無樁耐壓抗浮技術(shù)研究

無樁耐壓抗浮技術(shù)研究

0常用地下空間抗浮設(shè)計的關(guān)鍵問題隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市建筑空間不斷向地下擴張，土木工程設(shè)計的難度也在增加，尤其是地下結(jié)構(gòu)的抗漂浮安全。如何在兼顧安全性與經(jīng)濟性的前提下解決結(jié)構(gòu)抗浮問題，成為工程設(shè)計中亟待解決的重要課題。工程設(shè)計中容易出現(xiàn)設(shè)計人員對地下水的狀態(tài)與滲流特性分析不全面，僅采用勘察單位提供的抗浮設(shè)防水位來計算水浮力大小，從而使得工程抗浮設(shè)計過于安全和保守，導(dǎo)致抗浮投入大大增加；同時，在工程水文地質(zhì)復(fù)雜、降雨比較豐富的情況下，由于設(shè)計人員對水浮力估算不足或者采用不當(dāng)抗浮措施造成的工程事故時有發(fā)生，有些還造成了嚴(yán)重的后果。總之，地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計如何兼顧安全性與經(jīng)濟性已成為地下空間資源開發(fā)與利用中亟待解決的關(guān)鍵問題。這兩個方面也是本技術(shù)主要關(guān)注的焦點。1常用地下結(jié)構(gòu)抗浮技術(shù)按GB50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》第5.4.3條，地下結(jié)構(gòu)抗浮須進(jìn)行穩(wěn)定性驗算：式中：G實際設(shè)計中分別從兩方面著手，以保證地下結(jié)構(gòu)的整體抗浮穩(wěn)定性：被動抗浮技術(shù)考慮加大G1.1底板延伸及抗浮抗拔樁施工1）配重抗浮通過增加結(jié)構(gòu)自重或上部荷載來達(dá)到抗浮目的，是最簡便直接的抗浮措施之一。按采取的措施可分為加厚底板和邊墻法、地下室內(nèi)壓重和底板配重法，從經(jīng)濟方面考慮，結(jié)構(gòu)自重與地下水浮力相差較小時（如10%以內(nèi)）可采用這種抗浮措施，一般適用于埋深不大的地下建筑物。也可采用增加地下室底板延伸部分來加大覆土的重量，但是如果底板延伸范圍過大，會明顯增大基坑面積，開挖工程量增大的同時可能對相鄰的建筑物造成一定影響，因此一般適用于埋深較淺、規(guī)模較小的地下建筑物。2）錨桿抗浮錨桿一端與地下室結(jié)構(gòu)相連，另一端則固定在巖層或土層中，通過與錨側(cè)巖土層的摩阻力來抵抗地下水所產(chǎn)生的水浮力。錨桿主要適用于風(fēng)化巖石及粉土黏土層，布置方式靈活多樣，不需要大型施工機械，施工方便、造價較低，適用于有場地條件的地下建筑物。3）抗拔樁抗浮抗拔樁利用置入巖土體的樁側(cè)摩阻力與樁體自重來提供抗拔力，其抗浮能力與樁的自身特性及周圍地質(zhì)條件有關(guān)。目前，工程中常用的樁型有預(yù)制樁、鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力管樁。抗技樁單樁承載能力強，施工技術(shù)成熟，但施工費用較高。由于樁體受拉，樁身存在鋼筋銹蝕等耐久性問題，抗拔樁的裂縫寬度需要嚴(yán)格控制。這些問題都需要在設(shè)計和施工過程中加以考慮。1.2層和排水管網(wǎng)校核主動抗浮技術(shù)是通過降低或消除地下水浮力來保證地下結(jié)構(gòu)的抗浮穩(wěn)定性。目前，主要通過基底排水來實現(xiàn)，其原理是在基礎(chǔ)底部設(shè)置排水裝置來減小或消除地下水對建筑物的浮力，從而保證建筑物的抗浮穩(wěn)定性。