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水利工程专业,四种基础抗浮技术在实战中的比较

水利工程专业 一、前 言 深圳市一项目,由于基础开挖较深,结构物基础底板承受较大水浮力及水压力。为合理妥善解决地下水浮力可能带来的问题,达到安全有效、技术先进、经济合......

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水利工程专业,四种基础抗浮技术在实战中的比较

来源:未知 作者:小苹果 发布时间:2019-12-30 热度:

水利工程专业


一、前 言

深圳市一项目,由于基础开挖较深,结构物基础底板承受较大水浮力及水压力。为合理妥善解决地下水浮力可能带来的问题,达到安全有效、技术先进、经济合理、节能减碳的目标,特委托具有解决地下水浮力丰富经验的台湾中测科技股份有限公司(以下简称本公司)进行初步分析,并提出解决方案建议,以作为后续设计、施工的参考。

二、建物特性

设置6层地下室,地下室埋深约35m,开挖面积不小于2万平米。地上开放空间及建筑物裙楼区块存在基础抗浮力不足问题。依据本开发案建筑及结构初步设计基本数据所列,就本建筑物工程特性分别概述如下:

1. 项目总占地面积约20000m2,基坑周长约为500m。

2. 建筑物规划下设满铺六层地下室。

3. 基础底板位于约GL.-35m。

4. 基础型式:拟采用筏板基础,预计基板厚度1.5m。

5. 围护结构:拟采用1m厚连续墙,贯入深度约35~40m。

三、基地土层条件及地下水位状况

依据本基地岩土工程勘察报告所列数据,本基地的土层及地下水位状况概述如下:

1. 地质调查深度范围内,基地土层状况自上而下为:

地层名称及
成因代号

层厚

(m)

天然容重
γ
(kN/m3)

内摩擦角
Φ
(度)

粘聚力
c
(kPa)

渗透系数
k
(m/d)

杂填土

(Qml)

1.2~17.3

18.2

15

12

0.3

填石

(Qml)

1.2~6.0

22.0

33

5

5

填砂

(Qml)

1.1~5.7

19.0

32

/

5

淤泥质黏土 (Q4mc)

6.2~11.8

16.6

4.8

12

0.0005

含有机质砾砂(Q4mc)

0.4~6.2

19.5

32

/

3

砾质黏性土 (Qel)

18.7~53.4

18.6

24

28

0.015

全风化粗粒花岗岩(γ)

2.0~30.0

19.2

32

36

0.02

土状强风化粗粒花岗岩(γ)

4.3~47.3

19.2

35

45

0.08

基础座落于第4层砾质黏性土(Qel)层上。

2. 地下水位

A. 依据本基地岩土工程勘察报告所列数据,“钻探期间,测得稳定地下水位埋深2.80~6.40m,标高-1.43~2.89m。参考本地区建筑场地的经验数值,本场地地下水水位的变化幅度为0.50~3.00m,地下室抗浮设计水位可按室外地坪标高以下1.00m使用,且不低于深圳湾海面常年最高水位”。

B. 考虑长时期间气候变化造成之地下水位变动及连续强降雨可能造成的情况,依建物使用年限内可能最大静水压力评估,长期地下水位建议采用GL±0.00m进行分析

四、结构物抗浮方法比较

未来基地开挖及结构物地下室构筑完成,解除基地内外降水措施后,基础下方地下水位逐渐恢复,将于基底形成高额地下水浮力(水压力),以本基地基坑开挖及地下水位条件,基底水压力最大高达约30T/m2,经该压力长期持续性作用于基底,将导致开放空间及裙房抗浮力不足,并可能产生结构物基础破坏及长期渗漏水等问题。一般处理上列状况之方式可分为两类:

1. 结构性抗浮技术搭配化学药液防漏灌浆

采用结构性抗浮技术,如抗拔桩、配重法、抗浮地锚、锚杆、浮力控制区基础结构性加强等方式,以应力相抗衡方式对基础板进行锚固处理。其中抗浮地锚及锚杆多作为临时性抗浮设施及用于部分特殊需求抗浮设计中,一般性配重法大约仅能提供约4.0T/m2之抗浮力,主要还是采用抗拔桩配合基础结构性加强等方式作为抗浮设计。采用抗拔桩设计时,结构物基板仍存在高额的地下水压力,容易造成二次施工缝及混凝土裂缝渗水潮湿的问题。为克服这项问题通常采用多次性化学药液防漏灌浆作为阶段性解决方式,未来使用阶段遭遇漏水状况时再进行局部防漏处理。

