1、1地下室抗浮设防水位确定方法研究摘要:确定抗浮设防水位是地下室设计中的一项重要内容，关系到地下室工程的质量和造价。但目前对于地下室抗浮设防水位的确定还存在着很多争议和不足，为此，笔者就地下室抗浮设防水位的确定谈谈自己的一些看法，并结合实例加以分析，对合理确定地下室抗浮设防水位有一定的参考价值。 关键词:地下室；地下水层；抗浮设计；实测法 中图分类号：P332.3 文献标识码： A 文章编号： 随着城市化进程的加快，城市建设用地相对紧张，为了满足需要，地下车库、地下室的开发和利用越来越多。地下室等地下建筑不得不面临的问题，就是地下结构物的防水与抗浮问题。抗浮设计关系到地下室工程的质量和造价，抗浮
2、设计的重点就是设防水位的确定。所谓抗浮设防水位就是指地下室抗浮评价计算所需的、保证设防安全和经济合理的地下水位。但影响设防水位的因素很多，加之目前针对这方面的研究并不多，因此，对于抗浮设防水位的确定还存在着很多争议和不足。 1 问题的提出 地下室等地下建筑设计的关键就是抗浮问题，核心内容无外乎抗浮设计水位的确定和结构托浮力的计算。抗浮设计水位取值过高，势必要增加结构自重或抗拔桩等复杂的抗浮措施，造成浪费。抗浮设计水位确定过低，修建或使用期间遇到地下水位上升，则会造成结构开裂、渗水，2甚至失效浮起，国内此类安全事故已发生多起。 现行的有关规范对抗浮设计均有说明，但均不具体。 高层建筑岩土工程勘察
3、规程8.6 节中规定:“根据地下水类型、各层地下水位及其变化幅度和地下水补给、排泄条件等因素，对抗浮设防水位进行评价，当有长期水位观测资料时，场地抗浮设防水位可采用实测最高水位；无长期水位观测资料或资料缺乏时，按勘察期间实测最高稳定水位并结合场地地形地貌、地下水补给、排泄等因素综合确定。 ”岩土工程勘察规范7.3 节中规定:“对基础、地下结构物和挡土墙，应考虑在最不利组合情况下，地下水对结构物的上浮作用，原则上按设计水位计算浮力，对节理不发育的岩石和粘土且有地方经验或实测数据时，可根据经验确定。 ”可见，规范要求对结构物进行抗浮验算，但具体方法没有明确。现有的岩土工程勘察报告也是只提及最高水位
4、及常年平均水位，常使一些对水文地质条件不太熟悉的设计人员出于安全的考虑简单地以最高水位作为设计水位，这种简单的设计方法显然缺乏合理性和经济性，因此探讨该问题很有必要。 2 抗浮设防水位确定方法 2.1 设防水位的概念 高层建筑岩土工程勘察规程2.1.6 给出了抗浮设防水位的概念，即“地下室抗浮评价计算所需的、保证抗浮设防安全和经济合理的场地地下水水位。 ”设防水位是保证建筑物服役安全，在此期间不致因地下水上升、浮力加大而引起抗浮失效；另外，设防水位是场地水位，从较大范围的整个场地来考虑，而不是以某个单独建筑来考虑。 3地下水位是随机变化的，不但与地下水本身天然变幅、地层赋存条件以及气候变化、降
5、水多寡等自然因素有关，而且还受地下水开采、水资源利用、水库蓄洪泄水等人为因素影响，变得十分复杂。因此，抗浮设防水位的确定应根据整个场地的水文地质条件，从地下水的类型、分布、埋藏深度、含水层数目、岩性结构、含水层构造特点以及地下水的补给、排泄条件等方面综合确定。 2.2 准备工作 首先，要了解场地的水文地质条件，搞清地下水的赋存状态。地下水依据赋存状态划分为上层滞水、潜水和承压水。上层滞水存于地表浅处，主要依靠大气降水补给。潜水埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上，其补给得益于雨水渗透或河流渗入，排泄依靠大气蒸发或流入河流。承压水埋藏在上下两个隔水层之间的地下水，依靠大气降水与河流湖泊水通过潜水补
6、给的。不同的地下水赋存状态对地下结构的作用效应亦不同。文献认为:滞水是弱透水层上积聚的具有自由水面的重力水，季节性强，通常是暂时性的，不考虑其浮力效应，不作为场地抗浮设防水位。 其次，要了解当前场地含水层的分布、补给、径流、排泄关系及其相互间的影响。通过地质勘察，探明场地地下水类型和分布，了解场地附近地面水体与场地地下水的侧向补给情况，掌握近 35 年内地下水位的年变化幅度。地下水位的动态变化主要受到大气降水与人类活动的影响。有关研究表明，大气降水对年动态变化有较大影响，但不会引起多年的水位升降变化，而人为因素影响剧烈，甚至于改变了各层地下水的赋存关系和渗流状态，对已建工程和拟建工程造成重大影
7、响。 4然后，要了解建筑物基底所在含水层层位和标高。结构基底浮力由基础所处的地下水层最高水位标高来控制。弱透水层的存在，改变了地下水的补排关系，形成了各自的赋存和渗流特征。在水力梯度驱动下，不同含水层间会发生越流渗透。由于弱透水层渗透性小，地下水垂直进入该层后水力坡度增大，水头衰减加快。文献介绍了北京某建筑场地现场测试地下水压的实验，经过现场 37d 的观测，验证了水头在通过弱透水层越流补给过程中发生较大“水头损失”的事实。 当基底位于两个含水层间的弱透水层中某一高程时，要根据上下层地下水最高水位标高，对地下水经过弱透水层渗流哀减后到达基底高程后的水头高程计算，经过哀减后，哪层地下水的水头高，