主要構(gòu)造是在基礎(chǔ)底板下設(shè)置砂石倒濾層和排水管網(wǎng)，將地下水導(dǎo)入到集水井中抽走，使周邊的地下水位小于抗浮臨界水位，并始終保持在預(yù)定的標(biāo)高以下。該技術(shù)施工便捷，費用低廉，一般適用于透水性較低的土層。當(dāng)?shù)鼗镣杆暂^好時，抽水費用會大大增加且會造成臨近場地的沉陷?？梢钥闯?，與常用的被動抗浮技術(shù)相比，目前的基底排水抗浮技術(shù)有著施工工期短、造價低、地下室滲漏風(fēng)險小等顯著優(yōu)勢。然而該技術(shù)還是存在以下缺陷，限制了其在實際工程中的廣泛使用。1）傳統(tǒng)技術(shù)使用砂石墊層作為倒濾層，一般厚度為400mm以上方能達(dá)到工程要求的效果。這樣會導(dǎo)致基坑開挖深度加深，加大建設(shè)成本，削弱了主動抗浮技術(shù)的經(jīng)濟性優(yōu)勢。2）運營期內(nèi)長期排水，對周邊場地有一定影響，可能造成周圍建筑或地表沉降。因此，傳統(tǒng)的主動抗浮技術(shù)還有很大的改進(jìn)空間。2傳統(tǒng)基底排水抗浮技術(shù)基于主動抗浮思路，構(gòu)建了一個通用的地下車庫無樁穩(wěn)壓抗浮技術(shù)框架，通過創(chuàng)新克服傳統(tǒng)基底排水抗浮技術(shù)的固有不足。基于地下水滲流理論、有限元數(shù)值仿真模擬與實際工程經(jīng)驗，對無樁穩(wěn)壓抗浮技術(shù)的有限元計算與構(gòu)造設(shè)計進(jìn)行系統(tǒng)的研究。2.1無樁壓浮技術(shù)的系統(tǒng)組成2.1.1墊層、壓實模塊無樁穩(wěn)壓抗浮技術(shù)的運行系統(tǒng)主要由4個模塊組成，其運行流程如圖1所示。1）透水模塊主要由高滲透土工布與透水混凝土墊層組成。高滲透土工布直接鋪設(shè)在開挖面上，然后在高滲透土工布上澆筑透水混凝土。透水模塊的主要作用是在一定的水頭作用下，允許滲透水正常流通，且阻止細(xì)土顆粒堵塞透水混凝土墊層，從而極大地降低滲流通道淤堵的風(fēng)險。2）集水模塊主要由PED高分子集水異形片（以下簡稱異形片）組成，異形片由定制集水板和自黏土工布組成，異形片直接鋪設(shè)在透水混凝土墊層上，其主要作用是匯集和水平傳輸從墊層滲透上來的地下水。該異形片可作為基礎(chǔ)底板澆筑的模板，并在一定的荷載作用下不易變形。3）穩(wěn)壓模塊主要由高精度微壓背壓閥（以下簡稱背壓閥）組成。背壓閥通過DN25鍍塑鋼管與異形片連接，當(dāng)背壓閥進(jìn)水口壓力大于預(yù)定壓力，背壓閥會自動開啟，將基底地下水排至底板普通排水板里。背壓閥布置在地庫底板的板跨中部，通過預(yù)留鋼套管嵌入在基礎(chǔ)底板中，可以定期維護(hù)或更換。4）排水模塊主要由排水板、集水井以及抽水泵組成。排水板直接鋪設(shè)在基礎(chǔ)底板的防水層上，然后再澆面層，通過自身凹凸形狀形成水平排水通道，將背壓閥排上來的水排至附近集水井里。當(dāng)集水井里的水位達(dá)到預(yù)定水位時水泵自動開啟，將地下水排至室外。2.1.2孔隙水壓力監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)的作用主要在于實時動態(tài)地監(jiān)控本技術(shù)的運行狀態(tài)，本系統(tǒng)在后期運營階段主要的監(jiān)測項目如下：1）基底孔隙水壓力的監(jiān)測在基礎(chǔ)底板設(shè)置若干孔隙水壓監(jiān)測點，由物業(yè)長期監(jiān)測記錄運營期內(nèi)各孔點孔隙水壓的變化情況。2）泄排水流量的監(jiān)測地下水最終排至集水井，可以通過集水井中水泵的記錄來統(tǒng)計每天的排水量。