2.排水抗浮工法

同样能够解有效除地下水浮力危害,但有别于采用力平衡方式抵抗地下水浮力的方法即为「排水抗浮工法」。排水抗浮工法基本原理为:利用疏导基底水压力方式,达到控制地下水浮力,减少基板裂缝及施工缝渗漏的一项工程技术。采用此类技术必须注意以下要点:

A.能够配合结构物使用年限,长时间使用。

B.不影响原有建筑设计及其功能。

C.不影响地层承载力。

D.系统不容易发生物理性或化学性堵塞。

E.不影响外围水文条件。

传统排水抗浮工法多采用倒滤层(级配料及其附属设施)及盲排搭配集水井或箱涵设计,可供短期间使用。但于长时间使用后,常出现过滤层阻塞、排水管路产生碳酸钙(CaCO3)结晶阻塞、级配层产生蠕变沉陷、局部导水功能失效等现象。

新型排水抗浮工法又称「基底减压工法」或「CMC静水压力释放层技术」(CMC Hydrostatic PressureRelief Layer Technology),其主要特色为:在基础下方建构一层厚度仅约25px,但效能高于传统级配料,兼具过滤、导水等功能的人工排水层,在不影响基础承载力条件下,搭配于结构物使用年限内具永久性功能的集水系统及出水系统,利用基础下低透水地层(土层或岩层)之透水特性,将基础下方蓄积的静态水压力转换成动态渗流压,并将渗流至基底之压力水以自然溢流方式,经过滤、汇集后经过气密式的集水系统及可控制基底水头压力的出水系统,排放到专用清水池水箱或原设计废水池中,一次性解除地下水可能造成的基板损坏及地下室严重渗水潮湿情形的一项抗浮新技术。

表4.1 传统抗浮技术与CMC静水压力释放层技术价值比较


抗拔桩

抗浮锚杆

填重法

CMC

静水压力释放层

施工时间

长

长

长

短

施工费用

高

中等

高

低

环境影响

高

高

中等

低

长期使用性

佳

差

高

佳

抵抗异常气候

差

差

佳

佳

节能减废效益

无

无

无

高

其它

具锈蚀、潜变可能

具锈蚀、潜变、预力消失可能

大约仅能提供约4.0T/m2之抗浮力

对于地层条件有一定要求

附加价值

无

无

无

排放水可作为绿化植生及景观用水

表4.2 传统排水抗浮工法与CMC静水压力释放层技术设计比较


传统排水抗浮工法

(倒滤层工法)

CMC静水压力释放层技术

基本设计模式

倒滤层开口式设计

超导水气密式设计

透水系统

针扎型土工布

一级高渗透阻留滤层

导水系统

400mm碎石级配

7mm超导水格网层

集水系统

5mm开孔PVC管外部包覆级配料及针扎型土工布

开孔率>2%PVC管外部包覆二级高渗透阻留滤层

出水系统

开口式出水管

专利气密式出水稳压系统(含地下析离气体自然排气阀)

隔离系统

膨润土

高延展塑料层

反冲洗系统

无

约2000m2一处反冲洗兼基底水压观测孔

表4.3 传统排水抗浮工法与CMC静水压力释放层技术优缺点比较


传统排水抗浮工法

(倒滤层工法)

CMC静水压力释放层技术

优 点

1.材料取得容易。

1.特殊透水、导水材料可于建物使用寿年内安全使用。

2. 一级高渗透阻留滤层可有效防止粒度≧75μm的土壤颗粒通过,保障系统不堵塞。

3.超导水格网层,导水能力高于级配料,厚度仅7mm不影响基础承载力,不产生自带沉降。

4.所有材料均具耐高压(>800kPa)、高延展特性(拉伸率>14%),不会因沉降、地震等因素造成系统失效。

5.专利气密式出水系统设计,不产生碳酸钙结晶堵塞。

6.特殊设计水压观测兼反冲洗系统,可于迅速排除堵塞问题。

7.配套「静水压力释放管工法」可于系统失效时迅速施作,维护结构物安全。

缺 点

1.较适合短时间使用。

2.针扎型土工布易受级配料刺破造成基底土壤渗入系统。

3.碎石级配夯实不均匀时,可能造成不均匀沉降。

4.膨润土隔离系统受压时易造成破坏造成导水层堵塞。

5.开口式出水系统易造成出水管碳酸钙结晶堵塞,造成系统失效。

1.主要材料欧洲订制,货运时间较长,价格略高。

其它抗浮方式比较,以抗拔桩及静水压力释放工法两类处理方法为例,进行各项优、缺点比较,经整理后,如下表所示:

表4.4 抗拔桩与静水压力释放层技术功能价值比较表

方案

项目

方案 1

方案 2

抗拔桩+化学药液防漏灌浆

CMC静水压力释放层技术

基本设计

设计需求:

开放空间及裙楼设置抗拔桩及化学防渗漏灌浆

设计需求:

开放空间及裙楼基板下方全面铺设静水压力释放层

安全与

环境

沉降量控制

1/250~1/400

1/250~1/400

施工环境影响

有噪音、交通、空气及环境污染

无

施工要径工期

>90天/2000m2

3~5天/2000m2

基底压力渗水问题(渗水长期维修)

1.基底水压力最高约35T/m2

2.构筑过程须多次进行化学药液防漏灌浆

3.建物使用年限内需不定期维修

1.基底水压力长期维持约0.2~0.5T/m2

2.静水压力释放层可完全解除铺设区域压力渗水问题

地下室潮湿问题

地下室经常性呈现高湿度

可以控制RH=60~70%,地下室不潮湿、发霉、墙面斑驳,提升建物价值

节能、减碳、环保技术

无

符合节能减碳绿能环保世界潮流,提升企业及建案形象

现场施工费用

1. 抗拔桩空打及设置费用

2. 弃土、劣质水泥清除弃置费用

3. 基板防潮防渗漏施工费用

4. 水浮力向上弯矩增加底板厚度费用及基础加强费用

「CMC静水压力释放层技术」铺设费用

节省工期对业主的额外价值

无

1. 因减少工期节省利息支出

2. 加快资金周转增加投资收入

使用期的维修费

长期的防渗、防潮湿费用

无

安全性检核

无法检核

产生结构破坏时才能发现

基底压力监测系统可定期或随机观测

观测管水位异常上升时,结构体还在安全使用范围内(具安全系数涵盖)

风险

气候异常变化,地下水位高于设计水位时,将造成结构体浮力破坏

气候异常变化,地下水位高于设计水位时,仅出水量略为增加,不会造成任何破坏

长期使用性

于地下水具微腐蚀性时,长期使用时抗拔桩钢筋可能腐蚀造成抗浮力局部丧失

地下水pH值≧2条件下可长期使用

依据长期安全使用渗透性准则设计安全系数≧10

五、「CMC静水压力释放层技术」适用性评估

依据本基地图纸所列数据计算,本工程基坑面积约为20000m2,基坑周长约为500m,地下6层,基础底板位于GL.-35m。长期地下水位采用GL±0.00m进行分析,开放空间区域(0F/6B)之荷重约为10.8T/m2,裙房区域(5F/6B)之荷重约为16.8T/m2,均远小于未来长期地下水位对基底造成之上浮力,地下水浮力对于板式基础存在产生破裂渗水、二次施工缝产生压力渗水等潜能,对于基础结构安全及使用的舒适性具有较大的影响。

要同时解除地下水浮力及潮湿渗漏造成的问题,不须额外增加结构性抗浮、加强基础设计及多次性防漏处理费用的方法,建议可采用「CMC静水压力释放层技术」处理。

1. 承载力及沉陷量分析

依据浮力控制结构物,采用「CMC静水压力释放层技术」设计时,基底土层承载力检核应满足下列要求(Technical Specification for CMC Hydrostatic pressure Relief Layer DBJ/CT077-2010):

Pc ≥DL-Pw

式中:Pc─先期固结压力。

DL─基础底板对土层的有效静荷重。

Pw ─设置CMC静水压力释放层时,为基底处的固定渗流压。

本项目基础座落于第4层砾质黏性土(Qel)层上,Pc约为29.28T/m2,基底固定渗流压暂定约为0.5T/m2,经计算:

开放空间区域(0F/6B):29.28>(10.8-0.5)=10.3符合承载力检核要求。

裙房区域(5F/6B):29.28>(16.8-0.5)=16.3符合承载力检核要求。

此外,为保障基底土层不产生长期蠕变隆起,基底土层承受应力检核应满足下列要求:

(DL-Pw) ≥ 1/4Pc

经计算:

