工程抗浮事故雨季高发!如何避免?

2021/06/29
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地表水抗浮问题浅析

 

随着城市建设的高速发展,地下空间的利用越来越受重视,随之而来,地下工程的抗浮问题愈发凸显。当建筑物结构自重较轻,埋置较深,地下水位较高时,如抗浮措施不足,水浮力将大于自重和抗浮承载力之和,导致整体抗浮稳定失效,地库上浮所产生的破损案例也屡见不鲜。为了保证结构的稳定性和正常使用,地下室抗浮问题越来越受到工程人员的关注。

 

适逢近日华东地区进入梅雨季,因暴雨引起工程抗浮事故的几率增加。本期创新工作室就由地表水流入产生的抗浮问题及其预防作简单的介绍,探讨让设计与施工更好的融合。

 

      地表水抗浮问题容易被忽视

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地下水位的升高不无外乎有两个原因:一是周边场地地下水的渗入,二是地表水的流入。设计单位一般认为抗浮的关键在于地勘报告中的抗浮设计水位的确定,而对地表水的流入却容易忽视,那是什么原因呢?

工程抗浮事故雨季高发!如何避免?
地勘人员:基坑开挖后地下水位受地表水流入难以监测,所以一般不会提及施工期间的抗浮设防水位。

设计和审图人员:认为施工抗浮措施属于临时措施,应由施工单位考虑。设计仅考虑正常使用下的抗浮设计即可。

工程抗浮事故雨季高发!如何避免?
工程抗浮事故雨季高发!如何避免?
施工人员:对地表水作用认识不足,当地下室地基为不透水的岩层且基坑四周有严密的支护时,认为既然图纸有抗浮设计,不用采取额外抗浮措施。

 

      什么是肥槽?

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在讨论施工期间的抗浮问题前,我们先要解释一个基坑施工时常会听到的工程术语——肥槽

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肥槽指的是承台、地下室外墙与基坑侧壁之间的空间,也就是为施工作业面多开挖的一部分基坑。一般情况下,肥槽宽度为0.5~1.2m。肥槽露天布置,平时非常容易积水,因此常在肥槽底部设置排水沟、集水井等用于汇集和降水。

在建筑地下结构完成施工后,就要用回填材料将肥槽填平至自然场地标高。

 

      什么是水盆效应?

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地表水流入肥槽如何影响地下结构?要解释其中原理,就要了解什么是——水盆效应

 

上节已经解释了基坑肥槽,在肥槽回填前,当出现暴雨时,地表水经肥槽流入建筑基坑四周进而渗入地下室底板下部,形成积水区。此时基坑就是一个大水盆,建筑物的地下室犹如一个小水盆,浸泡在大水盆中,由此产生的浮力如果大于地下室自重与抗浮措施形成的抗力之和,就会造成结构损坏,这就是水盆效应(见下图)。

 

工程抗浮事故雨季高发!如何避免?

▲地表水流入肥槽引起水盆效应

工程抗浮事故雨季高发!如何避免?

▲水盆效应原理

 

需要注意的是,当对基坑支护采用SMW工法等租赁材料时,建设单位往往急于回填肥槽,拔出型钢。此时尤其应该注意回填土质量和降水要求。因为即便肥槽已经回填,如果对回填材料选择不当,或对回填土没有进行认真的夯实处理,未能形成不透水带,基坑降水又没到位,同样会产生“水盆”效应!

 

      如何避免水盆效应?

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如何才能避免水盆效应?从以下几个方面进行严格把控是关键:

 

1、合理确定施工期间的抗浮设防水位,并验算抗浮稳定性。此抗浮设防水位,不应只考虑场地的原始水文地质情况,也要考虑基坑开挖后地表水流入带来的影响。同时,验算施工期间的浮力时,应将上部建筑荷载调整为施工期间的荷载,也就是在允许停止人工降低地下水位时的建筑物实际荷载,一般需扣除覆土。

《建筑工程抗浮技术标准》(JGJ476-2019)

 

5.3.2(条文说明)

……

虽然施工期比较短,但基坑、基槽的暴露可能积水,加之可能受地下水补给、排泄条件改变的影响,且此阶段可以抵抗地下水浮力的上部结构荷载尚未施加完成,因此,施工期抗浮设防水位的确定也应综合考虑勘察时实测的场地水位、预计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况。

 