通過對實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成整合與分析處理，可以掌握地下水的運動情況，從而驗證設(shè)計效果，緊急時啟動應(yīng)急預(yù)案，以保證地下建筑的抗浮安全。2.1.3外包土工布的耐久性保障維護(hù)系統(tǒng)的作用在于處理本技術(shù)在運營期內(nèi)出現(xiàn)的各種故障，保證系統(tǒng)的正常運行。地下車庫生命周期較長，在全壽命周期過程中不可避免地會受到各種不穩(wěn)定因素的干擾。如期間出現(xiàn)穩(wěn)壓抗浮技術(shù)失效的不利情況，地下水過大的浮力會造成地下車庫失穩(wěn)上浮或局部底板上拱開裂，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全。因此，必須設(shè)置維護(hù)系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)的耐久性。1）設(shè)計要求外包土工布應(yīng)具有與主體結(jié)構(gòu)一致的使用壽命。2）對于無法達(dá)到同主體結(jié)構(gòu)壽命要求的部件，如背壓閥、抽水泵等關(guān)鍵構(gòu)件，通過構(gòu)造設(shè)計實現(xiàn)損壞時可快速維修更換。3）為防止運行系統(tǒng)中的集排水模塊堵塞，設(shè)計針對背壓閥及流道的反沖洗裝置。2.2無樁壓浮技術(shù)的金元計算2.2.1水力動力主動抗浮技術(shù)的理論分析本技術(shù)通過在底板下設(shè)置集排水系統(tǒng)形成地下水滲流體系，將基底的靜水壓力轉(zhuǎn)化為動態(tài)的滲流水壓力，并使底板下的水浮力控制在設(shè)計允許的范圍內(nèi)，以達(dá)到主動抗浮的目的。計算中對本技術(shù)的簡化分析處理如圖2所示?？梢钥闯觯A(chǔ)底板原靜水壓力為P=γ一般而言，P2.2.2“層流”滲流與達(dá)西定律有限元數(shù)值計算分析基于已有的飽和與非飽和土地下水滲流理論，以下將對滲流理論做一些簡單的說明。大量試驗證明，當(dāng)土體中的水滲透速度較小時，滲流沿程水頭損失與流速的一次方成正比。在一般情況下，粉土、黏土中的滲透速度很小，其滲流形式可視為“層流”，滲流運動符合達(dá)西定律，即：式中：Q為基底總滲流量，m以上公式的含義為：水在單位時間內(nèi)通過介質(zhì)的滲流量與滲流路徑長度成反比，與過水?dāng)嗝婷娣e和總水頭損失成正比。達(dá)西定律可用于計算簡單邊界條件下的飽和土體（滲透系數(shù)為常數(shù)）一維穩(wěn)定滲流。實際工程中，邊界條件極為復(fù)雜，水流形態(tài)往往是二維或三維的，且場地一般存在非飽和土層（其滲透系數(shù)受含水率、孔隙水壓力影響）。此時達(dá)西定律須以微分形式表達(dá)，再結(jié)合質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程，可以推導(dǎo)得到以總水頭H為因變量的二維滲流基本微分方程：以上也是滲流有限元計算中的基本方程。篇幅所限不再做深入展開。由于偏微分方程的多解特性，實際計算中需要給定一些必要的初始與邊界條件才能求解該方程。2.2.3設(shè)計施工地的材料、數(shù)據(jù)分析對滲流進(jìn)行有限元計算時采取以下假定。1）假定土層中的地下水滲流滿足微分形式的達(dá)西定律。一般而言以黏土、粉土為主的場地地基符合達(dá)西定律的適用要求。2）不考慮項目周邊建筑物（含基坑側(cè)壁）對地下水的遮擋作用。由達(dá)西定律可知，基坑側(cè)壁等遮擋增長了滲流路徑，會使得實際總排水量小于計算值。設(shè)計不計遮擋是偏保守考慮的。3）場地土層的滲透系數(shù)視為各向同性?？