地下工程抗浮設(shè)計(jì)的綜合影響因素

周艷，姜曉周

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)， 安徽六安 237010 )

0 引言

隨著城市對(duì)地下空間的利用日益增多，不少城市的地下三層或多層純地下建筑工程已經(jīng)不少見，工程勘察實(shí)踐中經(jīng)常遇到地下建筑進(jìn)入不透水層，且地下水位變化較大，因此地下工程抗浮問題已是不容忽視的重要課題。不同地區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和巖土的差異性對(duì)地下工程抗浮設(shè)計(jì)影響很大。綜合考慮地下水的浮力作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全的影響是工程設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的重要影響因素。

1 地下工程抗浮設(shè)計(jì)的必要性

近年來，有不少地下建筑因地下水的作用而造成工程事故，強(qiáng)大的地下水浮力作用往往會(huì)造成地下室底板開裂，嚴(yán)重時(shí)影響基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。地基位于受地下水位影響的地下建（構(gòu)）筑物設(shè)計(jì)要考慮抗浮力驗(yàn)算數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)抗浮驗(yàn)算與地下水的性狀、水壓力和浮力、地下水位變化的影響因素及意外補(bǔ)水有關(guān)。

在工程實(shí)踐中，有不少地下建筑因地下水的作用而造成工程事故：

案例一：六安某污水處理站，由于基礎(chǔ)坐落在砂層上，常年地下水位較高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用為壓重抗浮。該地下工程于2017年4月開挖基坑，未進(jìn)行井點(diǎn)降水，8月份主體完成時(shí)正值雨季，施工單位也未采取其它抗浮措施，雨季時(shí)整體上浮漂移。

事故原因分析：該工程地處砂層上，常年地下水位較高，加上抗浮措施不到位，雨季積水引起整體上浮。

案例二：安徽某醫(yī)院基坑深度5.6m。地下穩(wěn)定水位標(biāo)高4.1～9.6m，醫(yī)院基礎(chǔ)回填期間一直進(jìn)行降排水，地下水位穩(wěn)定于抗浮設(shè)計(jì)水位以下?；靥詈笸Ｖ菇蹬潘?，導(dǎo)致地下水水位上升，引起底板南側(cè)上浮，不久發(fā)現(xiàn)底板大面積開裂。

事故原因分析：設(shè)計(jì)對(duì)抗浮水位取值較低，底板配筋率低，局部抗浮承載力不足，停止降排水后水位上升超過設(shè)計(jì)抗浮水位，引起底板局部上浮。

類似工程事故在不同地區(qū)，不同類型的地下建筑工程中都有發(fā)生，有的造成了較大安全隱患，有的造成不同程度的財(cái)產(chǎn)損失，也引起社會(huì)各界關(guān)注和專業(yè)部門的研究，相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)也在補(bǔ)充和完善之中。地下水作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全的影響是很大的，而場地的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)情況是不同的、復(fù)雜的。所以摸清場地情況，綜合研究地下水作用對(duì)工程勘察深度和重點(diǎn)提出了新的要求。

2 地下水浮力的形成

2.1 地下水相關(guān)概念

（1）上層滯水：是指埋藏他地表淺處，局部隔水透鏡體的上部，且具有自由水面的地下水。它的分布范圍有限，其來源主要是由大氣降水補(bǔ)給。因此，它的動(dòng)態(tài)變化，與氣候、隔水透鏡體厚度及分布范圍等因素有關(guān)。

（2）潛水：埋藏在地表以下第一穩(wěn)定隔水層以上的具有自由水面的地下水稱為潛水。潛水的自由表面承受大氣壓力，受氣候條件影響，季節(jié)性變化明顯。春夏季多雨，水位上升，冬季少雨水位下降。潛水主要分布在地表各種巖、土里，多數(shù)存在第四紀(jì)松散沉積巖中，堅(jiān)硬的沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖的裂隙和洞穴也有潛水分布。潛水面隨時(shí)間而變化，其形狀隨地形的不同而異，此外潛水面的形狀也和含水層的透水性及不透水層底板形狀有關(guān)。潛水面接近地表，可形成泉。當(dāng)?shù)乇砗恿鞯暮哟才c潛水含水層有水力聯(lián)系時(shí)，河水可以補(bǔ)給潛水，潛水也可補(bǔ)給河流，潛水是動(dòng)態(tài)變化的。人為因素的影響如新修水利，大面積灌溉和疏干與基坑開挖等都可能改變潛水的動(dòng)態(tài)，掌握動(dòng)態(tài)變化也是工程勘察的任務(wù)。

