項(xiàng)蘆杰

[摘 要]自二十世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外都不斷提出關(guān)于地下工程的抗浮問(wèn)題，到如今，也有不小的進(jìn)步，但是，對(duì)于抗浮問(wèn)題的解決，我們至今仍處于嬰兒期。不僅存在施工技術(shù)方面的問(wèn)題，也存在大量財(cái)力浪費(fèi)的問(wèn)題，還有許多技術(shù)上未攻克的難題，本文對(duì)大型地下工程抗浮的問(wèn)題做了進(jìn)一步研究，主要提出一種新的抗浮手法——泄排水抗浮方法，并對(duì)其的工作原理、計(jì)算理念進(jìn)行解釋。

[關(guān)鍵詞]地下工程;抗浮問(wèn)題;泄排水抗浮方法

[中圖分類號(hào)]TU942 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

1 大型地下工程抗浮問(wèn)題的背景

1.1 地下水浮力計(jì)算

如今，地下結(jié)構(gòu)的浮力計(jì)算方法仍是一個(gè)值得考慮的問(wèn)題，而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所測(cè)到的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)得數(shù)據(jù)又不盡相同，故我們應(yīng)從中找出理由。目前，我國(guó)各種規(guī)范和規(guī)程關(guān)于地下水作用的荷載分類沒有統(tǒng)一，地下水壓力應(yīng)屬于永久荷載還是可變荷載仍沒有一個(gè)統(tǒng)一的說(shuō)法，同時(shí)，不同規(guī)范對(duì)水浮力的荷載分類不同，導(dǎo)致水浮力分項(xiàng)系數(shù)取值存在不一致的問(wèn)題。與我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范相比，歐洲規(guī)范有關(guān)地下水作用考慮得更全面和細(xì)致。歐洲規(guī)范中，將水作用看做永久荷載或可變荷載，并給出其判斷準(zhǔn)則和不同情況下的荷載組合要求。

現(xiàn)有規(guī)范、規(guī)程中地下結(jié)構(gòu)基底浮力壓強(qiáng)的計(jì)算，大都采用基于靜水壓強(qiáng)公式，而地下水浮力的計(jì)算主要集中在如何科學(xué)確定弱透水層中水浮力折減系數(shù)和抗浮設(shè)計(jì)水頭值H，其中抗浮設(shè)計(jì)水頭值是根據(jù)抗浮設(shè)防水位確定的，抗浮設(shè)防水位一般是指建筑結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中基礎(chǔ)所在地下水層可能出現(xiàn)的最高水位。

1.2 地下水的滲流

巖土工程所涉及的地下水滲流問(wèn)題，主要是研究地下水在多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，隨著工程的發(fā)展，地下水滲流受到國(guó)際工程界和學(xué)術(shù)界的高度重視。到了20世紀(jì)，地下水滲流已逐步發(fā)展成為具有自己理論體系、方法和應(yīng)用范圍的獨(dú)立學(xué)科。目前，地下水流計(jì)算常用的數(shù)值方法為有限差分法和有限單元法。與此同時(shí)，相關(guān)地下水滲流專業(yè)分析軟件也得到了快速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其中有GeoStudio軟件和三維有限差分地下水?dāng)?shù)值模擬軟件MODFLOW等。

1.3 工程抗浮措施

當(dāng)前在大型地下結(jié)構(gòu)工程上比較常用的永久性抗浮措施有：配重法、抗浮錨桿（索）、抗浮樁等，而這些措施在不同方面來(lái)看多多少少都存在一些問(wèn)題，比如說(shuō)：抗浮錨桿（索）容易腐蝕和蠕變;抗浮樁的施工費(fèi)用較高，而且長(zhǎng)期處于起伏狀態(tài)的地下水位以下，所以也存在耐久性問(wèn)題。