辈靾蟾嬷薪o出的土層水平向與豎向的滲流系數(shù)確實極為相近?？梢钥闯觯陨霞俣▽嶋H情況進(jìn)行了合理的簡化，從而在保證準(zhǔn)確度的同時提升了計算的效率。2.2.4采用sep/w模型模擬法進(jìn)行有限元分析隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和工程問題的日趨復(fù)雜，國內(nèi)外一批模擬地下水運動及滲流數(shù)值分析的專業(yè)軟件應(yīng)運而生，如加拿大GeoStudio軟件的Seep/W模塊、荷蘭Plaxis軟件的PlaxFlow模塊、美國Ansys軟件的溫度場模塊以及國內(nèi)理正結(jié)構(gòu)軟件的滲流計算模塊?？紤]到易用性與便捷性，經(jīng)比較后選用了GeoStudio軟件的Seep/W模塊進(jìn)行地下水滲流的二維數(shù)值模擬分析。在使用Seep/W進(jìn)行有限元分析時一般須進(jìn)行以下步驟：分析類型定義→幾何尺寸定義→網(wǎng)格劃分→材料定義→邊界條件定義→計算分析→查看結(jié)果。以上海閔行區(qū)某1層地下車庫為例，該車庫平面為40m×80m，地下水常年水位在底板底面上5.4m，不設(shè)置排水孔時基底壓力水頭為5.4m，設(shè)置排水孔后基底壓力水頭顯著降低，基底的壓力并非處處相等，而是由排水孔向四周呈非線性遞增，排水孔布置于底板邊緣時，對基底的減壓效果較佳，增設(shè)排水孔可以有效“熨平”基底水壓分布曲線的波動。隨著孔數(shù)的增加，水壓曲線“波峰”與“波谷”的差值顯著減小。圖3為地庫短向計算剖面圖，沿車庫寬度方向設(shè)2孔、4孔、6孔3種排水方案?？變?nèi)背壓閥啟動壓力值設(shè)置為30kPa。經(jīng)計算分析，4孔方案與6孔方案基底水壓分布的差別不大，均在3.5m水頭高度以下，離車庫邊6m左右水頭高度就恢復(fù)到5.0m，整個地庫每日出水量在2m2.3部分新型材料的性能對系統(tǒng)運行的影響無樁穩(wěn)壓抗浮技術(shù)在構(gòu)造設(shè)計中創(chuàng)新性地設(shè)計與利用了部分新型材料。作為本技術(shù)運行系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，新型材料的性能對系統(tǒng)可靠性有重要影響。本節(jié)提出了對這些關(guān)鍵構(gòu)件的構(gòu)造要求。2.3.1透水混凝土的基本保障高滲透土工布直接鋪設(shè)在開挖面上，后期無法替換，設(shè)計時選材必須慎重嚴(yán)謹(jǐn)。為確保運行系統(tǒng)中的透水模塊性能穩(wěn)定，結(jié)合GB50290—2014《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中的要求，高滲透土工布各功能應(yīng)滿足的設(shè)計要求如下。1）高滲透土工布應(yīng)具有足夠的透水性，以防止透水模塊在高孔隙滲流水壓作用下發(fā)生過大的流失或變形，其透水性參數(shù)設(shè)計應(yīng)滿足以下公式：式中，k2）高滲透土工布還應(yīng)具有一定的保土功能，即防止被保護(hù)土體的骨架細(xì)顆粒隨地下水流失，其等效孔徑應(yīng)滿足以下公式：式中，O3）為防止高滲透土工布被細(xì)土顆粒堵塞而失效，其等效孔徑應(yīng)滿足以下公式：式中，O4）高滲透土工布還應(yīng)具備一定的強度和抗蠕變性能，此外還需具有抵抗集中荷載破壞的能力。為確?？垢〗Y(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定，土工布應(yīng)具有較好的耐久功能（如抗老化功能）。