泄水減壓抗浮技術在工程中的應用

雷立志 潘琰楓

武漢弘泰建筑工程質量檢測有限公司（430070）

0 引言

地下空間的結構設計，抗浮設計是很重要的一環，當地下室較深、地下水位較高時，地下室結構及構件受到的水浮力較大。實際工程中由于抗浮設計不當引發的事故時有發生，既有整體抗浮問題也有局部抗浮問題。常見的有地下室隆起、底板破壞、地下室墻和基礎梁板出現裂縫、地下室滲水以及上部結構出現裂縫等。

根據《建筑地基基礎設計規范》第5.4.3條，建筑物基礎存在浮力作用時應進行抗浮穩定性驗算，并應符合下列規定:

對于簡單的浮力作用情況，基礎抗浮穩定性應符合下式要求:

Gk——建筑物自重及壓重之和（kN）；Nw,k——浮力作用值（kN）；Kw——抗浮穩定安全系數，一般情況下可取1.05。

工程中的抗浮措施主要有:①配重法，增加建筑物自重以及壓重；②地下室底板增設抗浮錨桿或者抗拔樁；③泄水減壓法，在地下室周圍或者底部設置泄水孔，降低地下水位高度。工程中常用的是第二種，應用范圍廣。第一種方法使用條件有限，主要用于自重與壓重之和與水浮力差別不大；第二種方法使用較多，但工期長、花費高；第三種方法目前使用較少，其對地下水以及地下土要求較高，但是一旦能夠使用則效益很高。文章擬結合實際工程對第三種方法進行介紹，以便為類似工程進行推廣。

1 泄水減壓理論思想

根據阿基米德思想，地下建筑物受到的浮力等于其排開同體積水的重量。泄水減壓的主要思想就是通過科學手段達到降低底板水頭的目的，以達到地下室抗浮的目的[1]。

泄水減壓法主要適用條件:①土中孔隙水主要存在于人工填土中，僅有上層滯水或者地表補給水的地質條件；②地下室周圍土體主要為滲透性較小的黏土。根據條件一，地下室范圍內無承壓水，地下水主要來自于地面補給；根據條件二以及滲流原理，地下室范圍內土體滲透系數小，水從地面滲透至地下室地板需要的時候較長，如果在地下室側壁以及板底預留泄水孔，讓水及時排入地下室排水通道，則地下室板底能保持少水狀態，受到的水浮力也就較小，進而達到抗浮的目的。

湖北天利建筑技術有限責任公司的專利產品[2]是在地下室側墻和底板一定位置按一定間距埋設直徑為100mm的泄水孔，在泄水孔匯水端埋置一定面積的反濾層，其中反濾層主要由碎石構成（具體做法如圖1所示），將滲入反濾層的水通過泄水孔引流到專門的室內排水溝中，同時在泄水孔中布置鋼絲球來過濾泄水孔中的水。排水溝中水通過在室內排水系統進行處理，該系統能夠將地下室周圍較高的水位通過將地下水滲流進入泄水孔排出，從而降低地下水水位，釋放地下室底板的基底水浮力，減小地下水對建筑物及環境的不利影響[3]。

表1 土層基本參數

2 工程案例

武漢市漢陽區某住宅項目位于墨水湖北路與龍陽湖東路交匯處。項目地下室共2層，±0.000設計標高為24.30m。地下室底板結構面標高-9.10 m，底板厚400mm。地下室單層面積約30370m2，周長約800m。純地下室部分柱網主要為6.0m×8.0m。

2.1 工程地質情況

1）根據本次勘察成果，擬建場地主要巖土層在勘探深度范圍內分布為:上部為近代人工堆積層（Qml）、第四系上更新統沖洪積（Q3al+pl）黏性土層，第四系殘積（Qel）粉質黏性土層，下部基巖為泥盆系（D）砂礫巖、石英砂巖，志留系（S）泥質粉砂巖、泥巖層。土體基本參數見表1。

圖1 泄水減壓構造

2）勘察場地內的地下水為上層滯水。上層滯水主要賦存于人工填土層中，以大氣降水和地表積水入滲為補給來源；勘察期間測得勘探孔上層滯水穩定地下水水位埋深0.30～3.20m，對應標高為19.48～31.21m。

根據地勘報告:本工程地下室側壁主要由雜填土、粉質黏土、砂礫巖、泥質粉砂巖組成，基底坐落于泥質粉砂巖中，屬相對隔水層。影響本工程抗浮的地下水為上層滯水，應考慮地下水浮力對地下室的影響，本基坑抗浮設計水位為場地整平后的室外地面設計標高[4]。

2.2 整體抗浮設計初步分析

根據規范要求，需要比較柱底水浮力及相關自重壓力。

2.2.1 不考慮任何措施時柱底水浮力計算

依據地勘報告，抗浮水位可按設計室外地面整平標高確定。室外地面標高取24.40m，地下室±0.00為絕對高程24.30m，地下室底板面標高-9.10 m，地下室墊層底標高為-9.650，底板厚400mm，墊層厚150mm，建筑墊層按100mm考慮。

