地下水與地下室抗浮的探討

1、地下水與地下室抗浮的探討摘要；地下水是構(gòu)成水圈的重要水體之一,是埋藏在地表下土體孔隙、巖石孔隙、空洞中的水的總稱。地下水的運動有層流和紊流兩種形式，以層流為主，它的運動遵循達西定律。地下水作為巖土介質(zhì)的組成部分，直接影響著巖土的性質(zhì)和行為。關(guān)鍵詞；地下室上浮，特別是大面積地下室的不均勻上浮，造成結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損的事故屢見不鮮。近年來，地下室上浮，特別是大面積地下室的不均勻上浮，造成結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損的事故屢見不鮮。（一）地下水的基本類型1）.上層滯水A.主要靠大氣降水和地表水下滲補給；B.；C.以蒸發(fā)或向下滲透到潛水中的方式排泄；D.水量小，季節(jié)變化大，容易污染；E.引起土質(zhì)邊被滑塌、黃土路基沉陷、路基

2、凍脹等病害的重要因素。2）.潛水潛水的分布及潛水面特征潛水面潛水的無壓的自由水面。通常，潛水面不是一個延伸很廣的平面，是一個有起有伏、有陡有緩的面，潛水面形態(tài)一般與地表地形相適應(yīng)。潛水埋藏深度：潛水面至地面的垂直距離。,潛水層厚度：潛水面至下部隔水層頂面的垂直距離（含水層厚度）。,潛水位：潛水面上每一點的絕對標(biāo)高。,潛水的補給、徑流和排泄大氣降水、地表水、承壓水一潛水一地表水（河流、泉一山區(qū)）、蒸發(fā)（平原區(qū)）九口,潛水補蛤河水b,河水撲給漕水c.左岸潛水補給河水右岸河水存給漕水州*口地毋容r島找，kGZZB田加水等水心工田3-31fWzkW/K-Kt確定任一點的潛水流向；確定沿潛水流動方向上兩

3、點間水力坡度；確定任一點潛水埋藏深度；確定潛水與地表水之間的補給關(guān)系。四-居犯需時it恢邕JT5乎JHH雒自（Ui七承壓水的分布一一自流盆地及自流斜地承壓水頭：承壓水位到隔水層頂板間垂直距離。含水層厚度：隔水層頂、底板間的垂直距離。（三）典型案例工程概況某大夏由A座（26層）、B座（18層）及東西兩座裙樓（3層）組成。塔樓與裙樓共同圍成了一個30$38m的內(nèi)庭。B座有一層地下車庫，A座、裙房及內(nèi)庭下面有兩層地下車庫。上部結(jié)構(gòu)為框架剪力墻體系，基礎(chǔ)為人工挖孔灌注樁，長度為18-23m。A,B座塔樓下人工挖孔樁樁徑為1.2-2m,樁端直徑擴大0.6-1.2m,樁端入中風(fēng)化砂巖一倍樁徑。裙樓和內(nèi)庭范

4、圍內(nèi)的人工挖孔樁長10-15m,樁徑為1.2m,無擴大頭，樁端入中風(fēng)化砂巖0.5m.工程所在場地為河流沖積地帶，地表有水塘，地下水主要賦存于第四系砂層及素填土層中，穩(wěn)定水位較高，為0.10.70m,水量豐富，受大氣降水補給的影響而變化。佛山市年降雨量2500mm左右，集中在510月，雨季的到來使得基坑內(nèi)外的地下水位不斷提高，周邊的地下水也通過基坑底部、支護側(cè)壁及其破損處流入基坑，造成底板下的上浮力不斷增加，由于樁的抗拔力不夠，導(dǎo)致內(nèi)庭范圍內(nèi)的地下室底板在浮力的作用下持續(xù)向上起拱。而內(nèi)庭四周的塔樓和裙樓的自重均大于浮力，塔樓和裙樓不可能上浮，從而導(dǎo)致地下室的局部(內(nèi)庭)產(chǎn)生了上浮，內(nèi)庭下地下室與

