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地表水抗浮問題淺析
隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，地下空間的利用越來越受重視，隨之而來，地下工程的抗浮問題愈發(fā)凸顯。當建筑物結(jié)構(gòu)自重較輕，埋置較深，且地下水位較高時，如抗浮措施不足，水浮力將大于自重和抗浮承載力之和，導(dǎo)致整體抗浮穩(wěn)定失效，地庫上浮所產(chǎn)生的破損案例也屢見不鮮。為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和正常使用，地下室抗浮問題越來越受到工程人員的關(guān)注。
適逢近日華東地區(qū)進入梅雨季，因暴雨引起工程抗浮事故的幾率增加。本期創(chuàng)新工作室就由地表水流入產(chǎn)生的抗浮問題及其預(yù)防作簡單的介紹，探討讓設(shè)計與施工更好的融合。
地表水抗浮問題容易被忽視
01
地下水位的升高不無外乎有兩個原因：一是周邊場地地下水的滲入，二是地表水的流入。設(shè)計單位一般認為抗浮的關(guān)鍵在于地勘報告中的抗浮設(shè)計水位的確定，而對地表水的流入?yún)s容易忽視，那是什么原因呢？
地勘人員：基坑開挖后地下水位受地表水流入難以監(jiān)測，所以一般不會提及施工期間的抗浮設(shè)防水位。
設(shè)計和審圖人員：認為施工抗浮措施屬于臨時措施，應(yīng)由施工單位考慮。設(shè)計僅考慮正常使用下的抗浮設(shè)計即可。
施工人員：對地表水作用認識不足，當?shù)叵率业鼗鶠椴煌杆膸r層且基坑四周有嚴密的支護時，認為既然圖紙有抗浮設(shè)計，不用采取額外抗浮措施。
什么是肥槽？
02
在討論施工期間的抗浮問題前，我們先要解釋一個基坑施工時常會聽到的工程術(shù)語——肥槽。
肥槽指的是承臺、地下室外墻與基坑側(cè)壁之間的空間，也就是為施工作業(yè)面多開挖的一部分基坑。一般情況下，肥槽寬度為0.5~1.2m。肥槽露天布置，平時非常容易積水，因此常在肥槽底部設(shè)置排水溝、集水井等用于匯集和降水。
在建筑地下結(jié)構(gòu)完成施工后，就要用回填材料將肥槽填平至自然場地標高。
什么是水盆效應(yīng)？
03
地表水流入肥槽如何影響地下結(jié)構(gòu)？要解釋其中原理，就要了解什么是——水盆效應(yīng)。
上節(jié)已經(jīng)解釋了基坑肥槽，在肥槽回填前，當出現(xiàn)暴雨時，地表水經(jīng)肥槽流入建筑基坑四周進而滲入地下室底板下部，形成積水區(qū)。此時基坑就是一個大水盆，建筑物的地下室猶如一個小水盆，浸泡在大水盆中，由此產(chǎn)生的浮力如果大于地下室自重與抗浮措施形成的抗力之和，就會造成結(jié)構(gòu)損壞，這就是水盆效應(yīng)（見下圖）。
▲地表水流入肥槽引起水盆效應(yīng)
▲水盆效應(yīng)原理
需要注意的是，當對基坑支護采用SMW工法等租賃材料時，建設(shè)單位往往急于回填肥槽，拔出型鋼。此時尤其應(yīng)該注意回填土質(zhì)量和降水要求。因為即便肥槽已經(jīng)回填，如果對回填材料選擇不當，或?qū)靥钔翛]有進行認真的夯實處理，未能形成不透水帶，基坑降水又沒到位，同樣會產(chǎn)生“水盆”效應(yīng)！
如何避免水盆效應(yīng)？
04
如何才能避免水盆效應(yīng)？從以下幾個方面進行嚴格把控是關(guān)鍵：
1、合理確定施工期間的抗浮設(shè)防水位，并驗算抗浮穩(wěn)定性。此抗浮設(shè)防水位，不應(yīng)只考慮場地的原始水文地質(zhì)情況，也要考慮基坑開挖后地表水流入帶來的影響。同時，驗算施工期間的浮力時，應(yīng)將上部建筑荷載調(diào)整為施工期間的荷載，也就是在允許停止人工降低地下水位時的建筑物實際荷載，一般需扣除覆土。
《建筑工程抗浮技術(shù)標準》（JGJ476-2019）
5.3.2（條文說明）
……
雖然施工期比較短，但基坑、基槽的暴露可能積水，加之可能受地下水補給、排泄條件改變的影響，且此階段可以抵抗地下水浮力的上部結(jié)構(gòu)荷載尚未施加完成，因此，施工期抗浮設(shè)防水位的確定也應(yīng)綜合考慮勘察時實測的場地水位、預(yù)計施工期的雨期地下水高水位和近3年～5年最高水位的最不利工況。
2、當施工期間的抗浮穩(wěn)定性驗算不能滿足時，應(yīng)采取合理的抗浮措施。施工期間一般采用排水限壓法對基坑進行降水，常用的基坑降水方法有：明溝加集水井降水、輕型井點降水、噴射井點降水、電滲井點降水、深井井點降水等。注意《建筑工程抗浮技術(shù)標準》對基坑降水有嚴格的要求：
