地下水浮托力危害及其計(jì)算應(yīng)注意的問(wèn)題

陳經(jīng)明+蘭盈盈+王嘉昕+吳旺軍+王婷

摘 要：文章通過(guò)闡述地下水浮托力對(duì)建筑物的各種破壞作用，表明地下水浮托力的危害不容忽視，建設(shè)大型的地面建筑物時(shí)必須對(duì)地基以下的地下水進(jìn)行勘測(cè)，對(duì)相應(yīng)的浮托力進(jìn)行合理的計(jì)算，并討論了地下水浮托力大小影響因素和實(shí)際工程中計(jì)算抗浮設(shè)防水位應(yīng)注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：地下水；浮托力；孔隙水壓力

中圖分類號(hào)：TU745.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）24-0032-02

1 概述

近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)大部分城市開(kāi)始了對(duì)地下空間的建設(shè)，特別是一些大型城市。對(duì)城市地下空間的開(kāi)發(fā)和利用不僅緩解了地面交通的擁堵問(wèn)題，而且同時(shí)也拓寬了城市的商業(yè)區(qū)，但是在帶來(lái)好處的同時(shí)，對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)也面臨一些問(wèn)題。如：地下水的浮托力、地下水埋深過(guò)淺、地下基巖斷層等問(wèn)題[1]。目前行業(yè)內(nèi)對(duì)抗浮水位的計(jì)算沒(méi)有提出十分明確的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)或者計(jì)算依據(jù)，而且不同的規(guī)范對(duì)抗浮水位計(jì)算的要求不盡相同[2]。大多數(shù)學(xué)者在設(shè)計(jì)抗浮水位只是將其等同于最高水位，并按照阿基米德原理來(lái)計(jì)算浮力荷載。但是根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)孔隙水壓力數(shù)據(jù)顯示地下建筑物實(shí)際所受到的浮力值與按照最高水位所計(jì)算而得的靜水壓力值之間存在很大的差異，而且關(guān)于確定合理的地下水最高水位目前行業(yè)內(nèi)并還沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算方法[3]，在實(shí)際工程實(shí)踐中有許多需要修改的地方。會(huì)導(dǎo)致在經(jīng)濟(jì)上不合理與設(shè)計(jì)上不合理的矛盾。本文主要依據(jù)孔隙水的壓力變化情況，分析討論地下水浮托力對(duì)于地下空間開(kāi)發(fā)和地面建筑物的影響。

2 地下水浮托力的危害

2.1 地表或者地下建筑物整體性遭到破壞

由于地下水總水頭的不穩(wěn)定性，特別是潛水和上層滯水受時(shí)間和氣候的影響很大，大氣降水和地表徑流是上層滯水和潛水的主要補(bǔ)給來(lái)源，蒸發(fā)和植物根部吸收是上層滯水和潛水的主要排泄方式，所以不存在長(zhǎng)期穩(wěn)定的水面，這就導(dǎo)致如果建筑物處于潛水或者上層滯水的上部的話，建筑物的基礎(chǔ)高程會(huì)隨時(shí)間發(fā)生不均勻及不可預(yù)測(cè)的變化，從而發(fā)生不均勻沉降，嚴(yán)重的話會(huì)導(dǎo)致建筑物整體性被破壞[4]。

2.2 地下室地面凸起或下沉

地下室是地下建筑物的一種主要形式，目前在大城市地下室的主要功能是作為停車(chē)場(chǎng)或者地下商場(chǎng)，所以地下室的穩(wěn)定性也十分重要。如果地下室作為停車(chē)場(chǎng)，住宅小區(qū)地下室的負(fù)重是不穩(wěn)定的存在著明顯的時(shí)間上差異，白天的負(fù)重會(huì)明顯低于夜晚，而商場(chǎng)的地下停車(chē)場(chǎng)的情況則是相反的。由于設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有合理的計(jì)算地下水的總水頭，導(dǎo)致在地下室建設(shè)完成之后，實(shí)際的地下水頭與設(shè)計(jì)的地下水水頭不一致，從而出現(xiàn)地下室在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中有凸起或者下沉的現(xiàn)象。所以計(jì)算地下室的抗浮水位應(yīng)該適當(dāng)?shù)脑黾雍侠淼南禂?shù)。

2.3 建筑物整體傾覆

出現(xiàn)建筑物整體傾覆的情況還是比較少的，出現(xiàn)這種情況主要是由于地下水局部水位發(fā)生了較大的變化，可能是由于連降的暴雨或者地下水的隔水層突然遭到破壞使得潛水的原有水頭發(fā)生變化，建設(shè)在這部分地下水之上的工程項(xiàng)目可能會(huì)出現(xiàn)整體傾覆的現(xiàn)象。

3 浮托力產(chǎn)生原理及影響因素

3.1 浮托力產(chǎn)生原理

浮托力的產(chǎn)生是由于建筑物的基礎(chǔ)高程低于地下水的水頭以及建筑物邊壁受到地下水的壓力，根據(jù)阿基米德原理可以計(jì)算出地下水浮托力（F=ρgv）的大小，當(dāng)然這只是純理論的分析與計(jì)算，實(shí)際情況較為復(fù)雜，主要表現(xiàn)在地下水位變化對(duì)浮托力產(chǎn)生影響，而實(shí)際地下水位由于補(bǔ)給量與排泄量的變化，其水位常常在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，導(dǎo)致其孔隙水壓力產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