5、周邊塔樓、裙樓相交處的梁不斷出現(xiàn)新的裂縫并進一步擴大。水文地質(zhì)條件該基礎(chǔ)所處地貌單元屬山前二級階地與海成一級臺地交替變化部位，距二級階地前緣100多米，地形對大氣降水給地下水相當(dāng)有利。還有山坡前沿補給的深層承壓水以泉水形式溢出，承壓水頭接近地表。第一層地下水和第二層承壓，水都會直接影響著地下室基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。根據(jù)該工程工程地質(zhì)勘察報告，對該基礎(chǔ)有影響的地層是：雜填土：褐紅色，含粘土、砂類土及玄武巖碎屑，含孔隙水；淤泥質(zhì)粘土：灰色一深灰色，含腐植質(zhì)，中間常夾有中紉砂透鏡體富的孔隙水。該松散砂層含較豐；中砂層：黃色一褐黃色，為長石、石英質(zhì)顆粒，含水層厚度1.5-3.3m;中粗砂層：黃色一褐黃色，質(zhì)地

6、相當(dāng)松散，滲透性好，含水層厚度0.8-3.2m.;粘土層：褐黃色，層間含粉細(xì)砂薄層，厚度3.2-3.5m,為相對隔水層。其二，裙樓基礎(chǔ)底板以下為相對隔水層，裙樓東西兩側(cè)己建成的兩棟主樓地下室基礎(chǔ)距離很近，從基坑南面補給的地下水，遇到基礎(chǔ)底板以下地層及兩棟主樓地下室邊墻的阻隔，形成一個一面進水，三面封閉的洼坑式”結(jié)構(gòu)構(gòu)造。這種儲水構(gòu)造”，當(dāng)基礎(chǔ)箱體空著或排水系統(tǒng)失效時，造成的基礎(chǔ)整體上浮或箱體扭裂破壞更大。地下室上浮所致)。同年2月14日進行系統(tǒng)沉降觀測時，發(fā)現(xiàn)-0.05m板上浮，最大點達149mm，位于E區(qū)；此時在E、C區(qū)段一些近柱邊的框架梁端出現(xiàn)上寬下窄的貫穿性結(jié)構(gòu)裂縫。原因分析(1)設(shè)計對

7、地下水位高度估計不足，設(shè)計抗浮力取值小于實際值，是地下室在施工階段上浮的主要原因。事后實測最大水頭大于12.00m,復(fù)核地下室底板水壓達38.5KN/m2;E區(qū)和C區(qū)段地下室的人工挖孔樁不能承受差距極大的抗拔力(原設(shè)計為承受豎向荷載的受壓樁)。(2)設(shè)計未考慮基礎(chǔ)地下室結(jié)構(gòu)局部抗浮受力差異。上部建筑高低懸殊，甚至同體地下室局部區(qū)段無上部建筑，造成上部建筑結(jié)構(gòu)豎向荷載重心與地下室底板平面形心不重合，基底作用力(地基反力，包括浮力)對地下室底板的荷載分布不均。地下室上浮差值最大達138mm,地下室局部結(jié)構(gòu)強度不足以抗拒，導(dǎo)致混凝土梁板開裂；上浮最大區(qū)段正是位于無裙樓部位，裂縫情況也最嚴(yán)重。(3)施

8、工組織抗浮防范意識不強，在地下室回填后即停止了降水，地下水位恢復(fù)，又因其他原因暫停施工而未作沉降觀測。以致發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫仍未覺察是地下室上浮所致，未能在第一時間內(nèi)采取有效措施，加劇了地下室和裙樓數(shù)層混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫的發(fā)展程度。原因歸納引起地下室上浮的原因是地下水浮力大于建筑物當(dāng)時的上部荷重，造成這種情況有一一(1)勘察單位提供的抗浮水位失真(地下擴抗浮設(shè)防水位標(biāo)高取值有誤；(2)設(shè)計上的疏失。設(shè)計人員忽視了大體積地下室主體建筑外上部荷重較輕的受力單元的浮力驗算；(3)施工單位的大意。施工過程中，過早停止降低地下水的措施、地下室回填土的回填質(zhì)量太差無法形成有效摩擦力或施工場地排水不暢、

