| 标题 | 大型地下工程抗浮问题的背景与研究 |
| 范文 | 项芦杰 [摘 要]自二十世纪以来，国内外都不断提出关于地下工程的抗浮问题，到如今，也有不小的进步，但是，对于抗浮问题的解决，我们至今仍处于婴儿期。不仅存在施工技术方面的问题，也存在大量财力浪费的问题，还有许多技术上未攻克的难题，本文对大型地下工程抗浮的问题做了进一步研究，主要提出一种新的抗浮手法——泄排水抗浮方法，并对其的工作原理、计算理念进行解释。 [关键词]地下工程;抗浮问题;泄排水抗浮方法 [中图分类号]TU942 [文献标识码]A 1 大型地下工程抗浮问题的背景 1.1 地下水浮力計算 如今，地下结构的浮力计算方法仍是一个值得考虑的问题，而实验过程中所测到的数据与现场所测得数据又不尽相同，故我们应从中找出理由。目前，我国各种规范和规程关于地下水作用的荷载分类没有统一，地下水压力应属于永久荷载还是可变荷载仍没有一个统一的说法，同时，不同规范对水浮力的荷载分类不同，导致水浮力分项系数取值存在不一致的问题。与我国现行规范相比，欧洲规范有关地下水作用考虑得更全面和细致。欧洲规范中，将水作用看做永久荷载或可变荷载，并给出其判断准则和不同情况下的荷载组合要求。 现有规范、规程中地下结构基底浮力压强的计算，大都采用基于静水压强公式，而地下水浮力的计算主要集中在如何科学确定弱透水层中水浮力折减系数和抗浮设计水头值H，其中抗浮设计水头值是根据抗浮设防水位确定的，抗浮设防水位一般是指建筑结构运营过程中基础所在地下水层可能出现的最高水位。 1.2 地下水的渗流 岩土工程所涉及的地下水渗流问题，主要是研究地下水在多孔介质中运动的基本规律，随着工程的发展，地下水渗流受到国际工程界和学术界的高度重视。到了20世纪，地下水渗流已逐步发展成为具有自己理论体系、方法和应用范围的独立学科。目前，地下水流计算常用的数值方法为有限差分法和有限单元法。与此同时，相关地下水渗流专业分析软件也得到了快速的发展和广泛应用，其中有GeoStudio软件和三维有限差分地下水数值模拟软件MODFLOW等。 1.3 工程抗浮措施 当前在大型地下结构工程上比较常用的永久性抗浮措施有：配重法、抗浮锚杆（索）、抗浮桩等，而这些措施在不同方面来看多多少少都存在一些问题，比如说：抗浮锚杆（索）容易腐蚀和蠕变;抗浮桩的施工费用较高，而且长期处于起伏状态的地下水位以下，所以也存在耐久性问题。 二十世纪末，我国开始从国外引进排水抗浮法的改良技术——大面积静力释放层的施工技术。其中在中国所总包的新加坡环球影城项目中也采用了泄水抗浮方法，此方法的组成部分主要是排水减压子系统和泄压安全控制子系统，并在地下室底板下设置倒滤层（沙石和土工布构成）、高分子防水层和混凝土垫层。 虽然降排抗浮方法和措施取得很大进展，但工程界对这种方法普遍还存在疑惑和不熟悉。因此，工程界和学术界需要对降排水抗浮方法的抗浮机理、长期工作性能和可靠性、对周围环境的影响作深入系统研究，并通过大量工程实践探索作支撑。 2 抗浮机理研究 2.1 地下水 地下水位包括历年最高水位、最低水位、静止水位和稳定水位等，它是根据季节或补给条件而变化的。地下水位变化是一个随机过程，受人为因素的影响很大。根据赋存状态，一般将地下水划分为上层滞水、潜水和承压水。 （1）上层滞水：指具有自由水面的地下水，通常埋藏在地表浅处，它的分布范围有限，主要是由大气降水补给。 （2）潜水：指具有自由水面的地下水，通常埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上，主要是雨水渗透或河流渗入土中而得到补给，也因为蒸发或流入河流而排泄。 （3）承压水：只埋藏在上下两个隔水层之间的地下水。承压水主要是依靠大气降水和河湖水通过潜水补给的。 2.2 浮力计算问题 一个物体在液体中存在三种运动状态的可能性：下沉、不动或上浮。当物体浸没在液体中静止不动，为悬浮或漂浮，此时其重力等于其受到浮力;下沉则其重力大于其浮力;上浮则其重力小于其浮力。 所以该如何正确确定上浮力，根据阿基米德的原理为浸入液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它排开的液体受到的重力。根据土力学的知识原理得基底理论静水压力为水的重度乘以基地面积乘以水头高度（地下水位标高与建筑物基地标高之差）。在水头作用下，工程中会遇到不稳定的渗流问题，其中可分为①.饱和渗流与非饱和渗流;②由于土的固结作用造成的渗流;③入渗分析，即场地地表附近水的入渗情况;④污染迁移问题。各层地下水除了具有水平方向的渗流分量外，在竖向还存在越流补给，即存在竖向的渗流分量。而对渗流和孔隙水压力背景场的分析常被工程师忽略。 （1）黏土地基中地下水为滞水的情况。地下水赋存形态可以有滞水、潜水和承压水等，而很多城市最下层的地下水可能为滞水状态，这层滞水可能是由于降水或者是其他原因形成。 （2）地下结构外有排水设备的情况。地下结构中的排水设备不仅可以防止向地下水内渗水，还有防止地下水腐蚀地下结构，甚至可以明显减少地下室的浮力。但是如果是按地下室所排出的水的体积来算浮力无疑是偏保守的甚至是错误的，在设计计算中，必须充分调查黏土中滞水位及砂层土中潜水位的可能变化幅度，排水设备失效的概率，针对不同的建筑物合理选用计算浮力公式及抗浮措施。 （3）地下结构外墙的摩擦力。在有浮力的情况下，当其大于地下使用重力时，地基土与外墙间将表现出摩擦力，这在地下连续墙和沉井等做外墙时，作用尤为明显。 3 常用抗浮方案特点比较及选用 当地下结构物的自身重量不能抵抗地下水浮力时，地下结构物会产生上浮，导致结构变形损坏，因此需进行抗浮设计。工程抗浮设计包括整体抗浮验算和局部抗浮验算。通过整体抗浮验算虽然可以保证地下结构物不会整体上浮，但不一定能保证结构物地板不开裂等变形情况，因此，还应对结构物底板进行局部抗浮验算。 3.1 常用抗浮方案特点 （1）配重法。配重法是一种常规的抗浮措施，可以在地下室顶板上覆土或增加顶板厚度，也可以将底板延伸或增加底板厚度。这种方法虽然可以解决抗浮问题，但同时又不可避免地增加了基础的埋置深度，从而相对地提高了地下室抗浮设防水位的高度，因此它不是一种效率高的方法，同时，这种方法会略增加地下室顶板框架梁的负荷，而且由于板厚有限，这种方法解决抗浮效果也是有限的。 （2）降截排水法。降截排水法是一种比较直接的方法，通过降水、排水、截水来减少地下水的不利作用。降水措施主要是在底板下设置滤水层和排水管道，汇集到排水井再用水泵抽取，使地下水位维持在某一标高。截水措施主要是将上水帷幕（深层搅拌桩、高压旋喷桩）进入隔水层一定厚度，将地下建筑物范围内的水与外界丰富的水源截断。但是这种措施存在风险，如暴风雨灾害后的长时间停电会使水泵无法工作，而这正是最需要减水压的时候。 （3）抗浮锚杆法。抗浮锚杆是近年来大量应用的抗浮技术，一般是采用高压注浆工艺，使浆液渗透到岩土体的孔隙或裂缝中，锚杆侧摩阻力比桩基大，更有利于抗浮，且造价低廉，施工方便。但是普通锚杆受拉后，杆件周围的灌浆体开裂，使钢筋与钢绞线极易受到地下水的侵蚀，直接影响耐久性。