
地下结构截排减压抗浮概念及应用-曹洪201612.pdf
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 地下结构截排减压抗浮概念及应用-曹洪201612.pdf
- 资源描述:
-
1、第 35卷 第 12期 岩石力学与工程学报 Vol.35 No.12 2016 年 12 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec., 2016 收稿日期:2016 04 12;修回日期:2016 11 08 资助项目:“十二五”国家科技支撑计划项目 (2011BAG07B02);中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室资助项目 (Z015013);中央高校基本科研业务费 (20152M024) Supported by the National Science and Technology Support
2、Project of Chinas 12th Five-year Plan(Grant No. 2011BAG07B02), Open Research Fund of State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences(Grant No. Z015013) and Fundamental Research Funds for the Central Universities(Gra
3、nt No. 20152M024) 作者简介:曹 洪 (1954 ),男,博士, 1982 年毕业于湖南大学力学专业,现任教授,主要从事堤防渗流和岩土工程方面的研究工作。 E-mail:。通讯作者:骆冠勇 (1979 ),男,博士,现任讲师,主要从事岩土方面的教学与研究工作。 E-mail: DOI: 10.13722/ki.jrme.2016.0343 地下结构截排减压抗浮概念及应用 曹 洪1, 2,潘 泓1, 2,骆冠勇1, 2(1. 华南理工大学 土木与交通学院,广东 广州 510640; 2. 华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室,广东 广州 510640) 摘要:随着地下空间
4、需求与日俱增,越来越大的地下结构体量给地下结构的抗浮设计带来严重的挑战。常规的以“抗”为主的采用抗拔桩 (锚杆 )抗浮方法往往导致经济和时间成本的大幅增加。结合实际工程,介绍一种以“截排”为主的地下室抗浮方法。方法的核心在于 2 点:一是“截” ,通过地下室周边的止水帷幕进行截水,减少基坑的涌水量,从根本上减少排水对周边的环境的影响;二是“排” ,通过在地下结构底板下设置敞口式大直径无砂混凝土减压井排水,降低水头,减小作用在结构底板上水荷载。截排联合,可控制排水带来的环境影响,增加排水减压系统的可靠性和耐久性。敞口式大直径无砂混凝土减压井组成的减压系统不易淤堵、可维修,保证减压系统长期有效运行
5、。敞口开放式的设计也使得减压系统具有应急功能,确保地下室安全。最后指出,地层中存在一定厚度的强透水对截排减压抗浮是有利条件,在此种地层条件下,截排减压对环境的影响很小,可优先考虑使用其进行抗浮。 关键词:地下工程;地下结构;抗浮;排水减压;渗流;减压井 中图分类号:TU 943 文献标识码:A 文章编号:1000 6915(2016)12 2542 07 A new anti-floatation method by drainage: concept and application CAO Hong1, 2, PAN Hong1, 2, LUO Guanyong1, 2(1. School
6、of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China;2. State Key Laboratory of Subtropical Building Science, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China) Abstract: A sharp increase in the size of underground s
7、tructures brings a great challenge to the anti-floatation design. A conventional passive method usually means a huge cost in finance and time. An efficient active method was thus proposed. The essential idea of the method is to reduce the water pressure by drainage and to control its environmental i
8、mpact by cut-off walls(curtains). The application of the method in a practical case was addressed in details with the emphasis on how to make the drainage system reliable and maintainable. The drainage system has been on service over seven years successfully. It was found that a large diameter relie