开放空间区域(0F/6B):(10.8-0.5=10.3)>(29.28/4 =7.32),符合蠕变隆起检核要求。

裙房区域(5F/6B):(16.8-0.5=10.3)>(29.28/4 =7.32),符合蠕变隆起检核要求。

于基坑开挖时须控制不得过度超挖(一般超挖量控制在250px以内),以避免不均匀沉降产生。

2. 基底渗流量及压力分布有限元分析

由于本区块开挖时采用水密性的连续墙为围护结构,为求得平日地下水渗透量,特配合本项目的岩土勘察资料,采用GeostudioSeep/W仿真分析,以基坑区块面积25000m2、开挖深度35m、开挖断面180m×140m、地下水位GL±0.00 m、止水帷幕深度40m,进行有限元模型建立。于采用「CMC静水压力释放层技术」解除地下水浮力时,估计平日本区块地下水渗流量:

Q=6.2551×10-6(m3/s/m) ×180 (m) × 86400(s/day) +6.0089×10-6(m3/s/m)× 140(m) × 86400(s/day)

= 170(m3/day)

单位面积渗流量0.0068m3/day/m2,符合单位面积渗流量≦0.03m3/day/m2的设计要求,适用「CMC静水压力释放层技术」执行。

经数值分析,于上列各项条件下,采用「CMC静水压力释放层技术」解除地下水浮力时,均能维持基底压力为设计值。有关基底渗流量及压力分布有限元分析结果,如附录一所示。

3. 静水压力释放后基地外围地下水泄降影响分析

由于本基地基础座落于第4层砾质黏性土(Qel)层,该土层为弱透水地层且分布较厚,依据细颗粒土壤(finegrain soil)地层建筑物基底降水影响,基底外围影响范围可依据SichartMethod进行分析,水位泄降面可依据HyperbolicModel进行模拟。

依据等效地层选用断面进行分析,在水密性围护结构确实施工条件下,本基地采用「CMC静水压力释放层技术」解除地下水浮力时,外围地下水位影响水平距离27.73m,离开挖面1.5m位置水位泄降高度<0.1m ,小于常态性季节变化水位高程变化量,可视为对于区块外围地下水位高度没有影响。

「CMC静水压力释放层技术」系于基板素混凝土下方铺设静水压力释放系统及集水系统等,使地下水压力转换为动态渗流水压,并永久保持基底水压力约为0.2~0.5T/m2,藉以一次性解除地下水浮力可能造成的基板损坏及地下室渗水潮湿情形。本技术由台湾中测科技股份有限公司开发,主要材料及零件委托欧美专业厂商订制,符合长期使用安全,能够确保建筑物使用期限内「CMC静水压力释放层技术」绝对有效。有关「CMC静水压力释放层技术」介绍,如附录二所示。

六、「CMC静水压力释放层技术」初步设计

由于本项目目前尚处于设计阶段,藉由现有规划数据,秉持安全、经济、技术优化原则,进行初步设计如下。

1. 静水压力释放层配置

本工程地下室占地面积约20000m2,其中开放空间及裙楼等浮力控制区域的面积约为20000m2。于采用「CMC静水压力释放层技术」专用欧洲订制特殊一级高渗透阻流滤层(透水率约112.5px/s;O90约85)及超导水格网(导水量3.4×10-3~3.8×10-3m3/s/m)材料条件下,以本区块地下水渗流量170m3/day评估,当基础下方全面铺设CMC静水压力释放层时,透水系统安全系数大于10以上,符合使用期长且服务性高的工程滤材国际渗透性准则要求,及「CMC基底静水压力释放技术规程」(DBJ/CT177-2013)的规定。

2. 出水系统数量配置

本工程依据最大基底渗水量配合基地面积因素分析,以出水系统容许出水量安全系数≧3进行设计,配置5组以上气密式出水系统,每组出水系统搭配主要及备用系统各1组。可符合本系统长期安全使用要求。

七、「CMC静水压力释放层技术」的价值

1.初步估算约可节省地下室底板厚度1250px,即节省混凝土约9500m3;节省抗拔桩数量约为1200根,桩径1m,有效桩长35m;减少挖深基坑1250px,即节省土方量约9500m3。

2. 基础底板永久不会上浮变形,保持地下空间清爽,减少补漏,防渗费用支出。

3.不需要短、中、长期的地下水渗漏维修费用。

4.基础全部改为压力控制,降低差异沉陷。

5.解除基础接口渗水问题。

6.缩短基础构筑降水时间。

7.不因地下水腐蚀性造成抗浮防渗功能失效,可永久性使用。

8.天气剧烈变化连续强降雨时,不会因原设计抗浮力不足造成结构破坏。

9.工期短,可以减少贷款利息支出,并提升资金周转效益。

10.提升建筑物地下空间质量,提升建筑物价值及开发、设计、营造等单位企业形象。

11. 自然渗流的地下水可经特别储流设计可作为绿化植生使用,体现绿能环保观念。

12. 可配合结构优化设计,降低施工成本。

八、执行费用及相对效益评估

就「CMC静水压力释放层技术」执行费用、节省费用及执行时间评估如下:

CMC静水压力释放层技术

备注

含材料、设计、施工、保证等费用

*约人民币15,200,000元

以每平方公尺800元/m2铺设估算

基底防水费用节省

减少90%以上费用

节省工程造价约950,000 元

因基底水压力解除或降低节省的防漏费用

节省抗拔桩费用

节省工程造价约 58,782,600元

1.可取代纯抗拔桩约1188根

2.所列费用1000mmφ×35m钻孔灌注桩估计

3.综合单价按1800/m3元估算

节省地下室底板厚度费用

节省工程造价约 11,400,000元

1.预估地下室底板厚度1.5m

2.至少可减少地下室底板厚度0.5m

3.综合单价按1200/m3元估算

开挖土方及弃土节省

基板厚度减少,减少土(岩)方开挖 9500 m3

节省工程造价约 570,000元

因基础厚度减少,降低土方开挖量产生的效益(须由设计院评估后变更)

节省施工时间(与抗拔桩比较)

至少节省90工作天

1.本项目现场执行开挖土方、维护结构、抗拔桩施作、基版组立浇注等项目节省要径工期

2.节省时间可换算本项目节省利息支出及提早运营获益

长期维护费用节省

减少100%(不须维护费用)

节省维护费用约 7,600,000元

1. 可长期使用不需要维护

2. 以使用50年基板渗水、潮湿维护费用评估

减少碳排放量

节省碳排放量26005t


注:

1. 以静水压力释放层技术执行面积19000m2估算。

2. 节省费用部分,指与传统结构性抗浮施工方式比较概估节省费用。

3. 基板厚度、开挖土方量、围护结构贯入深度减少等、须依照设计院实际分析及评估可行性后确定。本比较表仅提出项目及内容以及以往经验值提供参考。

以执行面积2000m2计算,初期规划开放空间及裙楼采用「CMC静水压力释放层技术」铺设优化设计,保守估计可节省约人民币64,102,600元(已扣除「CMC静水压力释放层技术」统包施工费用;节省施工时间效益尚未列入评估)。

九、结论与建议

依据本基地相关岩土勘查及初步设计数据进行分析,提出结论与建议如下:

1. 传统抗浮设计多采用抗拔桩、抗浮锚杆、配重法等方式解决地下水浮力的影响。但因本基地开挖深度较深,基底水压力较大,采用配重法无法有效平衡基底浮力,采用抗拔桩则具有工期长、长时间潜变(粘土层特别明显)等情况,且持续存在的水压力势必造成最下层地下室持续性潮湿、渗漏等问题。建议采用通过国家科技成果鉴定的「CMC静水压力释放层技术」铺设方式处理,同时解除地下水浮力及潮湿、渗漏危害。

2. 本基地地层搭配结构物工程条件适合采用「CMC静水压力释放层技术」解除本建筑区块产生的浮力破坏及最下层地下室潮湿渗漏问题。于要径工期、执行费用及施工现场影响性降低等,均较传统结构性抗浮技术具备优势。造成的环境污染、材料及能源消耗较结构性抗浮技术低,具有显着的节能减废效益。

3. 本结构物基础座落于第4层砾质黏性土(Qel)层上,依据本开发案岩土勘察报告及初步设计基本数据合理分析,采用「CMC静水压力释放层技术」铺设解除地下水浮力后,本项目结构物基础承载力、长期蠕变隆起及基底土壤条件均符合技术规程(DBJ/CT177-2013)设计要求。

4. 本基地采用「CMC静水压力释放层技术」铺解除地下水浮力后,平日本区块地下水渗流量约为170m3,单位面积渗流量0.0068m3/day/m2。符合单位面积渗流量≦0.03m3/day/m2的技术规程设计要求。

5. 「 CMC静水压力释放层技术」 具备复合性效益,于适当条件下可同时节能减碳、基底防渗漏、缩短工期等多项施工费用。当采用全面铺设但仅取代单纯抗拔桩设计状况下保守分析,即有明显的节能减碳及施工时间节省效益。建议开发商、设计院专家于评估时将所有产生价值同时列入考虑,以降低建案执行成本,提升各单位获益。

计划主持人: 章致一 (土木开业技师)

资料整理: 李明书、李立兵、刘维扬

台湾中测科技股份有限公司

上海预安企业管理咨询有限公司

台湾中测深圳办事处

2013年 12月

水利工程专业


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