水頭高度H=9.10+0.40+0.15=9.65m；

柱底水浮力受荷面積A=8.0×6.0=48m2；

柱 底 水 浮 力Nw,k=9.65×10×8.0×6.0=4632.0（kN）。

2.2.2 結構自重計算

頂板覆土自重（取1600mm厚）Gk1=1.6×18.5×48=1420.8（kN）；

板 板 重Gk2=（0.40+0.11+0.25）×25×48=912.0（kN）；

柱自重Gk3=0.5×0.6×7.6×25=57.0（kN）；

基礎自重Gk4=3.0×2.4×0.7×25=126.0（kN）；

梁自重Gk5=0.5×0.6×3×2×25=45.0（kN）；

墊層及建筑面層自重Gk6=（0.15+0.2+0.1）×20×48=432.0（kN）；

總重Gk=1420.8+912.0+57.0+126.0+45.0+432.0=2992.8（kN）。

根據規范，Gk/Nw,k=0.64＜Kw，不滿足規范要求，需采取抗浮措施。

2.3 整體抗浮方案比選

本工程土質較好，純地下室等部位采用柱下獨立基礎。根據常規做法，地下室整體抗浮設計可采用增設抗浮錨桿以及泄水減壓兩種辦法。下面對兩種抗浮方案進行分析，以便進行方案比選。

2.3.1抗浮錨桿方案

根據地質條件，采用直徑150mm錨桿，長約13 m，錨桿抗拔承載力特征值取320kN，柱底所需錨桿根數N=（4680-2992）/320=5.27根。

根據柱網布置具體情況，地下室需抗拔錨桿數約2525根。

2.3.2 泄水減壓法方案

考慮虹吸效應，水頭高度取泄水裝置水頭加1.0m位置[5]。地下室在負1層設有人防區，在人防范圍內不能埋設泄水裝置，本工程需考慮人防區與非人防區兩種情況。

1）非人防區。泄水裝置設置在地下室底板上600mm，相對標高為-8.500m，水頭計算時水位相對標高為-7.500。具體計算如下:

水頭高度H1=9.65-8.5+1.0=2.15m；

水浮力Nw,k=2.15×10×48=1032.0（kN）；

則Gk/Nw,k=2992.8/1032.0=2.90＞Kw=1.05，滿足抗浮要求。

2）人防區。泄水裝置設置在地下一層底板上450mm，相對標高為-4.850m，水頭計算時水位相對標高為-3.850。具體計算如下:

水頭高度H1=9.65-4.85+1.0=5.8m；

水浮力Nw,k=5.8×10×48=2784（kN）；

則Gk/Nw,k=2992.8/2784=1.07＞Kw=1.05，滿足抗浮要求。

根據計算結果，采用泄水減壓技術在人防區以

及非人防區均能夠滿足整體抗浮要求。

2.4 抗浮方案比選

2.4.1 錨桿成本成本及工期分析

錨桿按160元/m計算成本，則所需成本為2 525×13×160=5252000元；

錨桿抗拔承載力檢測費用，檢測數量為2525×5%=127根，費用約127000元。

錨桿方案的總成本大約為5252000+127000=5379000元。

此外，除錨桿承載力檢測需一定的周期外，抗拔錨桿施工工期也較長。

2.4.2 泄水減壓方案成本及工期分析

根據天利建筑技術有限責任公司方案，若采用泄壓抗浮技術進行抗浮設計，地下室非人防區域約需布置抗浮孔位數179個，人防區域需布置約111個抗浮孔位，共290個孔位。單孔費用2560元，所需成本為290×2560=742400元（含專家評審費用）。采用此抗浮措施施工時僅需在底板以及側墻施工時配合埋設泄水設備即可，與主體同時進行，對工期影響甚微。

綜合比較分析，采用泄壓抗浮技術在工期以及成本上優勢明顯，且施工簡單，可行性高，本工程最終采用此方案。工程于2018年年底交付使用，至今已經使用約3年，未見明顯抗浮不當引起的工程問題[6]。

3 結論及建議

經過以上分析及工程案例分析可知，在泄壓抗浮能夠使用的條件下，此技術能產生較大的經濟效益，是一種較好的抗浮措施。其主要注意點為防止形成水路，造成水頭超過設計值。因此如下幾點應著重注意:①施工期間，基坑頂、側、底部應采用合理的排、止水措施，防止基坑及底板施工時上層滯水或雨水滲入地下室底板以下，保證基坑內不受水浸泡，基坑周邊排水暢通，避免造成施工期間地下室的上浮；②室外地面以下2m范圍內應采用素混凝土進行回填，地下室外墻與支護結構之間回填黏性土，其中室外地面以下2m范圍內應做到分層壓實，壓實系數不小于0.94；③地下室外墻防水層的保護層不應采用透水的泡沫塑料板，應采用砂漿抹面或1/4磚墻作為保護層，避免形成透水通道；④地下室底板以下施工時超挖部分應采用C15素混凝土回填，不應采用碎石、砂等透水性材料。