《建筑工程抗浮技術(shù)標準》（JGJ476-2019）
8.1.2 抗浮工程施工應(yīng)具有下列條件：
……
3 場地地下水水位不應(yīng)高于地下結(jié)構(gòu)底板底面下1.0m，且波動幅度不應(yīng)大于0.5m；
同時，應(yīng)特別注意對停止基坑降水時機的選擇，很多抗浮事故發(fā)生的原因就是在地庫頂板覆土完成前停止基坑降水，此時一旦地下水位接近抗浮設(shè)防最高水位，水浮力將大于全部抗力之和，勢必會引發(fā)工程事故。
3、若設(shè)計選定的使用期抗浮水位顯著低于頂板覆土面標高時，基坑肥槽回填應(yīng)考慮抗浮要求。
我們先看看相關(guān)規(guī)范、標準對肥槽回填的要求：
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）
12.2.6 高層建筑地下外圍回填土應(yīng)采用級配砂石、砂土或灰土，并應(yīng)分層夯實。
▲注：這個要求可解決結(jié)構(gòu)地下側(cè)限問題，但無法預(yù)防地表水侵入形成的水盆效應(yīng)。
《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）
8.4.24 筏形基礎(chǔ)地下施工完畢后，應(yīng)及時進行基坑回填工作，填土應(yīng)按設(shè)計要求選料，回填時應(yīng)先清理基坑中的雜物，在其兩側(cè)或四周同時回填并分層夯實，回填土的壓實系數(shù)不應(yīng)小于0.94。
《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》（GB50108-2008）
10.0.6 明挖地下工程的混凝土和防水層的保護層驗收合格后，應(yīng)及時回填，并應(yīng)符合下列要求：
1 基坑內(nèi)雜物應(yīng)清理干凈、無積水。
2 工程周圍800mm以內(nèi)宜采用灰土，粘土回填，其中不得含有塊石、碎磚、灰渣、有機雜物以及凍土。
3 回填施工應(yīng)均勻?qū)ΨQ進行，并應(yīng)分層夯實。……
《建筑工程抗浮設(shè)計標準》（JGJ476-2019）
6.5.5-3 基坑肥槽回填應(yīng)采用分層夯實的粘性土、灰土或澆筑預(yù)拌流態(tài)固化土、素混凝土等弱透水材料。
以上諸多規(guī)范、標準都提到了基坑肥槽回填問題，但規(guī)范僅僅是從專項設(shè)計角度對回填土提出要求，大都沒有綜合考慮地下室結(jié)構(gòu)側(cè)限及水盆效應(yīng)問題，只有《建筑工程抗浮設(shè)計標準》提出的回填材料兼顧到了側(cè)限及避免水盆效應(yīng)的材料要求。
從預(yù)防水盆效應(yīng)的角度分析，首先就要避免肥槽形成積水區(qū)，故不能用砂石，而應(yīng)采用灰土、黏土、黃土回填并分層夯實，或采用預(yù)拌流態(tài)固化土、素混凝土、毛石混凝土回填，形成不透水層，以避免建筑物因地表水流入肥槽形成水盆效應(yīng)引起抗浮失效，同時也起到對地下室的抗震側(cè)限作用。
從工程成本角度分析，由下表可以看出，素土與灰土、預(yù)拌流態(tài)固化土回填成本相差懸殊，采用素混凝土價格更無法接受，由于肥槽回填土方量較大，實際工程中往往僅此一項工程成本就可相差幾十萬甚至上千萬元。這就需要我們在設(shè)計選材時，必須結(jié)合工程各種邊界條件，選擇安全可靠、經(jīng)濟合理的回填材料。
▲各類回填土的經(jīng)濟性分析
總結(jié)
05
工程實踐表明，對地表水流入產(chǎn)生的抗浮問題必須引起重視，僅僅滿足理論設(shè)計要求不一定合適，需要結(jié)合工程各種邊界條件提出切實可行的回填方案。同時設(shè)計也應(yīng)提出對降水的全面預(yù)防措施，我們建議做到以下幾點：
（1）地下結(jié)構(gòu)外圍周邊地表應(yīng)設(shè)置混凝土等弱透水材料封閉帶，范圍宜擴至地坑肥槽邊緣以外不小于1m。
（2）場地應(yīng)設(shè)置滲水井、排水盲溝及泄水溝等，形成有組織排水系統(tǒng)。
（3）基礎(chǔ)底不得設(shè)置透水性較強的材料墊層，超挖土方宜采用混凝土或預(yù)拌流態(tài)固化土等回填。
（4）給排水管道的接口、溝、涵等應(yīng)采取防滲漏措施。
設(shè)計管理者應(yīng)做好設(shè)計與施工的結(jié)合，杜絕設(shè)計盲區(qū)，深度思考安全問題，確保建設(shè)工程的安全可靠、經(jīng)濟合理。