8、基底的地下水浮力就由哪层地下水的压力决定。 2.3 设防水位的合理确定 抗浮设防水位的确定取决于地下结构基础底板所处土层地下水类型和水头高度，在查询本区域水文地质研究资料和多年水位动态变化统计资料的前提下，需对建筑物施工期及近百年使用期可能产生的最高水位进行合理计算。首先，对地下结构埋深与地下土层的相对关系情况进行分析，无外乎表 1 所列的几种情况。 表 1 地下结构与地下水层的相对关系 明确了地下结构物所受上浮力的控制含水层后，下一步需结合该水层补给、排泄条件和年度变化幅度对其后期的最高水位进行预测分析。经研究浅层地下水赋存与渗流特性、水位变化的历史过程和影响因素，5开发了地下水位预测预报系
9、统，已经很好地服务于工程建设。目前，我国很多城市还缺乏本地区水文地质系统研究的资料，没有长期观测网络，更没有相应的水文分析预报系统。因此，地下结构物抗浮设防就需结合水文地质条件和工程经验综合确定。目前，应用比较方便的经验公式是:地下水最高水位=勘察期间该层地下水最高水位+该层地下水在相当于勘察时期的年变幅+可能的意外补给造成的该层水位上升值。其中，该层地下水位在相当于勘察时期的年变幅即为:在枯水期勘察加整个年变幅，在丰水期勘察就少加甚至可以不加；意外补给系指非本区大气降水的补给，如水库放水或引水工程等。 3 浮力的实用计算 3.1 浮力计算原理 根据阿基米德定律，浮力等于它所排开水体体积的重量
10、，即 式中:p单位面积水浮力； A物体底面积； 水容重； h物体在水中的高度。 3.2 现场实测法 地下水经过弱透水层渗流，会有一定的水压力衰减，其程度与渗透系数 ki 和弱透水层厚度 mi 有关。水头损失， 是一个与土质相关的量。通过现场测试原始水压力或孔隙水压力，绘制勘察深度内的分布曲线，6分析推断衰减规律，据此计算基底浮力。 某工程在现场进行了弱透水层的水压力测试，绘制了水压力随深度的变化曲线，如图 1 所示。 图 1 某工程实测水压力与理论计算水压力比较 由图 1 中的结果可以看出，在弱透水层中的水压力要比理论静水压力低很多。因此，利用现场测试水压力结果进行抗浮设计，符合工程实际，相对
11、传统的最高水位设防设计方法要经济得多。 3.3 实用计算方法 在没有现场水压力实测数据资料的情况下，需寻求一种经济稳妥的方法进行抗浮设计。结合表 1 内容，本文分情况探讨了基础底板水浮力计算方法，其模型和公式列于表 2 中。 表 2 建筑基础砌筑在不同土层时的水浮力模型 4 工程实例 4.1 工程简介 某工程地上 5 层，地下 4 层。地勘资料显示该场地有 3 层地下水:第1 层台地潜水:水位标高 29.2535.82m，年变幅 23m；第 2 层层间潜水:水位标高 21.1223.40m，年变幅 12m；第 3 层承压水:水位标高16.4319.12m，年变幅 45m。每层间均有一厚度约 5
12、m 的弱透水层。建7筑物基底高程为 19.50m，基底位于层间潜水层中。要求论证建筑物基底地下水浮力和建议抗浮措施。 4.2 设防水位论证 基础底板位于层间潜水中，按照 2.3 论证该场地层间潜水的最高水位。考虑到勘察期间正值丰水期，地下水位较高，所以，在勘察最高水位的基础上再加少量的年变幅是趋于安全的；为方便计算，并保证经济安全，这里考虑选择半个年变幅。对于本区的可能意外补给，需要考察周边地区水利设施活动对场地地下水的影响。本场地所在区域水位升高近 4m。勘察资料显示，层间潜水水位年变幅约为承压水位年变化幅度的一半，那么，人为放水对层间潜水的影响亦按承压水情况的一半考虑，台地潜水不受河流泄水
13、的影响。 场地各层地下水可能的最高水位计算为: 台地潜水:35.82+1/2(23)+0=37.32 层间潜水:23.40+1/2(12)+2=26.40 承压水层:19.12+1/2(45)+4=25.62 由于基底位于层间潜水层中，该工程抗浮设防水位标高按 26.40m 考虑。 4.3 基底水浮力计算 由地层剖面介绍可知，该工程基础埋深与地下水层关系符合表 2 中的计算模型 m 情况。依据提供的相应实用方法进行浮力计算，并依此结果进行结构物的抗浮验算和抗浮措施设计。 p=rw(hz+d)=10(26.4-19.5)=69kN/m2 85 结论 综上所述，抗浮设防水位的确定关系到建筑物的抗浮安全和造价投资，这就要求在考虑建筑物地下室抗浮时，应根据场地工程地质、区域水文地质、建筑条件和地貌情况综合确定。分析各种因素对抗浮设防水位的影响，采用最合理、科学的确定方法，这样才能使得抗浮设计既经济又安全。 参考文献 1 蒙加松.浅谈地下室抗浮水位的合理设置J.科技致富向导.2012 年第 08 期 2 熊维;王瑞海;刘佳忆.如何确定场地抗浮设防水位J.山西建筑.2012 年 23 期