9、地表水倒灌等；(4)天災(zāi)一連續(xù)的暴雨和海水大潮倒灌造成地表水位急劇升高是地下室上浮的不可抗力因素。(四)規(guī)范中有關(guān)抗浮的內(nèi)容建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范第3.0.2條規(guī)定：當(dāng)?shù)叵滤癫剌^淺，建筑地下室或地下構(gòu)筑物存在上浮問題時，尚應(yīng)進行抗浮驗算”，這條規(guī)定列為強制性條文。第3.0.3條文規(guī)定：地基基礎(chǔ)設(shè)計前應(yīng)進行巖土工程勘察，并應(yīng)符合下列規(guī)定：當(dāng)工程需要時，尚應(yīng)提供用于計算地下水浮力的設(shè)計水位”，也就是說，用于計算地下水浮力的設(shè)計水位應(yīng)通過巖土工程勘察確定。巖土工程勘察規(guī)范第7.1.1條規(guī)定：巖土工程勘察應(yīng)根據(jù)工程要求，通過搜集資料和勘察工作，掌握下列水文地質(zhì)條件：地下水的類型和賦存條件；主要含水層的

10、分布規(guī)律；區(qū)域性氣候資料如年降水量、蒸發(fā)量及其變化和對地下水位的影響；地下水的補給排泄條件，地表水與地下水的補排關(guān)系，及其對地下水位的影響；勘察時的地下水位，歷史最高地下水位，近3-5年最高地下水位，水位變化趨勢和主要影響因素；是否存在對地下水和地表水的污染源及其可能的污染程度”。該規(guī)定表明深刻說明了地下水埋藏和變化的復(fù)雜性和關(guān)聯(lián)性。它涉及的是區(qū)域性的、歷史性的水文地質(zhì)資料。規(guī)范第7.1.3條文規(guī)定：對高層建筑或重大工程，與水文地質(zhì)條件對地基評價，基礎(chǔ)抗浮和工程降水有重大影響時，宜進行水文地質(zhì)勘察第7.3.2條規(guī)定：地下水力學(xué)作用的評價應(yīng)包括下列內(nèi)容：對基礎(chǔ)、地下結(jié)構(gòu)物和擋土墻應(yīng)考慮在最不利組

11、合情況下，地下水對結(jié)構(gòu)物的上浮作用，原則上應(yīng)按設(shè)計水位計算浮力，對節(jié)理不發(fā)育的巖石和粘土具有地方經(jīng)驗或?qū)崪y數(shù)據(jù)時，可根據(jù)經(jīng)驗確定，有滲流時，地下水的水頭和作用宜通過滲流計算進行分析評價”。條文說明中關(guān)于7.3.2條的注解：地下水對基礎(chǔ)的浮力作用，是最明顯的一種力學(xué)作用，在靜水環(huán)境中，浮力可以用阿基米德原理計算，一般認(rèn)為，在透水性較好的土層或節(jié)理發(fā)育的巖石地基中，計算結(jié)果即等于作用在基底的浮力；對于滲透系數(shù)很低的粘土來說，上述原理在原則上也應(yīng)該是適用的，但是有關(guān)實測資料表明，由于滲透過程的復(fù)雜性，粘土中基礎(chǔ)所受到的浮壓力往往小于水位高度。由于這個問題缺乏必要的理論依據(jù)，很難確切定量，故規(guī)定只有存

