地下水對地下結(jié)構(gòu)浮力作用研究

王嘉昕，蘭盈盈，陳經(jīng)明，王 婷，吳旺軍

(南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院，南昌 330099)

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地下水對地下結(jié)構(gòu)浮力作用研究

王嘉昕，蘭盈盈，陳經(jīng)明，王 婷，吳旺軍

(南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院，南昌 330099)

本文就地下水對地下結(jié)構(gòu)的浮托力作用進(jìn)行研究，對抗浮設(shè)防水位的確定、浮托力的計算、抗浮技術(shù)措施的選擇進(jìn)行分析與探討，并提出一定的觀點(diǎn)和建議。

地下水；地下結(jié)構(gòu)；浮托力

我國城市建設(shè)得到了飛速發(fā)展，國內(nèi)城市大量興建高層、超高層建筑，地基埋深越來越深，地基基礎(chǔ)的勘察、評價和設(shè)計問題越來越受到重視[1]。

1 抗浮設(shè)防水位的確定

《高規(guī)》中抗浮設(shè)防水位指地下室抗浮評價所需的、確?？垢≡O(shè)防安全與經(jīng)濟(jì)合理的場地地下水水位[2]?？垢≡O(shè)防水位是基于施工區(qū)下墊面條件確定的場地抗浮設(shè)防水位，對于不同水文地質(zhì)區(qū)域的工程建設(shè)，考慮到地下水的賦存、排泄和補(bǔ)給條件可能不同，施工時應(yīng)具體情況具體分析。當(dāng)有長期水位觀測資料時，可采用實測最高地下水水位作為抗浮設(shè)防水位；當(dāng)沒有長期水位觀測資料時，可采用勘測期間的地下水最高穩(wěn)定水頭并結(jié)合施工區(qū)的水文地質(zhì)條件確定抗浮設(shè)防水位；當(dāng)沒有長期水位觀測資料但是對于多層地下水條件下各種類型的地下水年變幅比較了解時，應(yīng)先確定不同含水層地下水的最高水位，再確定抗浮設(shè)防水位。

2 抗浮力的計算

浮托力指地下建筑結(jié)構(gòu)在靜水位或下游水位的作用下其底面所受的分布均勻、方向豎直向上的靜水壓力[3]，其中靜水位指場地抗浮設(shè)防水位，而下游水位是指由場地下游江河湖泊水位上漲反托所形成的場地地下水水位[4]。浮托力的計算以阿基米德定律作為基礎(chǔ)。阿基米德認(rèn)為浸在液體中的物體將受到方向豎直向上的力，定義為浮力，并且認(rèn)為浮力的大小等于物體排出液體的重力的大小。公式如下所示:

F=G排=ρgV排

(1)

因此，地下結(jié)構(gòu)受到的地下水浮托力計算公式為:

F=ρ水gV排=γV排=γhS

(2)

其中V排表示地下結(jié)構(gòu)所排開水的體積，S表示底部總面積，γ表示水的容重，h表示地下結(jié)構(gòu)底板以上的水頭高度。

由公式(2)還可知道地下結(jié)構(gòu)單位面積上受到的浮托力大小為:

(3)

然而在實際工程中，從一些實測資料可發(fā)現(xiàn)，在很多情況下直接用阿基米德定律計算出的水浮力值與實際測得的水壓力值之間存在一定偏差[5]，在計算地下水浮托力時，有必要對浮托力的計算公式進(jìn)行劃分:當(dāng)土壤為砂土?xí)r，地下結(jié)構(gòu)底板受到的浮托力可以直接按照浮力公式計算；而當(dāng)土壤為粉黏土?xí)r，地下結(jié)構(gòu)底板受到的浮托力應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡叵滤?、底板位于地下的深度等條件，給計算公式乘以一個合理的折減系數(shù)ψ。

王浩等[6]給出了多層地下水條件下，不同埋深的地下建筑所受水浮力的經(jīng)驗折減系數(shù)，值得借鑒。歸納總結(jié)出為:A.當(dāng)?shù)叵率姨幱跐撍畬又校叵率业装逄幱跐撍畬由喜繒r，如圖1所示，地下室底板受到來自潛水層地下水的浮托力，浮托力公式計算無須乘折減系數(shù)。B.當(dāng)?shù)叵率姨幱跐撍畬又?，地下室底板處于潛水層下部的弱透水層時，如圖2所示，地下室底板受到由地下水滲流所產(chǎn)生的浮托力，折減系數(shù)ψ取0.7～0.8。C.當(dāng)?shù)叵率姨幱跐撍畬又校叵率业装逄幱跐撍畬酉虏康娜跬杆畬又星胰跬杆畬酉旅孢€有承壓水的含水層時，如圖3所示，地下室底板受到由上下層含水層滲流作用以及地下水所產(chǎn)生的浮托力，折減系數(shù)ψ取0.5～0.6。D.當(dāng)?shù)叵率邑灤┑谝粚尤跬杆畬?，底板處于承壓水的含水層時，如圖4所示，底板受到由承壓水所產(chǎn)生的浮托力，折減系數(shù) 取0.7～0.8。

