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地表水抗浮問題淺析
隨著城市建設的高速發展，地下空間的利用越來越受重視，隨之而來，地下工程的抗浮問題愈發凸顯。當建筑物結構自重較輕，埋置較深，且地下水位較高時，如抗浮措施不足，水浮力將大于自重和抗浮承載力之和，導致整體抗浮穩定失效，地庫上浮所產生的破損案例也屢見不鮮。為了保證結構的穩定性和正常使用，地下室抗浮問題越來越受到工程人員的關注。
適逢近日華東地區進入梅雨季，因暴雨引起工程抗浮事故的幾率增加。本期創新工作室就由地表水流入產生的抗浮問題及其預防作簡單的介紹，探討讓設計與施工更好的融合。
地表水抗浮問題容易被忽視
01
地下水位的升高不無外乎有兩個原因：一是周邊場地地下水的滲入，二是地表水的流入。設計單位一般認為抗浮的關鍵在于地勘報告中的抗浮設計水位的確定，而對地表水的流入卻容易忽視，那是什么原因呢？
地勘人員：基坑開挖后地下水位受地表水流入難以監測，所以一般不會提及施工期間的抗浮設防水位。
設計和審圖人員：認為施工抗浮措施屬于臨時措施，應由施工單位考慮。設計僅考慮正常使用下的抗浮設計即可。
施工人員：對地表水作用認識不足，當地下室地基為不透水的巖層且基坑四周有嚴密的支護時，認為既然圖紙有抗浮設計，不用采取額外抗浮措施。
什么是肥槽？
02
在討論施工期間的抗浮問題前，我們先要解釋一個基坑施工時常會聽到的工程術語——肥槽。
肥槽指的是承臺、地下室外墻與基坑側壁之間的空間，也就是為施工作業面多開挖的一部分基坑。一般情況下，肥槽寬度為0.5~1.2m。肥槽露天布置，平時非常容易積水，因此常在肥槽底部設置排水溝、集水井等用于匯集和降水。
在建筑地下結構完成施工后，就要用回填材料將肥槽填平至自然場地標高。
什么是水盆效應？
03
地表水流入肥槽如何影響地下結構？要解釋其中原理，就要了解什么是——水盆效應。
上節已經解釋了基坑肥槽，在肥槽回填前，當出現暴雨時，地表水經肥槽流入建筑基坑四周進而滲入地下室底板下部，形成積水區。此時基坑就是一個大水盆，建筑物的地下室猶如一個小水盆，浸泡在大水盆中，由此產生的浮力如果大于地下室自重與抗浮措施形成的抗力之和，就會造成結構損壞，這就是水盆效應（見下圖）。
▲地表水流入肥槽引起水盆效應
▲水盆效應原理
需要注意的是，當對基坑支護采用SMW工法等租賃材料時，建設單位往往急于回填肥槽，拔出型鋼。此時尤其應該注意回填土質量和降水要求。因為即便肥槽已經回填，如果對回填材料選擇不當，或對回填土沒有進行認真的夯實處理，未能形成不透水帶，基坑降水又沒到位，同樣會產生“水盆”效應！
如何避免水盆效應？
04
如何才能避免水盆效應？從以下幾個方面進行嚴格把控是關鍵：
1、合理確定施工期間的抗浮設防水位，并驗算抗浮穩定性。此抗浮設防水位，不應只考慮場地的原始水文地質情況，也要考慮基坑開挖后地表水流入帶來的影響。同時，驗算施工期間的浮力時，應將上部建筑荷載調整為施工期間的荷載，也就是在允許停止人工降低地下水位時的建筑物實際荷載，一般需扣除覆土。
《建筑工程抗浮技術標準》（JGJ476-2019）
5.3.2（條文說明）
……
雖然施工期比較短，但基坑、基槽的暴露可能積水，加之可能受地下水補給、排泄條件改變的影響，且此階段可以抵抗地下水浮力的上部結構荷載尚未施加完成，因此，施工期抗浮設防水位的確定也應綜合考慮勘察時實測的場地水位、預計施工期的雨期地下水高水位和近3年～5年最高水位的最不利工況。
