泄水减压抗浮技术在工程中的应用

雷立志 潘琰枫

武汉弘泰建筑工程质量检测有限公司（430070）

0 引言

地下空间的结构设计，抗浮设计是很重要的一环，当地下室较深、地下水位较高时，地下室结构及构件受到的水浮力较大。实际工程中由于抗浮设计不当引发的事故时有发生，既有整体抗浮问题也有局部抗浮问题。常见的有地下室隆起、底板破坏、地下室墙和基础梁板出现裂缝、地下室渗水以及上部结构出现裂缝等。

根据《建筑地基基础设计规范》第5.4.3条，建筑物基础存在浮力作用时应进行抗浮稳定性验算，并应符合下列规定:

对于简单的浮力作用情况，基础抗浮稳定性应符合下式要求:

Gk——建筑物自重及压重之和（kN）；Nw,k——浮力作用值（kN）；Kw——抗浮稳定安全系数，一般情况下可取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压重；②地下室底板增设抗浮锚杆或者抗拔桩；③泄水减压法，在地下室周围或者底部设置泄水孔，降低地下水位高度。工程中常用的是第二种，应用范围广。第一种方法使用条件有限，主要用于自重与压重之和与水浮力差别不大；第二种方法使用较多，但工期长、花费高；第三种方法目前使用较少，其对地下水以及地下土要求较高，但是一旦能够使用则效益很高。文章拟结合实际工程对第三种方法进行介绍，以便为类似工程进行推广。

1 泄水减压理论思想

根据阿基米德思想，地下建筑物受到的浮力等于其排开同体积水的重量。泄水减压的主要思想就是通过科学手段达到降低底板水头的目的，以达到地下室抗浮的目的[1]。

泄水减压法主要适用条件:①土中孔隙水主要存在于人工填土中，仅有上层滞水或者地表补给水的地质条件；②地下室周围土体主要为渗透性较小的黏土。根据条件一，地下室范围内无承压水，地下水主要来自于地面补给；根据条件二以及渗流原理，地下室范围内土体渗透系数小，水从地面渗透至地下室地板需要的时候较长，如果在地下室侧壁以及板底预留泄水孔，让水及时排入地下室排水通道，则地下室板底能保持少水状态，受到的水浮力也就较小，进而达到抗浮的目的。

湖北天利建筑技术有限责任公司的专利产品[2]是在地下室侧墙和底板一定位置按一定间距埋设直径为100mm的泄水孔，在泄水孔汇水端埋置一定面积的反滤层，其中反滤层主要由碎石构成（具体做法如图1所示），将渗入反滤层的水通过泄水孔引流到专门的室内排水沟中，同时在泄水孔中布置钢丝球来过滤泄水孔中的水。排水沟中水通过在室内排水系统进行处理，该系统能够将地下室周围较高的水位通过将地下水渗流进入泄水孔排出，从而降低地下水水位，释放地下室底板的基底水浮力，减小地下水对建筑物及环境的不利影响[3]。

表1 土层基本参数

2 工程案例

武汉市汉阳区某住宅项目位于墨水湖北路与龙阳湖东路交汇处。项目地下室共2层，±0.000设计标高为24.30m。地下室底板结构面标高-9.10 m，底板厚400mm。地下室单层面积约30370m2，周长约800m。纯地下室部分柱网主要为6.0m×8.0m。

2.1 工程地质情况

1）根据本次勘察成果，拟建场地主要岩土层在勘探深度范围内分布为:上部为近代人工堆积层（Qml）、第四系上更新统冲洪积（Q3al+pl）黏性土层，第四系残积（Qel）粉质黏性土层，下部基岩为泥盆系（D）砂砾岩、石英砂岩，志留系（S）泥质粉砂岩、泥岩层。土体基本参数见表1。

图1 泄水减压构造

2）勘察场地内的地下水为上层滞水。上层滞水主要赋存于人工填土层中，以大气降水和地表积水入渗为补给来源；勘察期间测得勘探孔上层滞水稳定地下水水位埋深0.30～3.20m，对应标高为19.48～31.21m。

根据地勘报告:本工程地下室侧壁主要由杂填土、粉质黏土、砂砾岩、泥质粉砂岩组成，基底坐落于泥质粉砂岩中，属相对隔水层。影响本工程抗浮的地下水为上层滞水，应考虑地下水浮力对地下室的影响，本基坑抗浮设计水位为场地整平后的室外地面设计标高[4]。

