張 明，李夢輝

(河南工程學院 土木工程學院，河南 鄭州 451191)

地下車庫已成為城市建設的重要部分之一。當?shù)叵萝噹旖ㄔO區(qū)水位較高且存在強透水土層時，地下車庫受到的浮力很大，很容易造成車庫上部結(jié)構(gòu)及周邊建構(gòu)筑物不均勻上浮與開裂等破壞。合理的抗浮設計方案能夠有效抵御不均勻上浮。車庫覆土自重加泄水抗浮是常用的抗浮設計方案之一，采用該方案前必須解決如下關鍵問題：(1)地下車庫基坑在圍護結(jié)構(gòu)與止水結(jié)構(gòu)長期存在條件下泄水量的估算；(2)地下車庫抽排水引起場地地下水滲流場變化對周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響。

已有文獻對地下車庫抗浮失穩(wěn)原因與加固處理措施的研究較多，而對上述兩個問題的研究較少。孫會超等[1]結(jié)合地下車庫抗浮引起的大量構(gòu)件開裂破壞，對地下車庫降水、結(jié)構(gòu)選型、抗浮計算、結(jié)構(gòu)浮起破壞機制、加固方法進行了探討。王宇陽等[2]從多方面對丹東某地下車庫上浮失穩(wěn)實例進行研究，分析了事故發(fā)生的原因，提出了地下室抗浮加固處理措施，如設置抗浮錨桿，地下室樓頂板、地下室柱與底板加固等。林其樂等[3]利用有限元法建立了水位循環(huán)變化對地下車庫影響的計算模型，計算分析地下水位線變化過程中，底板和承臺的應力變化、沉降變化及兩者接觸處的受力情況，提出了減少地下水位循環(huán)變化對地下車庫影響的建議。殷志遠[4]探討了蘇南地區(qū)某單層地下車庫的抗浮設計方案，對常用的自重抗浮、減壓抗浮、樁錨抗浮等方案進行了分析。李偉玲[5]結(jié)合地下車庫工程實例，對常用的抗浮措施加以探討，對設抗浮樁的車庫上浮事故采用有限元法進行了分析，并探討了相應的處理方法。程路海等[6]分析了暴雨后某住宅小區(qū)車庫上浮導致框架柱破壞的主要原因，并提出了相應的永久加固措施。

本研究結(jié)合地下車庫覆土自重加泄水抗浮設計方案，采用有限元法對車庫地下水滲流場進行模擬與計算，估算地下車庫運營期間地下水泄水量，評價長期抽排水對地下車庫周邊環(huán)境的影響。

1 工程背景

1.1 工程概況

某地下車庫位于中心廣場，擬開挖基坑南北長167.8 m，東西長176.2 m，北側(cè)、南側(cè)與市政道路相鄰。地下車庫為地下二層，建筑面積為59 400 m2，停車位1 530個。地下車庫采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土下埋式結(jié)構(gòu)，采用無梁式筏板基礎，板厚600 mm。地下車庫的抗浮設計是該工程要解決的難點之一?？紤]如下兩種抗浮設計方案：(1)采用抗拔樁兼作承載樁；(2)采用抽水減浮方案。經(jīng)過比較，擬選用抽水減浮方案，采用該方案的關鍵在于確定每日泄水量和長期抽排水對周圍環(huán)境的影響。

1.2 車庫周邊環(huán)境

地下車庫位于居住區(qū)中部，東、南、西面均為住宅區(qū)，北面為游泳池、網(wǎng)球場及其附屬管理用房，中部為下沉式廣場，地鐵3號線折返部分從車庫中部通過，地鐵頂面標高為-5.58 m，與地下車庫的地下二層地面標高一致，即車庫位于地鐵上部，其典型地質(zhì)斷面及周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 車庫典型地質(zhì)斷面及周邊環(huán)境

1.3 工程地質(zhì)與地下水條件

(1)第四系孔隙潛水主要賦存于海積砂層及沿線砂(礫)質(zhì)黏土層，埋深2.1～5.3 m，以孔隙微承壓水為主，主要由大氣降水補給。受季節(jié)、潮汐影響，車庫附近有海水入侵，使得地下水微咸。第四系孔隙潛水水量較豐富，水質(zhì)易被污染。