12、具有地方經(jīng)驗和實測據(jù)時.方可進行一定的折減第7.22條規(guī)定地下水位的量測應(yīng)符合下列要求(1)遇地下水時應(yīng)量測水位；(2)穩(wěn)定水位應(yīng)在初見水位后，經(jīng)一定的穩(wěn)定時間后測量。對多層含水層的水位量測，應(yīng)采取止水措施，將被測含水層與其它含水層隔開?？梢?，無論初見水位還是穩(wěn)定水位，都是靜態(tài)水位。而地下水是隨季節(jié)、氣候條件變化的，有一年一遇，十年一遇，甚至數(shù)十年一遇的最高水位變化；同時地下水位還受地表排水狀態(tài)、場地、地形和地貌變化的影響并隨區(qū)域性水文地質(zhì)條件、各層地下水的變化和地下水滲流造成的壓力水頭分布形態(tài)變化而變化。因此，根據(jù)勘察報告提供的地下水位計算的浮力平衡點處于臨界狀態(tài)時，應(yīng)根據(jù)場地條件和其他水文

13、地質(zhì)變化情況適當(dāng)采取一些抗浮措施。高層建筑巖土工程勘察規(guī)程第5.0.2條一一需要調(diào)查地下水的類型、主要含水層及其滲透性”、地下水的補給排泄條件、地表水與地下水的水力聯(lián)系”、歷史最高、最低地下水位及近3-5年水位變化趨勢和主要影響因素”等；第5.0.3條一一當(dāng)在無經(jīng)驗地區(qū)，應(yīng)在調(diào)查的基礎(chǔ)上，進行專門的水文地質(zhì)勘察”、對缺乏常年地下水監(jiān)測資料的地區(qū)，在初步勘察階段應(yīng)設(shè)置長期觀測孔或孔隙水壓力計”；第5.0.4條一一“當(dāng)場地中有多層對工程有影響的地下水時，應(yīng)采取止水措施，將被測含水層與其它含水層隔離后，測定地下水位或承壓水頭高度強調(diào)對多層地下水水位及承壓水水位的分層監(jiān)測。第5.0.6條列出了地下水對

14、工程的作用和影響的評價內(nèi)容，指出對地基基礎(chǔ)、地下結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮在最不利組合情況下，地下水對結(jié)構(gòu)的上浮作用第8.6.1條規(guī)定一一當(dāng)?shù)叵滤桓哂诘叵率一A(chǔ)底板時，根據(jù)場地所在地貌單元、地層結(jié)構(gòu)、地下水類型和地下水位變化情況，結(jié)合地下室埋深、上部荷載等情況，對地下室抗浮有關(guān)問題提出建議；根據(jù)地下水類型、各層地下水位及其變化幅度和地下水補給、排泄條件等因素，對抗浮設(shè)防水位進行評價；對可能設(shè)置抗浮錨桿或抗浮樁的工程，提供相應(yīng)的設(shè)計計算參數(shù)(五)抗浮設(shè)防水位的綜合確定研究現(xiàn)狀目前，各規(guī)范已經(jīng)對地下水的作用引起了足夠的重視，但是仍然采用最高設(shè)防水位下的靜水壓力來計算浮力，這與現(xiàn)場實測的孔隙水壓力存在很大的出入，

15、并且涉及到最高設(shè)防水位的合理確定問題，按此評價的浮力作用因素對設(shè)計單位而言也很難把握，仍屬原則性規(guī)定，可操作性差，尚有許多有待完善之處。下面是一些專家的研究狀況(1)張在明院士等人一一運用室內(nèi)模擬試驗、現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬以及地理信息系統(tǒng)等手段，研究了北京地區(qū)：地下水賦存狀態(tài)的特征分區(qū)；從近50年地下水位變化歷史過程，研究影響地下水位的主要因素；地下水位的預(yù)測預(yù)報；典型滲流特征及其對建筑物場地孔隙水壓力分布規(guī)律的影響。認(rèn)為上述4個方面正是合理確定基底浮力的基礎(chǔ)。(2)黃志侖大師認(rèn)為在粘性土層中，靜水壓力主要依靠貫穿粘土層的孔隙傳遞，可以用孔隙率對靜水壓力進行打折；層間潛水不會將該層層頂相對隔水層