同时，国内对抗浮锚杆的设计还不够成熟，缺乏有关的规范标准，所以使抗浮的研究和使用都受到了一定程度的限制性。 3.2 常用抗浮方案比较及选用 工程中常用的抗浮措施是临时性抗浮（主要指施工期间），主要采用隔水、降水和排水减法等措施;永久性抗浮（指建筑物使用期间）主要采用抗拔桩下拉法和锚杆（索）下拉法，采用锚杆（索）岩土锚固抗浮措施，与增加自重载法、抗拔桩等上述方法相比，具有工期短、造价低、节省材料等优点。 当工程桩（抗压桩）兼做抗拔桩时，只考虑局部抗浮验算，但需对桩本身作抗拔（抗拉）验算，并且其受力钢筋应通常布置。 由于大型地下工程地下空间体积大，永久地下水浮力高，一般常用抗浮锚杆（索）、抗拔桩或排水减压抗浮方案。 各种抗浮方案实施选择的原则是：安全可靠、经济合理、技术先进和施工方便。还应根据工程特点、地质情况、场地条件和环境等因素综合考虑，因地制宜，选一个最佳有效的抗浮方案。 4 绿色施工与环境可持续发展 4.1 研究背景 建筑业包括各种房屋及构筑物的营造，设备安装，房屋维修等，它的存在是人类发展史上不可缺少的一部分，但同时建筑业是以大量消耗自然资源并制造沉重的环境负面影响为代价的。据统计，人类从自然界所获得的一半以上的物质原料用于建造各类建筑及其附属设备，而这些建筑物在建造和使用过程中又消耗了全球50%以上的能量;因工程建设而产生的空气污染、光污染、电磁污染等占环境总体污染的34%，所产生的建筑垃圾占人类活动所产生垃圾总量的40%以上。 为了真正实现社会经济与文明的可持续发展，务必在基础建设实施过程中大力倡导绿色建筑，扎实推进了绿色施工，选择有利于生态的方法。 4.2 绿色施工的实施 美国是世界上较早提出并实施清洁生产的国家，在1984年通过的《资源保护与回收法——有害物和固体废物修正案》中指出，要在可能的情况下，盡量减少废物的产生;加拿大政府通过广泛的政策协调，将清洁生产与污染预防紧密结合起来，并形成了有效的政策体系;德国在清洁生产活动中采取了务实态度，如在污染预防方面采用了基于技术的方法（称为可获得的最好的技术），并将经济可行性作为一个限制因素，为了鼓励企业实施清洁生产，政府给予一定量的资金援助与扶持;韩国政府和工业界对清洁生产的认识较高，非常重视清洁生产活动，政府的污染防治政策，包括清洁技术的使用，是通过“通知”和“法案”实施的;我国政府也十分重视清洁生产，1994年将清洁生产明确写入《中国21世纪议程》，并具体落实在首批优选项目之中。 4.3 地下工程施工绿色发展对策 4.3.1 施工阶段对策 （1）合理选择绿色施工方法和材料，减少施工对地下水的污染; （2）科学统筹规划和高效管理，加快基础施工进度，有效减小地下水抽取量; （3）综合利用多种措施，提高施工所抽取地下水资源使用效率。 4.3.2 运营阶段对策 （1）科学地规划运营期地下水资源综合利用开发，如将地下水进行软化、纯化等措施，使其直接做成饮用矿泉水; （2）综合利用多种措施，防止运营期城市生活污水、固体垃圾及地下水资源的污染。 [参考文献] [1] 毛超熙.渗流计算分析与控制[M].北京：中国水利水电出版社，2003. [2] 张在明.地下水与建筑基础工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2001. [3] 吴斌.地下结构物抗浮设计初探[D].广州：华南理工大学，2003. |
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