按工程的實踐，高滲透土工布的有效使用壽命應(yīng)與其對應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計年限相一致。綜上所述，本系統(tǒng)中對高滲透土工布的參數(shù)指標(biāo)如表1所示。透水混凝土墊層與高滲透土工布同屬于透水模塊中重要構(gòu)造措施，且后期無法替換，所以選料及施工要求應(yīng)嚴(yán)格。試驗證明，透水混凝土的實際效果與原材料的選取及施工質(zhì)量有關(guān)，為確保透水混凝土墊層的有效工作，其原材料的選取及施工需滿足以下要求。1）水泥應(yīng)采用強度等級不低于42.5級的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》。2）透水混凝土采用的碎石料，必須使用質(zhì)地堅硬、耐久、潔凈的碎石料，粒徑為2.5～13.0mm。3）透水混凝土的整個施工流程應(yīng)嚴(yán)格按照CJJ/T135—2009《透水混凝土路面技術(shù)規(guī)程》中對應(yīng)的要求，且其參數(shù)要求還需符合表2中提出的要求。2.3.2專業(yè)定制集水板異形片構(gòu)造如圖1所示。由于異形片直接鋪設(shè)在透水混凝土墊層上，其水流通道占用一定的基礎(chǔ)底板面積，為保證地基土能有效地提供地基反力，填充墊層的面積應(yīng)符合以下公式：式中，S異形片中的專業(yè)定制集水板的主要材料為高密度聚乙烯（HDPE）純白新料，具有抗老化、耐腐蝕、耐酸堿等性能。對于PED高分子集水異形片的選擇需滿足本技術(shù)對異形片中專業(yè)定制集水板的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)。在異形片構(gòu)造尺寸符合上述條件下，地基土承載力在抗壓工況下應(yīng)滿足下式：式中，P2.3.3無樁水壓抗浮技術(shù)的設(shè)計高精度微壓背壓閥的選取及壓力計算。背壓閥是確保地下水壓大于設(shè)定壓力時，閥門自動開啟，且出水口壓力低至為零。本系統(tǒng)中背壓閥選用不銹鋼薄膜式背壓閥，還可以與脈動阻尼器配合使用，減小水錘對系統(tǒng)的危害，減小流速波動的峰值，保護(hù)管路。背壓閥的正常啟動壓力值（設(shè)定壓力值）是無樁穩(wěn)壓抗浮技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)，所以該值的計算過程不但要符合傳統(tǒng)的抗浮計算，而且需采用滲流分析軟件精確計算。1）底板臨界壓力值P2）底板警戒壓力值P3）正常啟動壓力值P2.3.4設(shè)計集礦井及控制地下水1）普通排水板是一種用帶支點的塑料板形成空氣夾層，從材料和力學(xué)兩方面進(jìn)行有效組合，從而有效地將地下水排至集水井中。其施工工藝由建筑專業(yè)在車庫底板面層做法中統(tǒng)一提出。2）集水井與抽水泵集水井原為根據(jù)建筑專業(yè)及給排水專業(yè)需要設(shè)置，在本系統(tǒng)中集水井尺寸及位置可根據(jù)水量計算適當(dāng)調(diào)整（需與建筑及給排水專業(yè)配合）。抽水泵設(shè)置水位傳感器，確保集水井中的地下水能及時排出。每個集水井中的抽水泵應(yīng)按一運一備或兩運一備設(shè)置。2.4設(shè)計工程地質(zhì)土層材料本抗浮技術(shù)適用于基底水浮力大于結(jié)構(gòu)抗浮力的地下建筑物，同時為保證本技術(shù)正常運行，建筑場地須滿足以下要求。1）場地土層應(yīng)以砂土、黏土、粉土等低滲透土層為主。這也是有限元計算滲流的基本前提之一。2）基底上下土層滲透系數(shù)不大于103）基底上下滿足第2）條要求的土層厚度不應(yīng)小于2m。這是為了確保