9、f well made of pervious concrete was not clogged and easy maintainable. A stratum with a strong permeable soil layer is a favorable condition for the proposed method because the environmental impact can be controlled easily. In this case, the method should be first choosed. Key words: underground en
10、gineering; underground structure; anti-floatation; drainage; seepage; relief well 第 35 卷 第 12 期 曹 洪等:地下结构截排减压抗浮概念及应用 2543 1 引 言 当前地下结构抗浮措施主要采用抗拔桩或抗浮锚杆,利用它们提供的拉力抵抗作用在结构底板上的水荷载。水荷载一般取地表高程或历史最高水位进行计算。近年来,随着城市的发展,地下空间越来越受到重视,兴建大量带有地下室的高层建筑物、地下车库、下沉式广场以及地铁、地下商场等地下结构物,在广度和深度上都在迅速扩大,这导致水荷载剧增,给地下结构的抗浮设计带来严重
11、的挑战。尤其一些纯地下结构,由于没有上部荷载与浮力平衡,其抗浮问题更为突出。采取这种以“抗”为主的被动抗浮方法往往导致经济和时间成本的大幅增加。同时,设计水位并不易确定,由于土层的复杂多变,抗拔桩或抗浮锚杆也存在较大的不确定性,稍有不慎,引起后果。如深圳宝安中旅大酒店地下室最大隆起 160 mm1、深圳某坡地建筑地下室上浮160 mm2,广东佛山永丰大厦塔楼与裙楼内庭地下室地面上拱 213 mm3,深圳布吉某仓储蓄水池最大上浮 1.5 m4、江苏利港电厂废水处理滞留池上浮263.5 mm5,海口市梦幻园商住小区裙楼地下室基础上浮 4.5 m6等。 与上述常规的被动式抗浮方法不同,另一种是以“排
12、”为主的主动排水减压抗浮方法。该方法核心是通过排水降低设计水位减小作用在结构底板上水荷载。设计水位的降低可由多种手段实现,如结构底板下设置疏水层、排水盲沟、减压井,或地下结构四周设置排水廊道。取决工程的具体条件,这些手段可以单独或组合应用。由于水荷载减少或消除,可取消大部分 (或全部 )的抗拔桩或抗浮锚杆,同时如果采用桩基,底板厚度和配筋也可大幅减少。减压的出水可做它用,足以平衡长期抽水的费用。所以,相对于常规的被动式抗浮,主动的排水减压抗浮具有巨大的经济效益。 但目前以“排”为主的方法的研究和应用尚处于起步阶段,要进一步推广和应用,有些关键问题亟待研究:比如如何有效控制排水引起的环境问题及如
13、何确保排水减压系统的长期运行的可靠性和耐久性问题。本文围绕上述关键问题,介绍截排减压抗浮的概念及其在工民建地下结构中的应用。 2 截排减压抗浮的概念 排水减压抗浮方案成功与否关键主要取决于以下 2 个因素 (要求 ):一是排水减压对周边环境的影响大小,二是排水减压系统的可靠性和耐久性。但强调“排”很多时候无法满足这 2 个要求,因为大量的排水不但会引起较严重的环境问题,而且会造成排水结构负荷增加,水力坡降增大,淤堵几率上升,从而造成排水减压系统的可靠性和耐久性下降。所以为实现排水减压的环境和可靠性要求,必须对“排”进行控制。截排减压抗浮的主要概念如下: (1) 截排联合以控制排水的环境影响 排
14、水引起的环境影响与排水量密切相关。控制排水的环境影响最根本措施在于减少排水量,在于“截” 。 “截”是控制“排”最为有效直接的措施。通过“截” ,减少排水量,减少环境影响的同时,减少排水结构周边土层的水力坡降,减少淤堵几率,增加排水减压系统的可靠性和耐久性。截水措施一般可直接利用基坑开挖时设置的止水帷幕,如地连墙,搅拌桩或旋喷桩等。由于共用,不会引起排水减压成本的额外增加。 (2) 优化排水结构以便维护和确保耐久性 减压井等排水结构通常会有淤堵问题。解决淤堵问题的解决涉及渗流破坏、悬浮细粒在多孔介质运移沉积等方面,是一个多场多尺寸问题,十分复杂,理论研究上还不成熟。追求永不淤堵,一劳永逸的排水
15、结构不现实。实践上更可行的是采取优化排水结构的工艺以尽可能减少其淤堵概率,优化构造,令其方便维护、易维修等措施来确保其长期有效运行。 (3) 选取合适的地层 由于环境影响问题,显然并不是所有的地层都适用截排减压技术。一种可优先考虑截排减压抗浮的地层特点为:地层存在地下水相对补给充分的强透水层。在具有此特点的地层中进行截排减压抗浮,基坑内外的主要水力联系通道已被止水帷幕“截”断,经绕渗进入坑内的水量相对于地层中强透水层的导水能力而言,是“小量” 。此地层中的小量失水,地层中存在的强透水层有足够的能力迅速补充,抑制坑外地层出现过大的降水漏斗,从而有效控制截排减压的环境影响问题。同时,因为进入坑内的