2.2 整体抗浮设计初步分析

根据规范要求，需要比较柱底水浮力及相关自重压力。

2.2.1 不考虑任何措施时柱底水浮力计算

依据地勘报告，抗浮水位可按设计室外地面整平标高确定。室外地面标高取24.40m，地下室±0.00为绝对高程24.30m，地下室底板面标高-9.10 m，地下室垫层底标高为-9.650，底板厚400mm，垫层厚150mm，建筑垫层按100mm考虑。

水头高度H=9.10+0.40+0.15=9.65m；

柱底水浮力受荷面积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 结构自重计算

顶板覆土自重（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）；

基础自重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）；

垫层及建筑面层自重Gk6=（0.15+0.2+0.1）×20×48=432.0（kN）；

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

根据规范，Gk/Nw,k=0.64＜Kw，不满足规范要求，需采取抗浮措施。

2.3 整体抗浮方案比选

本工程土质较好，纯地下室等部位采用柱下独立基础。根据常规做法，地下室整体抗浮设计可采用增设抗浮锚杆以及泄水减压两种办法。下面对两种抗浮方案进行分析，以便进行方案比选。

2.3.1抗浮锚杆方案

根据地质条件，采用直径150mm锚杆，长约13 m，锚杆抗拔承载力特征值取320kN，柱底所需锚杆根数N=（4680-2992）/320=5.27根。

根据柱网布置具体情况，地下室需抗拔锚杆数约2525根。

2.3.2 泄水减压法方案

考虑虹吸效应，水头高度取泄水装置水头加1.0m位置[5]。地下室在负1层设有人防区，在人防范围内不能埋设泄水装置，本工程需考虑人防区与非人防区两种情况。

1）非人防区。泄水装置设置在地下室底板上600mm，相对标高为-8.500m，水头计算时水位相对标高为-7.500。具体计算如下:

水头高度H1=9.65-8.5+1.0=2.15m；

水浮力Nw,k=2.15×10×48=1032.0（kN）；

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

2）人防区。泄水装置设置在地下一层底板上450mm，相对标高为-4.850m，水头计算时水位相对标高为-3.850。具体计算如下:

水头高度H1=9.65-4.85+1.0=5.8m；

水浮力Nw,k=5.8×10×48=2784（kN）；

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

根据计算结果，采用泄水减压技术在人防区以

及非人防区均能够满足整体抗浮要求。

2.4 抗浮方案比选

2.4.1 锚杆成本成本及工期分析

锚杆按160元/m计算成本，则所需成本为2 525×13×160=5252000元；

锚杆抗拔承载力检测费用，检测数量为2525×5%=127根，费用约127000元。

锚杆方案的总成本大约为5252000+127000=5379000元。

此外，除锚杆承载力检测需一定的周期外，抗拔锚杆施工工期也较长。

2.4.2 泄水减压方案成本及工期分析

根据天利建筑技术有限责任公司方案，若采用泄压抗浮技术进行抗浮设计，地下室非人防区域约需布置抗浮孔位数179个，人防区域需布置约111个抗浮孔位，共290个孔位。单孔费用2560元，所需成本为290×2560=742400元（含专家评审费用）。采用此抗浮措施施工时仅需在底板以及侧墙施工时配合埋设泄水设备即可，与主体同时进行，对工期影响甚微。

综合比较分析，采用泄压抗浮技术在工期以及成本上优势明显，且施工简单，可行性高，本工程最终采用此方案。工程于2018年年底交付使用，至今已经使用约3年，未见明显抗浮不当引起的工程问题[6]。

3 结论及建议

经过以上分析及工程案例分析可知，在泄压抗浮能够使用的条件下，此技术能产生较大的经济效益，是一种较好的抗浮措施。其主要注意点为防止形成水路，造成水头超过设计值。因此如下几点应着重注意:①施工期间，基坑顶、侧、底部应采用合理的排、止水措施，防止基坑及底板施工时上层滞水或雨水渗入地下室底板以下，保证基坑内不受水浸泡，基坑周边排水畅通，避免造成施工期间地下室的上浮；②室外地面以下2m范围内应采用素混凝土进行回填，地下室外墙与支护结构之间回填黏性土，其中室外地面以下2m范围内应做到分层压实，压实系数不小于0.94；③地下室外墙防水层的保护层不应采用透水的泡沫塑料板，应采用砂浆抹面或1/4砖墙作为保护层，避免形成透水通道；④地下室底板以下施工时超挖部分应采用C15素混凝土回填，不应采用碎石、砂等透水性材料。