（3）承壓水：承壓水是指充滿在兩個(gè)穩(wěn)定的不透水層之間的含水層中的地下水。它承受一定的靜水壓力，又稱自由水。由于地下水限制在兩個(gè)不透水層之間，因而承壓水具有一定壓力，特別是含水層透水性愈好，壓力愈大，在地面打井至承壓水層時(shí)，水便在井中上升甚至噴出地表，形成所謂上升泉水。由于承壓水的上面存在隔水頂板的作用，它的埋藏區(qū)與地表補(bǔ)給區(qū)不一致。因此，承壓水的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，受局部氣候因素影響不明顯。承壓水的形成與所在地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造及沉積條件有密切關(guān)系。只要有適宜的地質(zhì)構(gòu)造條件，地下水都可以形成承壓水（圖1）。

圖1 地下水示意圖Fig.2 Schematic diagram of groundwater

（4）裂隙水：埋藏在基巖裂隙中的地下水叫裂隙水，水位變化較大，這與裂隙發(fā)育及其成因有密切關(guān)系。裂隙水按照基巖裂隙成因分類有：風(fēng)化裂隙水、成巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水。

（5）巖溶水：賦存和運(yùn)移于可溶巖的溶隙溶洞（洞穴、管道、暗河）中的地下水叫巖溶水。在溶巖地區(qū)溶巖水對(duì)地下工程影響非常大，勘察工作必須弄清溶巖水的分布規(guī)律。

2.2 地下水產(chǎn)生浮力的條件

存在于巖土中的液態(tài)水可分為結(jié)合水和自由水兩類，結(jié)合水與土粒表面牢固地黏結(jié)在一起，不能自由移動(dòng)，不能傳遞壓力，因此，它不會(huì)對(duì)土粒產(chǎn)生浮力。自由水在土粒影響范圍以外，能傳遞靜力壓力，有溶解能力。其中的重力水可以自由運(yùn)動(dòng)，對(duì)土粒有浮力作用。

因此，只要地下工程底板下有重力水，且水位高于地下工程底板時(shí)，地下工程才會(huì)受到浮力。當(dāng)?shù)叵滤缓艿?，在地下工程底板以下或上層滯水水位較高，在地下工程底板處以上時(shí)，地下工程不會(huì)受到浮力，即使地下工程底板周圍有地下水，但四周均有不透水土層隔離時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生浮力。

2.3 地下工程在浮力作用下的應(yīng)力狀態(tài)

建筑物通過地下工程將荷載作用于地基上，地基土產(chǎn)生反力，在正常狀態(tài)下，兩者保持平衡，結(jié)構(gòu)荷載=基底反力。

當(dāng)?shù)叵滤坏纳仙叵鹿こ痰装瀹a(chǎn)生浮力，地基反力減小，根據(jù)力學(xué)平衡條件，結(jié)構(gòu)荷載=基底反力+浮力。

隨著浮力的增大，基底反力逐漸減小，當(dāng)浮力小于結(jié)構(gòu)荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)抗浮滿足要求。當(dāng)浮力繼續(xù)增大，直至等于大于結(jié)構(gòu)荷載時(shí)，基底反力等于零，地下工程的結(jié)構(gòu)抗浮不滿足要求，需采取其它抗浮措施才能滿足建筑結(jié)構(gòu)安全。

3 地下工程抗浮設(shè)計(jì)影響因素

為了滿足地下工程抗浮設(shè)計(jì)的要求，使抗浮方案和措施安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便，工程勘察工作的深度必須滿足抗浮設(shè)計(jì)要求，必須查清場地：地下水最高水位、地下水的類型和滲透性、巖土特征（產(chǎn)狀、巖性等）、裂隙或破碎帶特征等水文地質(zhì)和工程地質(zhì)情況，為地下工程抗浮設(shè)計(jì)提供參考。

3.1 地下水最高水位

在計(jì)算地下水浮力時(shí)，地下水最高水位的確定對(duì)浮力的計(jì)算起關(guān)鍵作用，直接決定了水浮力的大小，決定了抗浮方案和措施，以及建筑構(gòu)件局部抗浮時(shí)基礎(chǔ)底板的厚度和基礎(chǔ)梁的規(guī)格。在工程勘察實(shí)踐中地下水位的取值原則依據(jù)《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》（JGJ 72-2004）規(guī)定：“場地地下水抗浮設(shè)防水位的綜合確定宜符合下列規(guī)定：

