的水位和最高水位,强调对于多层地下水进行分层长期监测的重要性。由于在多层地下水场地的建筑物存在各自的基底埋置深度,可能涉及不同的地下水层而有不同的抗浮设防水位。

李广信教授[3] ——

①地下水中的浮力与地下水的赋存形态及地下水的流动有关,应通过渗流计算分析确定;

②将水压力及浮力用孔隙率折减不符合有效应力原理,无论对于粘土还是砂土都无理论依据;

③在浮力计算中,侧壁摩擦、饱和粘土中的负孔压及永久排水有利于抗浮,肥槽、垫层及裂隙可能产生很大浮力。

高广运教授[4] ——

隔水层是指那些不能给出并透过水的地层,或者这些岩土层给出与透过的水是微不足道的。对于有孔隙存在的粘性土,事实上很难划分界限判断它是含水层还是隔水层。在一定条件下,隔水层和含水层可以互相转换的。认为对于不同的工程应作具体分析,建议对不同的粘性土层作现场试验,建立经验公式并寻求规律。

张思远高工[5] ——

(1)要弄清场地水文地质条件和地下水位的变化规律;

(2)要重视各含水层间的弱透水层(相对隔水层)对各层地下水位变化的影响;

(3)要了解建筑物基底所在含水层层位及标高等问题。

 张旷成大师[6] ——

(1)“抗浮设防水位”必须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决定,即应根据地下水的类型、分布和埋藏深度、含水层数目、岩性结构、含水构造特点、地下水的补给、排泄条件等来决定,而不是仅以某栋建筑基础所在地下水层的最高水位来决定。意即一个场地只有一个抗浮设防水位?

(2)各层地下水最高水位=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度变幅+可能的意外补给造成的该层水位的上升值。

(3)场地抗浮设防水位的确定:要以区域水文地质条件为基础,应是各含水层最高水位之最高者,“上层滞水”的水位不应作为场地抗浮设防水位。

范士凯大师——

当前在抗浮设防时存在如下不良倾向:(1) 不管基坑处于何种地层,是否有含水层存在,只要底板埋深超过一定深度一律进行抗浮设计,且将抗浮水位设定在地面(±0.00)标高;(2)不管基坑开挖方式、支护与隔渗形式如何,只要底板埋深超过一定深度也一律进行抗浮设计,也将抗浮设防水位设定在地面标高。并建议如下必须抗浮的情况:

   A.地下室底板位于含水层中,底板没有进入潜水或承压含水层底板,竖向隔渗帷幕也未进入隔水底板,此时的抗浮水位应为历年最高水位(图2)。

图片未命名 图2   

(a)潜水     (b)承压水

   B.放坡式开挖基坑,地下室外墙与边坡之间回填土不密实、透水(图3)。此时造成上浮的是地表水,水位标高在地面。

图片未命名 图3

  C.以下三种条件下,不考虑抗浮(图4)。

图片未命名 图4

                     

前车之鉴,或有所悟?

【案例之一】 佛山市某大厦由A座(26层)、B座(18层)及东西裙楼(3层)组成。上部结构为框架剪力墙体系,基础为人工挖孔灌注桩,桩端入中风化砂岩一倍桩径。

场地为河流冲积地带,地表有水塘,地下水主要赋存于第四系砂层及素填土层中,稳定水位较高,为0.1-0.70m,水量丰富,受大气降水补给的影响而变化。

1995年12月,施工到地上9层时,地下室主梁与塔楼相交处出现裂缝。翌年4月用化学灌浆法(环氧树脂)将裂缝封闭。一个多月后,原有裂缝处发现新裂缝并逐渐扩展,内庭地下室底板、地下层1层板出现明显上拱。1996年9月,以A座塔楼±0.00为基准点,测得地下室顶板最大上拱值213mm,梁弯曲破坏,柱偏压破坏。裂缝以内庭中心区中柱呈对称中心有规律开展,裂缝最大宽度达2.5mm。

原因:(1)设计对内庭下工程桩抗拔力无要求;(2)施工初始阶段有基坑支护、止水、降水等措施,随着工程进展,降水措施取消,周边水位上升,浮力增加。(3)雨季,周边地下水通过基坑底部、支护侧壁及其破损处流入基坑,造成底板下的上浮力不断增加。

【案例之二】海口“梦幻园”位于海口市秀英港东南,位于山前二级阶地与海成一级台地交替变化部位,对大气降水补给地下水有利。山坡前沿补给的深层承压水以泉水形式溢出,承压水头接近地表。第一层地下水和第二层承压水都会直接影响地下室稳定性。