二十世紀(jì)末，我國(guó)開始從國(guó)外引進(jìn)排水抗浮法的改良技術(shù)——大面積靜力釋放層的施工技術(shù)。其中在中國(guó)所總包的新加坡環(huán)球影城項(xiàng)目中也采用了泄水抗浮方法，此方法的組成部分主要是排水減壓子系統(tǒng)和泄壓安全控制子系統(tǒng)，并在地下室底板下設(shè)置倒濾層（沙石和土工布構(gòu)成）、高分子防水層和混凝土墊層。

雖然降排抗浮方法和措施取得很大進(jìn)展，但工程界對(duì)這種方法普遍還存在疑惑和不熟悉。因此，工程界和學(xué)術(shù)界需要對(duì)降排水抗浮方法的抗浮機(jī)理、長(zhǎng)期工作性能和可靠性、對(duì)周圍環(huán)境的影響作深入系統(tǒng)研究，并通過(guò)大量工程實(shí)踐探索作支撐。

2 抗浮機(jī)理研究

2.1 地下水

地下水位包括歷年最高水位、最低水位、靜止水位和穩(wěn)定水位等，它是根據(jù)季節(jié)或補(bǔ)給條件而變化的。地下水位變化是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，受人為因素的影響很大。根據(jù)賦存狀態(tài)，一般將地下水劃分為上層滯水、潛水和承壓水。

（1）上層滯水：指具有自由水面的地下水，通常埋藏在地表淺處，它的分布范圍有限，主要是由大氣降水補(bǔ)給。

（2）潛水：指具有自由水面的地下水，通常埋藏在地表以下第一個(gè)穩(wěn)定隔水層以上，主要是雨水滲透或河流滲入土中而得到補(bǔ)給，也因?yàn)檎舭l(fā)或流入河流而排泄。

（3）承壓水：只埋藏在上下兩個(gè)隔水層之間的地下水。承壓水主要是依靠大氣降水和河湖水通過(guò)潛水補(bǔ)給的。

2.2 浮力計(jì)算問(wèn)題

一個(gè)物體在液體中存在三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的可能性：下沉、不動(dòng)或上浮。當(dāng)物體浸沒在液體中靜止不動(dòng)，為懸浮或漂浮，此時(shí)其重力等于其受到浮力;下沉則其重力大于其浮力;上浮則其重力小于其浮力。

所以該如何正確確定上浮力，根據(jù)阿基米德的原理為浸入液體中的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于它排開的液體受到的重力。根據(jù)土力學(xué)的知識(shí)原理得基底理論靜水壓力為水的重度乘以基地面積乘以水頭高度（地下水位標(biāo)高與建筑物基地標(biāo)高之差）。在水頭作用下，工程中會(huì)遇到不穩(wěn)定的滲流問(wèn)題，其中可分為①.飽和滲流與非飽和滲流;②由于土的固結(jié)作用造成的滲流;③入滲分析，即場(chǎng)地地表附近水的入滲情況;④污染遷移問(wèn)題。各層地下水除了具有水平方向的滲流分量外，在豎向還存在越流補(bǔ)給，即存在豎向的滲流分量。而對(duì)滲流和孔隙水壓力背景場(chǎng)的分析常被工程師忽略。

（1）黏土地基中地下水為滯水的情況。地下水賦存形態(tài)可以有滯水、潛水和承壓水等，而很多城市最下層的地下水可能為滯水狀態(tài)，這層滯水可能是由于降水或者是其他原因形成。

（2）地下結(jié)構(gòu)外有排水設(shè)備的情況。地下結(jié)構(gòu)中的排水設(shè)備不僅可以防止向地下水內(nèi)滲水，還有防止地下水腐蝕地下結(jié)構(gòu)，甚至可以明顯減少地下室的浮力。但是如果是按地下室所排出的水的體積來(lái)算浮力無(wú)疑是偏保守的甚至是錯(cuò)誤的，在設(shè)計(jì)計(jì)算中，必須充分調(diào)查黏土中滯水位及砂層土中潛水位的可能變化幅度，排水設(shè)備失效的概率，針對(duì)不同的建筑物合理選用計(jì)算浮力公式及抗浮措施。