（1）若有長期水文觀測資料或歷史水位記錄時(shí)，浮力的計(jì)算可取歷史最高水位；若無長期水文觀測資料或歷史水位記錄時(shí)，按勘察期間實(shí)測最高穩(wěn)定水位并結(jié)合場地地形地貌、地下水補(bǔ)給、排泄條件等因素綜合確定，浮力計(jì)算可取歷史最高水位；

（2）場地有承壓水且承壓水與潛水有水力聯(lián)系時(shí)，應(yīng)按承壓水和潛水的混合最高水位計(jì)算；

（3）只考慮施工期間的抗浮設(shè)防時(shí)，抗浮設(shè)防水位可按一個(gè)水文年的最高水位確定；

（4）在無動(dòng)水壓力及承壓水時(shí)，最高水位不宜超過地下工程頂板面標(biāo)高。

情況復(fù)雜時(shí)需要組織專家論證，來確定地下水最高水位。

3.2 地下水類型

上層滯水、潛水和承壓水分布特征和滲透性是工程勘察的重要任務(wù)，當(dāng)?shù)叵鹿こ探Y(jié)構(gòu)底板位于潛水層、或穿過不透水層（隔水層）進(jìn)入潛水層，或穿過不透水層進(jìn)入承壓水層，底板所受的水浮力是不同的。實(shí)際中可能出現(xiàn)以下幾種情況：

（1）地下工程結(jié)構(gòu)底板位于上部潛水中；

（2）地下工程結(jié)構(gòu)底板位于上部不透水層中；

（3）地下工程結(jié)構(gòu)底板穿過上部潛水層持力于下部不透水層；

（4）地下工程結(jié)構(gòu)底板穿過不透水層位于潛水層中；

（5）地下工程結(jié)構(gòu)底板穿過潛水層持力于不透水層中；

（6）地下工程結(jié)構(gòu)底板穿過潛水層、不透水層持力于下部承壓水中。

工程勘察過程中必須搞清楚地下工程所處的地下水類型，準(zhǔn)確計(jì)算地下水浮力，為設(shè)計(jì)抗浮方案和措施提供科學(xué)依據(jù)。

3.3 巖土特征和滲透性確定

（1）巖性特征：堅(jiān)硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖、極軟巖等應(yīng)準(zhǔn)確區(qū)分、持力層的確定，以及巖土的滲透性確定，也是工程勘察工作的重要任務(wù)。

巖土特征是抗拔錨桿的設(shè)計(jì)類型、有效錨固長度、錨桿間距、錨固錨束等確定的重要依據(jù)。

（2）巖土的滲透性：巖土的滲透性是指地下水通過巖土顆粒之間的孔隙流動(dòng)，土體可被水透過的性質(zhì)稱為巖土的滲透性，不同性質(zhì)的巖土滲透性是不同的，滲透性的確定是判定是否存在地下滲流作用的依據(jù)，如果巖土滲透性好，地下結(jié)構(gòu)底板穿過上部潛水層持力于不透水層必須計(jì)算潛水的滲流作用。

3.4 場地的破碎帶、裂隙的特征及分布規(guī)律

破碎帶和裂隙的的存在直接改變地下水浮力的作用一般特征，破碎帶和裂隙部位地下水壓力大、出水量足，抗浮設(shè)計(jì)必須設(shè)計(jì)局部抗浮措施。同時(shí)，如果破碎帶或裂隙與河湖相通、出露地表，將改變了地下水的補(bǔ)給方式，受季節(jié)性降水影響明顯，直接影響地下最高水位的確定。因此，破碎帶和裂隙分布規(guī)律可根據(jù)需要在基坑開挖到一定階段進(jìn)行補(bǔ)充勘察，最大限度的查明特殊的工程地質(zhì)條件，為抗浮設(shè)計(jì)的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性決策提供依據(jù)。

4 結(jié)論

一般情況，某一地區(qū)的地下水系統(tǒng)具有一定的規(guī)律性，抗浮設(shè)計(jì)對(duì)地下水的最高水位確定的各種規(guī)定反應(yīng)了最高水位的動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，隨著地下工程建筑結(jié)構(gòu)底板的標(biāo)高不同，場地工程地質(zhì)的特點(diǎn)不同，以及周邊地下（房建、市政）工程的影響，最高水位的確定、局部或整體抗浮方案（措施）等都需要綜合考慮各種影響因素，工程勘察工作深度必須滿足上述要求。