2、當施工期間的抗浮穩定性驗算不能滿足時，應采取合理的抗浮措施。施工期間一般采用排水限壓法對基坑進行降水，常用的基坑降水方法有：明溝加集水井降水、輕型井點降水、噴射井點降水、電滲井點降水、深井井點降水等。注意《建筑工程抗浮技術標準》對基坑降水有嚴格的要求：
《建筑工程抗浮技術標準》（JGJ476-2019）
8.1.2 抗浮工程施工應具有下列條件：
……
3 場地地下水水位不應高于地下結構底板底面下1.0m，且波動幅度不應大于0.5m；
同時，應特別注意對停止基坑降水時機的選擇，很多抗浮事故發生的原因就是在地庫頂板覆土完成前停止基坑降水，此時一旦地下水位接近抗浮設防最高水位，水浮力將大于全部抗力之和，勢必會引發工程事故。
3、若設計選定的使用期抗浮水位顯著低于頂板覆土面標高時，基坑肥槽回填應考慮抗浮要求。
我們先看看相關規范、標準對肥槽回填的要求：
《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）
12.2.6 高層建筑地下外圍回填土應采用級配砂石、砂土或灰土，并應分層夯實。
▲注：這個要求可解決結構地下側限問題，但無法預防地表水侵入形成的水盆效應。
《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）
8.4.24 筏形基礎地下施工完畢后，應及時進行基坑回填工作，填土應按設計要求選料，回填時應先清理基坑中的雜物，在其兩側或四周同時回填并分層夯實，回填土的壓實系數不應小于0.94。
《地下工程防水技術規范》（GB50108-2008）
10.0.6 明挖地下工程的混凝土和防水層的保護層驗收合格后，應及時回填，并應符合下列要求：
1 基坑內雜物應清理干凈、無積水。
2 工程周圍800mm以內宜采用灰土，粘土回填，其中不得含有塊石、碎磚、灰渣、有機雜物以及凍土。
3 回填施工應均勻對稱進行，并應分層夯實?！?br /> 《建筑工程抗浮設計標準》（JGJ476-2019）
6.5.5-3 基坑肥槽回填應采用分層夯實的粘性土、灰土或澆筑預拌流態固化土、素混凝土等弱透水材料。
以上諸多規范、標準都提到了基坑肥槽回填問題，但規范僅僅是從專項設計角度對回填土提出要求，大都沒有綜合考慮地下室結構側限及水盆效應問題，只有《建筑工程抗浮設計標準》提出的回填材料兼顧到了側限及避免水盆效應的材料要求。
從預防水盆效應的角度分析，首先就要避免肥槽形成積水區，故不能用砂石，而應采用灰土、黏土、黃土回填并分層夯實，或采用預拌流態固化土、素混凝土、毛石混凝土回填，形成不透水層，以避免建筑物因地表水流入肥槽形成水盆效應引起抗浮失效，同時也起到對地下室的抗震側限作用。
從工程成本角度分析，由下表可以看出，素土與灰土、預拌流態固化土回填成本相差懸殊，采用素混凝土價格更無法接受，由于肥槽回填土方量較大，實際工程中往往僅此一項工程成本就可相差幾十萬甚至上千萬元。這就需要我們在設計選材時，必須結合工程各種邊界條件，選擇安全可靠、經濟合理的回填材料。
▲各類回填土的經濟性分析
總結
05
工程實踐表明，對地表水流入產生的抗浮問題必須引起重視，僅僅滿足理論設計要求不一定合適，需要結合工程各種邊界條件提出切實可行的回填方案。同時設計也應提出對降水的全面預防措施，我們建議做到以下幾點：
（1）地下結構外圍周邊地表應設置混凝土等弱透水材料封閉帶，范圍宜擴至地坑肥槽邊緣以外不小于1m。
（2）場地應設置滲水井、排水盲溝及泄水溝等，形成有組織排水系統。
（3）基礎底不得設置透水性較強的材料墊層，超挖土方宜采用混凝土或預拌流態固化土等回填。
（4）給排水管道的接口、溝、涵等應采取防滲漏措施。
設計管理者應做好設計與施工的結合，杜絕設計盲區，深度思考安全問題，確保建設工程的安全可靠、經濟合理。