16、渗水是小量,能够轻易地被排水结构 (减压井等 )排走,从而有效减少作用在地下室底板上的水压力,实现减压抗浮的目的。 截排的联合,使得排水减压抗浮方法在经济、工期及环保等方面相对与常规以“抗”为主的抗浮方法拥有巨大优势。 2544 岩石力学与工程学报 2016年 3 应 用 3.1 工程概况 某世界贸易中心位于广州市,场地北面珠江,南靠黄埔涌,原始地貌为珠江三角洲冲积平原区,地面平坦开阔,地理位置如图 1(a)所示。根据勘察报告,场地地层自上而下主要可分为 4 层: 人工填土层、 第四系海陆交互相沉积层、 残积层和白垩系碎屑沉积岩。其中,第层主要为淤泥质土、粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾砂;场区砂土
17、层分布普遍,厚度较大,透水性好,富水性强。第层在多数钻孔缺失,导致砂层下基本直接强风化岩层。第层中的强风化岩风化强烈,裂隙发育。图 1(b)为其中一个典型地质剖面。 珠江 地铁 广州市国际会展中心 项目所在地 0 250 500 750 m N 2.9 m 淤泥填土 2 砂层1 强风岩+8.0 m +4.3 m 13.0 m +2.0 m 8.0 m 底板底(a)(b) 华南大桥琶洲大桥黄埔涌 图 1 项目地理位置及典型的地质 Fig.1 Location and geological condition 该中心设 2 层地下室,地下室平面基本呈矩形,长约 335 m,宽约 223 m,总周长
18、约 1 200 m,面积7.5104 m2。建筑 0.000 为绝对高程 9.20 m,整个场地平整到绝对高程 8.00 m 后进行基坑支护及开挖施工,地下室底板底绝对高程为 2.90 m。 基坑围护结构采用地下连续墙,墙底进入强风化岩层,强风化岩层风化强烈,当地下连续墙处强风化岩较厚时,地下水主要以绕渗形式进入基坑;当强风化岩较薄时,地下连续墙底处于中风化或微风化岩面,则有可能出现集中渗漏的情况。 项目上部建筑大部分为低矮的会展建筑,少量的高层建筑,下部的地下室连通。结构的基础形式为 (人工挖孔 )桩基础。 由于场地地下水位较高,正常情况其绝对高程在 5.09 7.94 m,设计水压力高达
19、110 kPa。原设计采用 1 000 多根直径为 1.2 2.0 m 扩大头的抗拔桩进行地下室的抗浮。按此方案,抗浮造价高,工期长,十分有必要寻求其他解决方案。 3.2 截排减压抗浮方案 综合考虑环境、排水结构的耐久性和可维护性等因素,截排减压方案如图 2 所示。沿地下室周边 (内缩 10 m)共布置 15 个大直径混凝土减压井。减压井内直径 1.2 m,外径 1.8 m;减压井井口高程 3.5 m,处于底板底下 0.6 m。井壁穿过砂层进入强风层 1.5 m。减压井井壁外设反滤层,上设集水井。减压井出水自溢至集水井后,由水泵抽走。各减压井单元用PVC 管相互连通,实现集水井间的抽水设备共享
20、,互相支持。 图 2 截排减压方案 Fig.2 Water pressure relief scheme 方案体现截排联合以控制环境及排水结构必须可维修以确保耐久性的思想: (1) 截排联合,控制环境影响。虽然本场地周边有地铁、会展中心等重要的构筑物,降水环境要求苛刻,同时本场地砂层较厚,渗透性强,两边临江,地下水供给充分,不利降水,但是因为有地连墙止水有效截水,有效减少坑内渗水量, 排水减压周边环境的影响不会大。 原因是基坑止水措施 (地连墙 )截断地下室内外强透水层的水力联系, 有效减少减压排水量,在有效控制环境影响的同时,减少排水结构出水量及其周边的水力坡降,减少排水结构淤堵动力源,增强
21、其耐久性。 (2) 大直径无砂混凝土减压井,具有良好的防淤性能。无砂混凝土井壁为全断面透水,渗透系数大,井周边不容易形成集中渗流,又具有一定的强度,可以作为结构构件,同时取材易,施工简单。另外,大直径进一步减少井周边的水力坡降,从构造上有效减少井淤堵的几率。北江大堤 1968 年建成的一批无砂混凝土减压井,至今运行良好,是无砂混凝土减压具有良好防淤性能的例证。 123 56789 1011121314154 335 m 入岩 1.5 m 水泵底板 格栅井盖 集水井 井间连通管 无砂砼井壁减压井井间 PVC 连接管地下连续墙 223 m第 35 卷 第 12 期 曹 洪等:地下结构截排减压抗浮概
22、念及应用 2545 (3) 减压井可维护,保障耐久性。减压井内径为 1.2 m,如发现淤堵,可进人维护,确保其长期有效运行。 (4) 敞开式井口,确保主体结构安全。减压井处的底板设口敞开,盖以铁格栅井盖,如果发生停电,地下室渗水自溢至地下室内,保证底板上下底板受力的平衡,不会引起地下室上浮事故。由于排水量小,而地下室面积大,停电 1 d 地下室的水位仅约升高 2 cm,即使停电一个月,地下室内的淹没水深仅 0.6 m。 3.3 分析计算 3.3.1 分析方法、计算模型和边界 (1) 分析方法 渗流场分析时将区域渗流场概化为多层土模型,采用越流补给关系的形式建立层间及土层与地表间的水流关系。每一
23、土层均按水平面二维渗流考虑,并假定各土层内垂直方向水头按线性分布,采用水平面二维渗流方程可建立层内的平均水头与流量关系,层与层之间取各土层厚度的一半串联形成类似于越流补给关系,地表直接由边界条件控制。 水平面二维渗流连续性方程为 0iiii ii ihhkT kTxxyy+=(1) 式中:ik ,ih 和iT 分别为第 i 层透水层的渗透系数、水头值和过水断面厚度;i 为层间越流补给或地表边界入渗、溢出项。有限元网格按统一的平面划分,每个单元为包含各层土的土柱,在每个单元内建立层间关系,通过迭代计算完成有限元求解。具体算法详见曹 洪等7的研究。 减压井点的计算采用任意三角形单元井点修正法进行模
展开阅读全文
