基础抗浮与大体积混凝土施工技术措施的结合运用

付元东，郝 杰，安 鹏

（中建三局集团有限公司工程总承包公司，湖北 武汉 430501）

1 地下室工程概况

该工程±0.00 相当于绝对标高21.25 m，地下室结构完成面标高为-5.900，塔楼范围内的地下室采用平板式筏型基础，筏板厚度为2 000 mm；相邻塔楼之间基础采用柱墩与筏板相结合的基础形式，筏板的厚度为500 mm，地下室外墙厚度为800 mm，筏板、柱墩及外墙混凝土强度等级为C40。

从构件最小截面尺寸和混凝土体量综合分析可确定，该地下室的基础及外墙属于大体积混凝土工程。根据图1 地勘剖面图和地下室结构层标高可以判断，地下室基础以下地基土质为④-1 层粉质黏土，其透水性较差，且项目距离长江流域较近，地下水位较高，受地下水影响较大。因此，在地下室施工过程中需要同时考虑大体积混凝土和地下水的双重影响因素。

图1 地勘剖面图

2 影响地下室混凝土结构有害因素分析

2.1 大体积混凝土有害因素分析

塔楼范围内的平板式筏型基础和地下室外墙混凝土体量较大，混凝土中胶凝材料水化反应热释放比较集中，内部温升较快，在混凝土内部和表面形成较大的温度梯度场，使筏板和剪力墙内外温差较大，产生变形差。水化反应引起的温度变化和收缩易导致有害裂缝产生，最终将会导致地下室底板出现渗漏，影响结构安全和正常使用[1]。

随着现代化城市地下空间的迅猛发展，大体积混凝土在地下空间结构中极为常见，温度变化和收缩产生的有害裂缝对地下工程的不利影响也越来越多，较为常见且影响较大的是地下室底板和侧墙渗漏问题。因此，寻求解决地下空间结构混凝土有害裂缝的技术问题成为工程技术人员的重要研究课题。

2.2 地下水有害因素分析

2.2.1 浮托力有害因素分析

建筑物塔楼的重力通过筏板基础竖向均匀地传递给地基，地基水头在巨大压力的作用下，势必对伐板产生向上的浮托力。根据建筑基础抗浮稳定性要求：

式中：Gk为建筑物自重及压重之和（kN）；Nw，k 为浮力作用值（kN）；Kw 为抗浮稳定安全系数，一般情况下可取1.05。

在抗浮稳定安全系数一定的情况下，浮力作用值随建筑物自重及压重之和的增加而增大。巨大的浮托力对基础结构具有向上的推力，受地下室结构底板的阻碍，地下水的水头势能不断增大，使结构底板承受较大的压力。由于混凝土在终凝之前的强度有限，当水头势能超过了混凝终凝之前的承受能力时，混凝土就会产生裂缝。同时，浮托力还会加速水化反应所引起的温度变化和收缩而导致的有害裂缝的发展。因此，浮托力对地下室混凝土结构具有较强的破坏能力，容易导致混凝土结构薄弱位置出现断裂、结构板上浮，以及地基基础的不均匀沉降，降低了地下室混凝土结构自防水的能力。

2.2.2 渗透有害因素分析

在水头压力作用下，地下水的渗透势能较大。由于地下室基础结构以下地基层土质为④-1 层粉质黏土，该土层渗透系数较小，因此对地下水侧向渗透阻力较大。当处于基坑降排水水系统较远处时，地下水难以通过侧向渗透及时排出，因此只能向上渗透。

在基础垫层及结构混凝土浇筑过程中，竖向渗透的地下水进入混凝土中，改变了混凝土局部位置的水胶比，影响混凝土整体强度稳定性。竖向渗水在水头压力的作用下，具有一定的穿透性，会在混凝土中形成渗流通道，并伴随着轻微的流沙现象，竖向渗流通道会随着混凝土的初凝而形成贯通的砂眼。此外，地下水的渗透作用会加速混凝土结构有害裂缝的发展，加大了结构墙、板渗漏风险。无论是渗流砂眼还是有害裂缝，都会造成地下室渗水，影响地下空间的正常使用功能，严重时会影响结构安全。

3 工艺结合运用的可行性分析

基础抗浮与大体积混凝土施工技术措施结合运用，其实质是将解决地下水浮托力对基础不利影响的技术措施与降低大体积混凝土水化热的不利影响的技术措施进行结合运用，实现一举双效，降低技术措施成本，提高工程实体质量。

3.1 泄水抗浮技术分析

地下室结构处于粉质黏土层，周围土体渗透性较小，地下水以孔隙水形式赋存于人工填土中，且仅有上层滞水以及地表渗水，为消除浮托力对基础结构的不利影响，该项目采用泄水减压的抗浮技术，实现无浮力底板，该技术与配重式抗浮及其他抗浮措施相比，泄水减压抗浮经济效益甚为显著[2]。泄水减压抗浮的基本原理是通过在建筑底板和地下室侧墙上预埋泄水减压装置，如图2 所示，通过该装置将地下室结构底板和侧墙土层中的压力水排除，以消除地下水向上的浮托力对结构造成的影响。