2、当施工期间的抗浮稳定性验算不能满足时,应采取合理的抗浮措施。施工期间一般采用排水限压法对基坑进行降水,常用的基坑降水方法有:明沟加集水井降水、轻型井点降水、喷射井点降水、电渗井点降水、深井井点降水等。注意《建筑工程抗浮技术标准》对基坑降水有严格的要求:

《建筑工程抗浮技术标准》(JGJ476-2019)

 

8.1.2 抗浮工程施工应具有下列条件:

……

3 场地地下水水位不应高于地下结构底板底面下1.0m,且波动幅度不应大于0.5m;

同时,应特别注意对停止基坑降水时机的选择,很多抗浮事故发生的原因就是在地库顶板覆土完成前停止基坑降水,此时一旦地下水位接近抗浮设防最高水位,水浮力将大于全部抗力之和,势必会引发工程事故。

 

3、若设计选定的使用期抗浮水位显著低于顶板覆土面标高时,基坑肥槽回填应考虑抗浮要求。

我们先看看相关规范、标准对肥槽回填的要求:

《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)

 

12.2.6 高层建筑地下外围回填土应采用级配砂石、砂土或灰土,并应分层夯实。

▲注:这个要求可解决结构地下侧限问题,但无法预防地表水侵入形成的水盆效应。

《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)

 

8.4.24 筏形基础地下施工完毕后,应及时进行基坑回填工作,填土应按设计要求选料,回填时应先清理基坑中的杂物,在其两侧或四周同时回填并分层夯实,回填土的压实系数不应小于0.94。

《地下工程防水技术规范》(GB50108-2008)

 

10.0.6 明挖地下工程的混凝土和防水层的保护层验收合格后,应及时回填,并应符合下列要求:

1 基坑内杂物应清理干净、无积水。

2 工程周围800mm以内宜采用灰土,粘土回填,其中不得含有块石、碎砖、灰渣、有机杂物以及冻土。

3 回填施工应均匀对称进行,并应分层夯实。……

《建筑工程抗浮设计标准》(JGJ476-2019)

 

6.5.5-3 基坑肥槽回填应采用分层夯实的粘性土、灰土或浇筑预拌流态固化土、素混凝土等弱透水材料。

以上诸多规范、标准都提到了基坑肥槽回填问题,但规范仅仅是从专项设计角度对回填土提出要求,大都没有综合考虑地下室结构侧限及水盆效应问题,只有《建筑工程抗浮设计标准》提出的回填材料兼顾到了侧限及避免水盆效应的材料要求。

 

从预防水盆效应的角度分析,首先就要避免肥槽形成积水区,故不能用砂石,而应采用灰土、黏土、黄土回填并分层夯实,或采用预拌流态固化土、素混凝土、毛石混凝土回填,形成不透水层,以避免建筑物因地表水流入肥槽形成水盆效应引起抗浮失效,同时也起到对地下室的抗震侧限作用。

 

从工程成本角度分析,由下表可以看出,素土与灰土、预拌流态固化土回填成本相差悬殊,采用素混凝土价格更无法接受,由于肥槽回填土方量较大,实际工程中往往仅此一项工程成本就可相差几十万甚至上千万元。这就需要我们在设计选材时,必须结合工程各种边界条件,选择安全可靠、经济合理的回填材料。

工程抗浮事故雨季高发!如何避免?

▲各类回填土的经济性分析

 

      总结

05

工程实践表明,对地表水流入产生的抗浮问题必须引起重视,仅仅满足理论设计要求不一定合适,需要结合工程各种边界条件提出切实可行的回填方案。同时设计也应提出对降水的全面预防措施,我们建议做到以下几点:

 

(1)地下结构外围周边地表应设置混凝土等弱透水材料封闭带,范围宜扩至地坑肥槽边缘以外不小于1m。

(2)场地应设置渗水井、排水盲沟及泄水沟等,形成有组织排水系统。

(3)基础底不得设置透水性较强的材料垫层,超挖土方宜采用混凝土或预拌流态固化土等回填。

(4)给排水管道的接口、沟、涵等应采取防渗漏措施。

 

设计管理者应做好设计与施工的结合,杜绝设计盲区,深度思考安全问题,确保建设工程的安全可靠、经济合理。

 

参考文件:

[1]如何应对”水盆效应“的发生 魏利金 .

[2]地下水惹祸魁首:水盆效应及防治措施10条 .

[3]抗浮设计小议 王立金 .

匿名

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