圖1-圖4 不同條件壓力分布圖Fig.1-Fig.4 Pressure distribution under different conditions

3 當(dāng)前抗浮技術(shù)措施

3.1 壓載抗浮技術(shù)

當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)的重量小于底板受到的地下水浮托力時，地下結(jié)構(gòu)就可能發(fā)生上浮。因此，增加地下結(jié)構(gòu)重量是最直接的抗浮方法，通常以加大底板厚度的方式來增加結(jié)構(gòu)重量。但由于壓載抗浮技術(shù)通常采用降低底板的標(biāo)高在上面填土或增大底板的厚度來增加自身重量抵抗浮力[7]，使得地基基礎(chǔ)只能往更深層次進(jìn)行開挖，反而增大了水浮力，必須在降低底板標(biāo)高或增大底板厚度的基礎(chǔ)上再降低底板標(biāo)高、埋土和增大底板厚度，直到重力和浮力二者平衡。因此，壓載抗浮技術(shù)適用于水浮力不大、地基土壤承載能力較好的情況。

3.2 抗浮樁技術(shù)

抗浮樁技術(shù)指利用樁體自重和樁側(cè)摩阻力提供抗拔力[8]?？垢杜c一般的基礎(chǔ)樁在性質(zhì)上有很大不同，基礎(chǔ)樁承受的是自上而下的上部結(jié)構(gòu)壓力，而抗浮樁則起著抗拔的作用，受拉力作用。雖然抗浮樁承載能力強(qiáng)、施工技術(shù)成熟，但施工周期長、難度大、費(fèi)用較高，并且施工過程中易產(chǎn)生廢棄泥渣污染環(huán)境。

3.3 抗浮錨桿技術(shù)

抗浮錨桿的作用類似于抗浮樁。它是指將埋入土層中的錨桿與地下結(jié)構(gòu)的底部相連，通過桿體與周圍土層發(fā)生相對位移時產(chǎn)生的摩擦力提供抗拔力[9]?？垢″^桿可以看成是小型的抗拔樁，但間距比抗浮樁小，布置密集，底板上不會產(chǎn)生較大剪力，因此不需要將底板設(shè)計的太厚，可以控制成本。另外，抗浮錨桿工藝簡單、施工方便，工期短。

3.4 降排截水技術(shù)

降排截水技術(shù)指通過降水、排水、截水的方法降低地下水水位，從而減小地下水浮力，達(dá)到抗浮的目的。與壓載抗浮技術(shù)相比，雖然降排截水技術(shù)工程造價也偏低，但由于降排截水技術(shù)需要一直使用，因此需要消耗更大的工程量，維護(hù)費(fèi)用較高。另外，如只使用降排截水技術(shù)，若排水設(shè)施出現(xiàn)故障，導(dǎo)致地下水回灌、水位回升，那么抗浮效果很可能失效，并帶來安全隱患，因此，降排截水技術(shù)通常與其他抗浮措施聯(lián)合使用。

4 結(jié)語

地下結(jié)構(gòu)對地下水的抗浮設(shè)計問題是由抗浮設(shè)防水位的確定、浮托力的計算、抗浮技術(shù)措施的選擇等多個方面共同組成，對這些方面進(jìn)行深入了解、仔細(xì)總結(jié)極為必要，這對今后開展與地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計的相關(guān)研究也非常有意義，它為地下結(jié)構(gòu)的抗浮設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)，對抗浮技術(shù)措施的合理選擇、節(jié)省資金投入、確保施工安全等方面具有實際的應(yīng)用空間。

[1] 高海.地下水對某已建地下結(jié)構(gòu)的浮起作用分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[2] JGJ72-2004，高層建筑巖土工程勘察規(guī)程[S].

[3] GB/T 50279-98，巖土工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] 張曠成.關(guān)于抗浮設(shè)防水位及浮力計算問題的分析討論[J].巖土工程技術(shù)，2007，21(01):15-20.

[5] 熊歡.地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計中浮力的研究[D].長沙:中南大學(xué)，2013.

[6] 王浩.地下室結(jié)構(gòu)的抗浮設(shè)計與分析[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[7] 張同波，于德湖，王勝，等.巖體基坑地下室抗浮問題的分析[J].施工技術(shù)，2008，37(09):19-22.

[8] 熊勃.地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計中抗拔樁的應(yīng)用研究[D].長沙:中南大學(xué)，2006.

[9] 蔣繼寶.抗浮錨桿力學(xué)特性研究與工程應(yīng)用[D].貴州:貴州大學(xué)，2015.

Study on buoyancy effect of groundwater on underground structure

WANG Jia-xin, LAN Ying-ying, CHEN Jing-ming, WANG Ting, WU Wang-jun

(College of Water Conservancy and Ecological Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China)

With the development of underground space, the problem of the buoyancy of groundwater in engineering has become increasingly prominent.In this paper, the relevant groundwater buoyancy effect of underground structure was studied. Some opinions and suggestions are put forward on water level for prevention of up-floating determination, calculation of uplift pressure and technical measures to resist uplift pressure.

Groundwater; Underground structure; Uplift pressure

2017-03-04

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃(201511319002)

王嘉昕(1995-)，男，學(xué)士。

蘭盈盈(1979-)，女，博士，講師。

TU46

A

1674-8646(2017)10-0140-02