（3）地下結(jié)構(gòu)外墻的摩擦力。在有浮力的情況下，當(dāng)其大于地下使用重力時(shí)，地基土與外墻間將表現(xiàn)出摩擦力，這在地下連續(xù)墻和沉井等做外墻時(shí)，作用尤為明顯。

3 常用抗浮方案特點(diǎn)比較及選用

當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)物的自身重量不能抵抗地下水浮力時(shí)，地下結(jié)構(gòu)物會(huì)產(chǎn)生上浮，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形損壞，因此需進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。工程抗浮設(shè)計(jì)包括整體抗浮驗(yàn)算和局部抗浮驗(yàn)算。通過(guò)整體抗浮驗(yàn)算雖然可以保證地下結(jié)構(gòu)物不會(huì)整體上浮，但不一定能保證結(jié)構(gòu)物地板不開裂等變形情況，因此，還應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)物底板進(jìn)行局部抗浮驗(yàn)算。

3.1 常用抗浮方案特點(diǎn)

（1）配重法。配重法是一種常規(guī)的抗浮措施，可以在地下室頂板上覆土或增加頂板厚度，也可以將底板延伸或增加底板厚度。這種方法雖然可以解決抗浮問(wèn)題，但同時(shí)又不可避免地增加了基礎(chǔ)的埋置深度，從而相對(duì)地提高了地下室抗浮設(shè)防水位的高度，因此它不是一種效率高的方法，同時(shí)，這種方法會(huì)略增加地下室頂板框架梁的負(fù)荷，而且由于板厚有限，這種方法解決抗浮效果也是有限的。

（2）降截排水法。降截排水法是一種比較直接的方法，通過(guò)降水、排水、截水來(lái)減少地下水的不利作用。降水措施主要是在底板下設(shè)置濾水層和排水管道，匯集到排水井再用水泵抽取，使地下水位維持在某一標(biāo)高。截水措施主要是將上水帷幕（深層攪拌樁、高壓旋噴樁）進(jìn)入隔水層一定厚度，將地下建筑物范圍內(nèi)的水與外界豐富的水源截?cái)唷５沁@種措施存在風(fēng)險(xiǎn)，如暴風(fēng)雨災(zāi)害后的長(zhǎng)時(shí)間停電會(huì)使水泵無(wú)法工作，而這正是最需要減水壓的時(shí)候。

（3）抗浮錨桿法。抗浮錨桿是近年來(lái)大量應(yīng)用的抗浮技術(shù)，一般是采用高壓注漿工藝，使?jié){液滲透到巖土體的孔隙或裂縫中，錨桿側(cè)摩阻力比樁基大，更有利于抗浮，且造價(jià)低廉，施工方便。但是普通錨桿受拉后，桿件周圍的灌漿體開裂，使鋼筋與鋼絞線極易受到地下水的侵蝕，直接影響耐久性。同時(shí)，國(guó)內(nèi)對(duì)抗浮錨桿的設(shè)計(jì)還不夠成熟，缺乏有關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，所以使抗浮的研究和使用都受到了一定程度的限制性。

3.2 常用抗浮方案比較及選用

工程中常用的抗浮措施是臨時(shí)性抗?。ㄖ饕甘┕て陂g），主要采用隔水、降水和排水減法等措施;永久性抗?。ㄖ附ㄖ锸褂闷陂g）主要采用抗拔樁下拉法和錨桿（索）下拉法，采用錨桿（索）巖土錨固抗浮措施，與增加自重載法、抗拔樁等上述方法相比，具有工期短、造價(jià)低、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)工程樁（抗壓樁）兼做抗拔樁時(shí)，只考慮局部抗浮驗(yàn)算，但需對(duì)樁本身作抗拔（抗拉）驗(yàn)算，并且其受力鋼筋應(yīng)通常布置。

