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建筑工程抗浮原理及構造措施一覽!

 丘山三也君 2021-12-30
近些年來因抗浮出現(xiàn)事故的工程問題頻發(fā),由于土體的空隙及巖體的裂隙賦存有大量的地下水,地下水對埋置于巖土體之中或之上的地下結構或洼式結構會產(chǎn)生浮托力,若結構的自重小于浮托力時將發(fā)生上拱或上浮失穩(wěn)破壞,影響結構的正常使用。
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古人云:水能載舟,亦能覆舟。有時,水浮力對結構起有利作用,其他時間水浮力對結構又起不利作用,甚至產(chǎn)生損害和破壞。工程設計和建設中,應充分利用水浮力的有利作用,降低抗浮措施的造價。消除和抑制地下水浮力的不利作用,使結構上浮、建筑物裂縫和損害的概率降為零。

地下水

地下水(ground water),是指賦存于地面以下巖石空隙中的水,狹義上是指地下水面以下飽和含水層中的水。在國家標準《水文地質術語》GB/T 14157-93中,地下水是指埋藏在地表以下各種形式的重力水。

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地下水的來源主要可以分為以下五類:滲入水、沉積水、再生水、初生水和有機成因水。

根據(jù)類型來分,地下水又可以分為以下三種:上層滯水、潛水和層間水。

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水浮力與水壓力

早在公元前245年,阿基米德就發(fā)現(xiàn)了浮力定律,即阿基米德原理。浸在液體中的物體所受的浮力,大小等于它排開的液體所受的重力。浮力是水壓力的一種表現(xiàn)。

多層地下水的水壓力的計算

除了巖石,第四紀土都有一定的滲透性,含水層和隔水層的區(qū)分是相對的,基本不存在完全不透水的隔水層。雖然速度非常的慢,但是實際上相鄰的上下含水層之間是可以越流滲透的。

勘察報告提供的潛水的水位、承壓水的水頭,都是水力學的總水頭,亦即測壓水頭(總水頭包括壓力水頭、位置水頭和速度水頭三部分但地下水穩(wěn)定滲流時流速非常小,速度水頭可以忽略不計)。計算時可分為以下幾種情況:

1.總水頭上下相同

上下含水層雖然可以越流滲透,但如果補給和排泄條件都很穩(wěn)定,最終會達到平衡狀態(tài),這時勘察報告提供的上下各含水層的水位(水頭)相同,沿深度方向上下各點的總水頭(測壓水頭)相同,壓力水頭呈正三角形分布,位置水頭呈倒三角形分布,總水頭呈矩形分布。

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2.總水頭上下不同

 如果上下含水層的總水頭存在差異,就會產(chǎn)生越流滲透。滲流產(chǎn)生水頭損失,含水層滲透性強,可忽略不計,隔水層滲透性弱,水頭損失明顯。

可能有兩種情況:一種是上層水頭高于下層,上層水向下滲透,地下水受大氣降水補給的平原地區(qū)一般如此。

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另一種是下層水頭高于上層,向上越流滲透,這種情況在自流盆地中常見。

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層間水一般是承壓水,如果長期超采地下水,使被采含水層的水頭不斷降低,原來的承壓水可能變成了層間潛水。當下層水為層間潛水時,相對隔水層底至層間潛水位之間為非飽和帶。

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 當下層水位剛好位于相對隔水層底與下部含水層頂時,其水頭分布如下。

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如果兩含水層之間的確有個完全不透水的隔水層,那就不存在越流滲透,隔水層中也不存在水壓力,上下含水層完全獨立,自然界中十分罕見。

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潛水和層壓水的區(qū)別

  1. 是否有頂板約束:

    潛水是自由的水面,沒有頂板約束。

    承壓水有頂板約束,測壓水頭高于含水層頂面。

  2. 抽水時潛水的流線和等勢線比承壓水復雜。但兩者的水頭和水壓力是相通的,必須統(tǒng)一考慮,不存在獨立的承壓水壓力。

鉆孔中上下含水層串通后的混合水位,沒有明確的物理意義,不能用于任何科學計算。應分別測定各層地下水的穩(wěn)定水位,再根據(jù)地下結構底板底面位置計算浮力。

結構抗浮措施與構造建議

1.增加策略恒載                

1)增加地下室頂板覆土重量;           

2)增加結構(含底板)恒載;          

3)底板設重混凝土疊合層(疊合層可以采用重晶石鋼渣混凝土,一般混凝土重度不足);          

4)底板設消防水池、混凝土隔墻等。

2.減少底板埋深

1)減少地下結構層數(shù)或層高;

2)負一層改為半地下結構;

3)適當增加±0.000標高。

3.疏水泄壓抗浮

使用相關排水設施進行主動排水來減小浮力。

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4.抗浮錨桿

單獨使用抗浮錨桿導致形變較大,在多次泄壓加壓后剛度會變小,并且在軟土層較厚的地區(qū)錨桿錨不住,缺點較多不建議使用。

5.抗拔樁

抗拔樁是普遍被認可的一種抗浮構造,由于自重較重、受力面大,剛度大受力位移較小,穩(wěn)定性強。一般在使用中放在主要受力桿下面,對整體抗浮起重要作用,其他部分使用分布式錨桿。

在實際工程中常用承壓樁兼做抗拔樁,在使用時應注意以下三點:

 根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范(2016年版)》GB 50010-2010第8.4.2條要求,抗浮錨桿、抗拔樁及兼做抗拔樁的承壓樁,其縱筋須焊接或機械連接,不得搭接連接。

柱下承壓樁兼做抗拔樁且未設分布錨桿時,底板控制部位的受彎與抗沖切承載力、最大裂寬、反拱均需經(jīng)驗算復核滿足相關規(guī)范要求。

柱下混凝土承壓樁兼做抗拔樁時,設防水浮力組合作用下,樁頂縱筋錨入承臺的數(shù)量與長度,及底板控制部位沖切承載力均須經(jīng)驗算滿足相關規(guī)范要求。

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