图2 泄水减压装置示意图

泄水减压装置由三部分构成，第一部分为滤水装置最底端的滤水包，安装于土体与混凝土结构的交界处，其作用是对地下水的初级过滤，防止泥沙进入过滤装置堵塞装置。第二部分为直径75 mm 的金属止水套管，该部分主要作业是保护多级过滤料，形成地下水过滤通道，其止水翼缘兼具防水功能。第三部分是填充在止水套管内的多级过滤材料，它的滤水功效要比滤水包更强，其主要作用是在保障泄水的前提下，防止泥沙随渗透水流被带入地下室出现流沙现象，确保地基土体稳定。

3.2 大体积混凝土施工控制措施分析

在大体积混凝土施工过程中，其质量控制的一项重要举措就是控制胶凝材料的水化热。在大体量的地下工程中，不宜划分过细的施工段，因为施工缝是结构的薄弱环节，容易出现结构裂缝，而分层浇注易在先后浇注面形成混凝土结构冷缝，大量的结构裂缝和冷缝易导致结构渗漏。

为降低水化热对大体积混凝土的影响，现场采用混凝土内部敷设冷凝管，通过冷却水管中的低温流体进行热量交换，降低混凝土中心区域的水化热，从而能够缓解温度变化和收缩产生的有害裂缝[3]。

4 工艺结合运用的基本原理

本文将泄水减压抗浮与大体积混凝土施工技术控制措施相结合的基本原理如图3 所示。通过将泄水减压抗浮体系与大体积混凝土的冷凝系统连通成为一个整体，通过泄水减压系统，地下水进入大体积混凝土冷凝系统，借助流通的地下水吸收热量，降低混凝土内部的水化热，从而避免混凝土浇筑阶段出现渗流砂眼，防止有害裂缝的产生和加速发展。

图3 基本原理图

4.1 地下室抗浮的基本原理

地下室抗浮的基本原理是地下水通过泄水减压装置进入导流管内，导流管将地下水引入到室内截水沟和集水井内，以卸除地下水浮托力对地下室结构的影响。侧墙泄水减压装置随剪力墙的钢筋施工同步安装，泄水装置滤水包安装在剪力墙外侧模板以外与回填土相通，内填多级滤料的止水套管伸入混凝土结构内，与竖向导水管连通，通过侧墙上的泄水减压装置，以消除侧向地下水对地下室外墙的压力。底板泄水减压装置是在地下室底板垫层混凝土浇筑阶段预埋的，泄水装置滤水包埋置于地基土体内，起到过滤竖向渗透压力水的作用，内填多级滤料的止水套管伸入混凝土结构内，与水平导水管连通，以消除竖向地下水对地下室底板的竖向压力。泄水减压装置的布设应根据填土的宽度和夯实度，以及底板受到扰动土厚度，合理确定侧墙和底板泄水孔的间距[4]。

在泄水减压装置的作用下，地下室外围压力水的泄流方向如图4 所示，通过人为导向，使压力水按照设定的导向排出，可有效防止地下水穿透结底板，避免浮托力加速有害裂缝的发展，能有效提高地下室结构混凝土的密实性和自防水性能。

图4 压力水导流图

4.2 降低水化热基本原理

降低大体积混凝土内部的水化热是借助地下水在循环导水管内流通实现的，循环导水管采用热传递性能较好的管材，随钢筋工程埋置在混凝土结构的中间位置，其进水口一端与泄水减压装置相连，出水口与室内截水沟相通，形成连通器。低温的地下水在水头压力作用下，从泄水减压装置进入循环的导流管，在管道内部流通。在热传递功能的作用下，混凝土中心区域的水化热通过导流管将热能传递给循环管内的低温水流，从而起到降低混凝土中心区域水化热的功效。

循环水流在导流管内的流向如图5 所示，借助丰富的地下水在导流管内持续性的流动，能及时降低混凝土内的水化热，防治混凝土内部出现温度骤增，能有效抑制有害裂缝的产生，对提高混凝土的密实性和抗渗性有重要意义。

图5 循环水降温示意图

5 结论

通过对基础抗浮与大体积混凝土施工技术措施的结合运用进行研究，本文得出的结论是地下室泄水减压抗浮体系与降低大体积混凝土水化热的循环系统能够有效的组合运用。通过将两者进行组合，能在及时卸除地下水压力对结构影响的同时，可快速降低混凝土水化热，从多方面防止混凝土有害裂缝的产生和加速发展，提高了混凝土的防水性能，对地下工程的施工具有重要意义。