对基础有影响的地层是:①杂填土,含孔隙水;②淤泥质粘土,夹有中细砂透镜体,富孔隙水;③中砂,含水层;④中粗砂,渗透性好,含水层;⑤粘土层,为相对隔水层。建筑为在已建成的两幢主楼(分别为22层、18层)中间的四层裙楼(地下两层),梁板式筏型基础,埋置于粘土隔水层之上。

裙楼基础1994年8月13日施工到±0.00时,因缓建,上部建筑未能继续,停止基坑降水的同时未及时回填或采取措施以保证自重大于上浮力,1994年10月13日,连续下大雨地下水位升高导致基础上浮,上浮量最大处达70cm。此后近两年时间里,业主、设计和施工单位,虽然作了一定程度基础补强工作,但上部建筑仍未施工。1996年9月20日,暴雨袭击,海水骤涨,低洼地带产生海水倒港现象,第二次整体上浮成为“旱地水泥船”。

原因:(1)地下室基础大部分处于③、④含水层中,施工过程中,一旦停止降水或者因暴雨造成排水失效,地下水对基础的总上浮力可达290000kN,这是导致基础上浮的主要原因;

(2)裙楼基础底板以下为相对隔水层,两侧己建成的主楼地下室基础距离很近,基坑南面补给的地下水,遇到基础底板以下地层及主楼地下室边墙阻隔,形成一面进水,三面封闭的“洼坑式”储水构造。

【案例之三】厦门世贸中心一期工程,人工挖孔桩和箱形地下室基础,地下室三层,埋深14.00m,平面如图5所示。上部为框剪结构,A区主塔楼39层、D区塔楼24层、E区只有地下室。

图片未命名 图5

2000年8月底完成裙楼主体结构施工,10月底完成地下室基坑回填,四周停止降水,至11月14日沉降观测未发现异常。11月底发现无裙楼区段地下室楼板出现裂纹,2001年1月陆续发现在-9.1m板、-5.15m板、-0.05m板,出现不同程度的裂缝,2月14日系统沉降观测时发现, -0.05m板上浮,最大点达149mm (E区),E、 C区段一些近柱边框架梁端出现上宽下窄贯穿性结构裂缝。

原因:(1) 设计对地下水位高度估计不足,设计抗浮力取值小于实际值,是地下室在施工阶段上浮的主要原因。。

(2)设计未考虑基础地下室结构局部抗浮受力差异。

(3)施工组织抗浮防范意识不强,在地下室回填后即停止降水。

【案例之四】深圳市布吉关口山坡上某高层建筑,二层地下室,底板直接浇筑在微风化花岗岩上,地下室至地面后停工一年多,地下室长期受暴雨浸泡,于1998年发生上浮。

【案例之五】深圳南头某地下室位于花岗岩殘积土上,天然地基,于1997年夏季台风暴雨期间发生上浮,整个地下室倾斜,高差达70余厘米。

【案例之六】长沙某医院广场,丘陵地区,无含水层,基础在板岩中,设有抗浮锚杆。地下室已竣工,坑壁回填未到位,暴雨后上浮。

……

这些案例反映,抗浮是地下的事,也是天上的事,更是人类自身的事。

看来,要让我们岩土工程师在勘察报告中确定一个客观、准确、安全、经济的抗浮设防水位,何其难哉!

这正是:抗浮非难事,首在定水位。天不随人愿,唯有长太息。

 

主要参考文献:

[1]  张在明,孙保卫,徐宏声.地下水赋存状态与渗流特征对建筑抗浮的影响[J].土木工程学报,2001(1):73-78。.

[2]  黄志仑.关于地下建筑物的地下水扬力问题分析[J].岩土工程技术,2002(5):273-275.

[3]  李广信,吴钊敏.浮力计算与粘土中的有效应力原理[J].岩土工程技术,2003(2):63-66.

[4]   高广运,顾中华.对《关于地下建筑物的地下水扬力问题分析》一文的商榷[J].岩土工程技术,2003(2):69-70.

[5]  张思远。在确定建筑物基础抗浮设防水位时应注意的一些问题[J]。岩土工程技术,2004(5):227-230.

[6]   张旷成,丘建金. 关于抗浮设防水位及浮力计算问题的分析讨论[J].岩土工程技术,2007,21(1):15-20.

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