(2)基巖裂隙水較發(fā)育，廣泛分布在花崗巖的中-強風化帶及構(gòu)造節(jié)理裂隙密集帶。富水性因基巖裂隙發(fā)育程度、貫通度、膠結(jié)程度、與地表水源的連通性而變化，主要由大氣降水、孔隙潛水補給，局部具有承壓性。車庫鄰近海邊，遇暴雨時部分地表積水，根據(jù)設計單位提供的抗浮設計方案，車庫的抗浮水位為低洼處的地表高程，取黃海高程絕對標高4.3 m。

1.4 基坑支護與抗浮設計方案

車庫基坑深度為12 m，采用中心島開挖方案，先施工地下連續(xù)墻，內(nèi)側(cè)放坡開挖，開挖到坑底后施做中部主體結(jié)構(gòu)，中部主體結(jié)構(gòu)采用自下而上的順筑法施工。中部主體結(jié)構(gòu)施工完畢后，采用逆作法施工放坡段主體結(jié)構(gòu)。地下連續(xù)墻厚800 mm，深度為16.95～20.45 m，嵌固深度分別為6.0 m、6.5 m和9.5 m，混凝土強度等級為水下C30，抗?jié)B標號S8，可以達到隔水要求，在滲流計算中可作為不透水層。

抗浮設計采用結(jié)構(gòu)自重(含覆土)加泄水抗浮方案。該方案設計水位降深3.4 m(高程從4.3 m降至0.9 m)，采用等代大井法計算車庫地下室范圍每天最大涌水量為900 m3，擬設8個取水口(8根立管)，估算立管中最大流速為5 m/min。車庫泄水系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 車庫泄水系統(tǒng)

2 車庫地下水泄水量估算及環(huán)境影響

2.1 計算分析方法及基本假定

地下車庫運營期內(nèi)，地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)，對車庫地下室抗浮設計中抽排水量和浸潤線位置產(chǎn)生很大影響，故不能簡單地采用等代大井法計算滲流量，而是采用有限元等數(shù)值方法進行滲流場的模擬與計算?；炯僭O如下：

(1)基坑開挖面接近正方形，簡化為軸對稱圓形計算，根據(jù)面積相等原則，等效半徑為96.4 m；(2)各土層滲透系數(shù)各向同性；(3)基于安全考慮，不考慮地鐵和車庫周邊建構(gòu)筑物地下室對地下水的遮擋效應。

具體計算與分析步驟如下：

(1)由于車庫基坑周邊場地土層變化較大，選取有代表性的8個斷面，采用有限元滲流計算軟件計算出各斷面周邊場地的浸潤線和單位寬度滲流量，對8個斷面的計算結(jié)果按斷面代表寬度取加權(quán)平均。

(2)將浸潤線與原地下水位比較計算基坑外周邊場地地下水降深。由地質(zhì)報告和地區(qū)經(jīng)驗可知，場地內(nèi)地下水主要分為上層潛水和下層基巖裂隙水，兩者的聯(lián)系不甚緊密，表現(xiàn)為基巖裂隙水一般為承壓水(微承壓)，降水僅考慮上層孔隙潛水含水層，上、下層地下水的分界線定為中風化基巖底面。

(3)采用有限元軟件計算降水曲線上因降水增加的有效應力和場地沉降，計算原理見文獻[8]。

2.2 計算分析斷面及土層計算參數(shù)

選取地下車庫場地周邊8個斷面，各斷面位置如圖3所示，各斷面對應勘察報告中相應鉆孔。結(jié)合勘察報告與工程實踐經(jīng)驗[7]，各土層計算參數(shù)如表1所示。

圖3 斷面位置

表1 土層計算參數(shù)

采用舒爾茨-梅經(jīng)巴赫的經(jīng)驗公式[9]估算沖洪積土的壓縮模量Es:

Es=4.0+A(N63.5-6)，N63.5>15，

(1)

Es=A(N63.5+6)，N63.5<15，

(2)

式中：N63.5為標準貫入擊數(shù)；A為經(jīng)驗系數(shù)。不同土類A值見表2。

表2 不同土類的A值

采用規(guī)范推薦公式[10]估算表1中的全風化、強風化、中風化花崗巖變形模量E0:

E0=αN63.5,

(3)