16、及其以上的靜水壓力向下傳遞；承壓水的揚力僅決定于其壓力水頭，與該層頂相對隔水層的靜水壓力無關(guān)。在多層地下水條件下，各層地下水具有各自獨立的水位和最高水位，強調(diào)對于多層地下水進行分層長期監(jiān)測的重要性。由于在多層地下水場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層而有不同的抗浮設(shè)防水位。(3)李廣信教授認(rèn)為一一地下水中的浮力與地下水的賦存形態(tài)及地下水的流動有關(guān)，應(yīng)通過滲流計算分析確定；將水壓力及浮力用孔隙率n折減不符合有效應(yīng)力原理，無論對于粘土還是砂土都無理論依據(jù)；在浮力計算中，側(cè)壁摩擦、飽和粘土中的負(fù)孔壓及永久排水有利于抗浮，肥槽、墊層及裂隙可能產(chǎn)生很大浮力。(4)張思遠(yuǎn)認(rèn)為確定抗浮

17、設(shè)防水位時應(yīng)一一弄清場地水文地質(zhì)條件和地下水位的變化規(guī)律；重視各含水層間的弱透水層(相對隔水層)對各層地下水位變化的影響；了解建筑物基底所在含水層層位及標(biāo)高等問題。常規(guī)取值當(dāng)有長期水位觀測資料時，場地抗浮設(shè)防水位可采用實測最高水位；無長期水位觀測資料或資料缺乏時，按勘察期間實測最高穩(wěn)定水位并結(jié)合場地地形地貌、地下水補給、排泄條件等因素綜合確定；場地有承壓水且與潛水有水力聯(lián)系時，應(yīng)實測承壓水水位并考慮其對抗浮設(shè)防水位的影響；只考慮施工期間的抗浮設(shè)防時，抗浮設(shè)防水位可按一個水文年的最高水位確定。當(dāng)?shù)叵滤x存條件復(fù)雜、變化幅度大、區(qū)域性補給和排泄條件可能有較大改變或工程需要時，應(yīng)進行專門論證。（六）

18、地下室上浮的處理措施首先、應(yīng)盡快采取措施增加壓重和降低地下水位，減少水浮力，停止地下室的上浮趨勢；其次、應(yīng)分析地下室上浮是否造成建筑結(jié)構(gòu)的破壞，破壞的程度是否可以修復(fù)。大部分上浮案例的分析結(jié)果表明：由于地下室上浮是一種趨勢發(fā)展，上浮變形較緩慢，上浮對結(jié)構(gòu)的破壞大部分是可修復(fù)的。在結(jié)構(gòu)仍可使用的前提下，要使上浮的地下室壓回原位，最直接的方法是迅速增加結(jié)構(gòu)物的重量。若此法失敗，則須設(shè)法消除作用于底板水浮力或進一步清除底板下方的淤泥及側(cè)壁土壤。常用的處理方式不外乎加載、抽水、解壓或洗砂等。加載設(shè)法快速增加地下室的重量，以克服水浮力及地下室側(cè)墻與土壤間的摩擦力，使卡在土層中的地下室可沉回原位。簡單的加載方式可于一樓樓板上堆置重物。包括鋼筋或尚未運離現(xiàn)場之支撐、鋼板樁等有份量的物品，主要放置于翹起的角落，但要注意核算樓板的承載能力。另一種快速加載的方法則是直接往地下室灌水，利用水重加壓。但加載并不保證能達到所須的效果，增加的載重或許能克服水浮力及側(cè)墻與土壤間的摩擦力，但淤積于底板與基地土之間的泥砂則阻止地下室下沉。繼續(xù)增加載重只會使淤積的泥砂更緊密，進一步的下沉則難以發(fā)生。抽水地