由于大型地下工程地下空間體積大，永久地下水浮力高，一般常用抗浮錨桿（索）、抗拔樁或排水減壓抗浮方案。

各種抗浮方案實(shí)施選擇的原則是：安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)和施工方便。還應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)、地質(zhì)情況、場(chǎng)地條件和環(huán)境等因素綜合考慮，因地制宜，選一個(gè)最佳有效的抗浮方案。

4 綠色施工與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展

4.1 研究背景

建筑業(yè)包括各種房屋及構(gòu)筑物的營(yíng)造，設(shè)備安裝，房屋維修等，它的存在是人類發(fā)展史上不可缺少的一部分，但同時(shí)建筑業(yè)是以大量消耗自然資源并制造沉重的環(huán)境負(fù)面影響為代價(jià)的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類從自然界所獲得的一半以上的物質(zhì)原料用于建造各類建筑及其附屬設(shè)備，而這些建筑物在建造和使用過(guò)程中又消耗了全球50%以上的能量;因工程建設(shè)而產(chǎn)生的空氣污染、光污染、電磁污染等占環(huán)境總體污染的34%，所產(chǎn)生的建筑垃圾占人類活動(dòng)所產(chǎn)生垃圾總量的40%以上。

為了真正實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與文明的可持續(xù)發(fā)展，務(wù)必在基礎(chǔ)建設(shè)實(shí)施過(guò)程中大力倡導(dǎo)綠色建筑，扎實(shí)推進(jìn)了綠色施工，選擇有利于生態(tài)的方法。

4.2 綠色施工的實(shí)施

美國(guó)是世界上較早提出并實(shí)施清潔生產(chǎn)的國(guó)家，在1984年通過(guò)的《資源保護(hù)與回收法——有害物和固體廢物修正案》中指出，要在可能的情況下，盡量減少?gòu)U物的產(chǎn)生;加拿大政府通過(guò)廣泛的政策協(xié)調(diào)，將清潔生產(chǎn)與污染預(yù)防緊密結(jié)合起來(lái)，并形成了有效的政策體系;德國(guó)在清潔生產(chǎn)活動(dòng)中采取了務(wù)實(shí)態(tài)度，如在污染預(yù)防方面采用了基于技術(shù)的方法（稱為可獲得的最好的技術(shù)），并將經(jīng)濟(jì)可行性作為一個(gè)限制因素，為了鼓勵(lì)企業(yè)實(shí)施清潔生產(chǎn)，政府給予一定量的資金援助與扶持;韓國(guó)政府和工業(yè)界對(duì)清潔生產(chǎn)的認(rèn)識(shí)較高，非常重視清潔生產(chǎn)活動(dòng)，政府的污染防治政策，包括清潔技術(shù)的使用，是通過(guò)“通知”和“法案”實(shí)施的;我國(guó)政府也十分重視清潔生產(chǎn)，1994年將清潔生產(chǎn)明確寫入《中國(guó)21世紀(jì)議程》，并具體落實(shí)在首批優(yōu)選項(xiàng)目之中。

4.3 地下工程施工綠色發(fā)展對(duì)策

4.3.1 施工階段對(duì)策

（1）合理選擇綠色施工方法和材料，減少施工對(duì)地下水的污染;

（2）科學(xué)統(tǒng)籌規(guī)劃和高效管理，加快基礎(chǔ)施工進(jìn)度，有效減小地下水抽取量;

（3）綜合利用多種措施，提高施工所抽取地下水資源使用效率。

4.3.2 運(yùn)營(yíng)階段對(duì)策

（1）科學(xué)地規(guī)劃運(yùn)營(yíng)期地下水資源綜合利用開發(fā)，如將地下水進(jìn)行軟化、純化等措施，使其直接做成飲用礦泉水;

（2）綜合利用多種措施，防止運(yùn)營(yíng)期城市生活污水、固體垃圾及地下水資源的污染。

[參考文獻(xiàn)]

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