式中：α取2.0。

2.3 車庫運營期的滲流場與抽排水量估算

限于篇幅，本節(jié)僅列出車庫運營期斷面1-1′、4-4′處滲流場和抽排水量的計算結(jié)果，以及圍護結(jié)構(gòu)周邊場地降水產(chǎn)生的沉降。

2.3.1斷面1-1′的計算結(jié)果

斷面1-1′采用鉆孔Z3B-TCYT-42的地質(zhì)資料，由于地下連續(xù)墻墻底的滲流，圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)水位發(fā)生變化。該斷面代表的計算寬度為86.5 m。有限元幾何模型如圖4所示(x表示沿車庫長度方向，y表示沿車庫地表深度方向)。

圖4 斷面1-1′有限元幾何模型

車庫運營期斷面1-1′坑外浸潤線和滲流場矢量圖見圖5。浸潤線因受地下連續(xù)墻隔水作用影響，與普通降水井的浸潤線有較大差異。圖5中斷面單位弧度滲流量為40.795 m3/d，以此斷面為標準斷面計算的總滲流量為該值乘以2π，即255.7 m3/d。周邊場地水位最大降深為1.1 m，圍護結(jié)構(gòu)周邊場地因降水產(chǎn)生的最大沉降為12.1 mm。

圖5 斷面1-1′坑外浸潤線和滲流場矢量圖

2.3.2斷面4-4′的計算結(jié)果

斷面4-4′采用鉆孔Z3B-TCYT-22的地質(zhì)資料，該斷面代表的計算寬度為121.4 m，有限元幾何模型如圖6所示(x表示沿車庫長度方向，y表示沿車庫地表深度方向)。車庫運營期4-4′斷面坑外穩(wěn)定滲流流速矢量圖、浸潤線及單位寬度滲流量如圖7所示。圖7中單位弧度滲流量為3.708 7 m3/d，以此斷面為標準斷面計算的總滲流量為23.3 m3/d，浸潤線最大降深為0.3 m。計算得到此斷面的涌水量較小是因為坑底存在較厚的淤泥質(zhì)黏土、該層的滲流系數(shù)較小，圍護結(jié)構(gòu)周邊場地因降水產(chǎn)生的最大沉降為10.5 mm，距離地下車庫15 m處的場地因地下室長期抽水產(chǎn)生的沉降僅為4.6 mm。

圖6 斷面4-4′有限元幾何模型

圖7 斷面4-4′坑外穩(wěn)定滲流流速矢量圖和浸潤線

2.4 主要計算結(jié)果及影響評價

通過滲流有限元軟件計算和相關分析，8個斷面的計算結(jié)果如表3所示。表3中綜合單位滲流量qd采用如下公式計算：

qd=∑qi×μi。

(4)

總滲流量Q按下式計算：

Q=qd×2π。

(5)

表3中總滲流量為303.8 m3/d，對應浸潤線最大降深為2.8 m?？紤]到土工參數(shù)的變異性和場地條件的不確定性，可取2倍計算滲流量，則總泄水量為607.6 m3/d(抽水量設計安全系數(shù)取2)。

表3 8個斷面計算結(jié)果

車庫周邊場地因降水產(chǎn)生的沉降如表4所示。

表4 車庫周邊場地因降水產(chǎn)生的沉降

3 結(jié)論

結(jié)合地下車庫抽水減浮設計方案與工程條件，采用有限元滲流計算方法，對地下車庫運營期基坑內(nèi)抽排水量和地下水滲流場進行計算，評價抽排水對車庫周邊環(huán)境的影響，得到如下結(jié)論：

(1)地下車庫運營期平均總滲流量為303.8 m3/d，工程設計抽排水量可取2倍計算，即607.6 m3/d。

(2)浸潤線因受地下連續(xù)墻隔水作用影響與普通降水井浸潤線有較大差異，8個斷面浸潤線最大降深為2.8 m，最小降深為0.3 m，基本處于一年水位峰值和谷值之間。

(3)圍護結(jié)構(gòu)周邊場地因長期降水產(chǎn)生的最大沉降為16.6 mm，距圍護結(jié)構(gòu)邊緣15 m處場地最大沉降為7.6 mm，表明原抗浮設計方案可行且對周邊環(huán)境影響不大。