下面以野外監(jiān)測(cè)地下水位埋深與孔隙水壓力的資料進(jìn)行分析，討論浮托力與地下水埋深的關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成果圖1。

3.2 浮托力大小影響因素分析

本次野外分別監(jiān)測(cè)2m與4m深度處孔隙水壓力與地下水位埋深，監(jiān)測(cè)時(shí)段為5日，時(shí)間為7～8月。從監(jiān)測(cè)成果圖1可以看出隨地下水埋深增大，孔隙水壓力明顯減小，孔隙水壓力隨著包氣帶深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.93、-0.96。這是由于包氣帶中的孔隙水主要補(bǔ)給來(lái)源是地表水以及大氣降水，所以在一定的地表水和大氣降水條件下隨著包氣帶深度的增加土壤含水率會(huì)不斷減少，土壤顆粒間的空氣增加，導(dǎo)致孔隙水壓力減少[5]。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的整理和分析，可以得出孔隙水壓力的變化情況與巖土空隙中的飽水程度有密切的關(guān)系，當(dāng)空隙中的水達(dá)到飽和的時(shí)候，孔隙水壓力則是最大值[6]。在計(jì)算孔隙水的飽和程度，應(yīng)該排除無(wú)效的空隙。這是由于死端空隙中的孔隙水在地下水的均衡中不參與能量與流量的交替[7]。

4 工程中抗浮水位計(jì)算應(yīng)注意的問(wèn)題

通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析以及浮托力大小影響因素討論，并結(jié)合實(shí)際工程中可能遇到的各種水文地質(zhì)情況，為工程中抗浮水位計(jì)算提出幾點(diǎn)建議與看法：

（1）在查明區(qū)域的水文地質(zhì)條件的前提下，首先應(yīng)該明確建筑物地基影響范圍內(nèi)的地下水類型以及補(bǔ)給來(lái)源。概略獲得地下水的補(bǔ)給量。

（2）確定區(qū)域地下水含水層的層數(shù)，以及不同含水層之間的補(bǔ)給關(guān)系。特別應(yīng)當(dāng)重視弱透水層在各含水層之間水力聯(lián)系的重要作用。

（3）查明工程項(xiàng)目所在地的地下水的水文地質(zhì)條件。用來(lái)確定建筑物的基層所受的地下水浮托力。

（4）結(jié)合工程項(xiàng)目規(guī)模，工程項(xiàng)目規(guī)模決定了地基的深

度。地基的深度決定了建筑物所受的浮托力來(lái)自哪些含水層，以及各個(gè)方向上浮托力的大小[8]。

根據(jù)以上的建議在實(shí)際工程中選擇適合的抗浮水位必須結(jié)合具體的區(qū)域水文地質(zhì)條件以及工程規(guī)模等。具體抗浮水位的選擇需要通過(guò)對(duì)長(zhǎng)期的地下水監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析整理、模擬校驗(yàn)等。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，孔隙水壓力大小的決定因素至少包括了孔隙水的補(bǔ)給速度以及巖土中的有效孔隙度。同時(shí)，在一個(gè)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)建設(shè)過(guò)程中應(yīng)考慮地下水浮托力的計(jì)算，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行的條件下盡可能的對(duì)地下水進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠^測(cè)，以獲得對(duì)工程項(xiàng)目建設(shè)具有實(shí)際意義的水文地質(zhì)資料，求得適當(dāng)?shù)牡叵滤垢∷唬苊獠槐匾睦速M(fèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]何翠香.如何確定北京地鐵工程的抗浮設(shè)防水位[J].工程勘察，2015，12：747-751.

[2]劉亞洲，張曉玉.武漢長(zhǎng)江一級(jí)階地段抗浮水位問(wèn)題探討[J].土工基礎(chǔ)，2003，29（6）：4-5.

[3]李勝勇，韓華.建筑抗浮設(shè)計(jì)水位取值方法——以北京市某工程為例[J].2005，15（6）：58-62.

[4]宋向明.低洼地區(qū)建筑的抗浮設(shè)計(jì)與設(shè)防水位的合理確定[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（35）：3-4.

[5]潘增志.蘭州地區(qū)某砂巖地基滲透性及其抗浮水位研究[J].巖土工程技術(shù)，2007，21（1）：16-20.

[6]劉冠群.建筑物廠區(qū)地下水位預(yù)測(cè)與抗浮水位確定——以青島啤酒城改造為例[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，45（4）：4-6.

[7]孫保衛(wèi)，徐宏聲，張?jiān)诿?孔隙水壓力測(cè)試與建筑抗浮水壓力的確定[J].工程勘察，1998（3）：31-35.

[8]熊維，王瑞海，劉佳憶.如何確定場(chǎng)地抗浮設(shè)防水位[J].山西建筑，2012，38（23）：67-68.endprint