坡地建筑主动抗浮设计方法及应用

坡地建筑主动抗浮设计方法及应用

李建功①，杨雪磊②，刘铸民③

云南营造工程设计集团有限公司，云南 昆明 650000；②西北综合勘察设计研究院云南分院，云南 昆明 650000；③昆明经济技术开发区投资开发集团有限公司云南 昆明 650000

【摘要】抗浮设计是地下建筑设计的一个重要内容，现今行业内主要采用抗浮桩、抗浮锚杆等增加抗浮承载力的被动抗浮措施作为主要的抗浮措施，而忽略了截、排水减压等主动抗浮措施在工程中的重要地位。本文针对斜坡地段地下建筑采用排水减压作为主要抗浮措施的可行性进行分析并结合工程实例进行设计方法探究。

【关键词】坡地建筑 主动抗浮 排水减压 盲沟

中文分类号：TU470 文献识别码：A 文章编号：

0引言

近年来国家经济增长迅速，城市化进程加快，地产行业蓬勃发展，为提高有限的土地资源利用率，城市建设逐步向高层建筑及多层地下建筑发展，另外城区相对平坦的建设用地随着土地商业开发的增加而逐渐减少，商业开发土地逐渐边缘化，山坡地段依山就势的建筑物也逐渐增多。

随着地下建筑的层数增加，地下建筑的埋置深度大幅增加，如何在确保抗浮安全的前提下尽可能节约建设成本及公共社会资源受到了行业内的广泛关注和研究。

1坡地建筑主动抗浮措施及原理

地下建筑抗浮措施分为主动抗浮措施及被动抗浮措施，通俗来说分为“疏”和“抗”两大类。“疏”即通过相应的排水或隔水措施将地下水位降低，进而减小地下工程所受到的水浮力。“抗”即通过增加结构自重或者设置抗浮构件来抵抗地下工程所受到的水浮力。

坡地建筑一般采用依山就势的建设方式，尽量避免产生过大的土方挖填量，地下建筑临近坡脚一侧存在局部临空，临空侧通常为城市道路并设有完整的排水系统。斜坡地段的地下室进行抗浮设计时，勘察报告提供的抗浮水位一般为分区抗浮水位或给定一个相对于室外地面一定埋深的抗浮水位，地下水对基础底板产生的水浮力为非均匀荷载，通常设计师选择偏保守的处理方式，在计算软件中按有限元划分好的网格单元分区域输入线性变化的水浮力荷载，并在抗浮水位较高的区域增加配重或设置抗浮构件来进行抗浮设计。实际上，由于斜坡地段的特殊性，可以考虑设置主动排水措施降低抗浮水位较高区域的水头，使抗浮水位在整个地下建筑范围内趋于一致，这种做法设计简单，且随着抗浮水位的降低，基础建设成本也随之降低。

2坡地建筑主动抗浮措施

常见的坡地主动抗浮措施为排水减压法，该方法是通过设置排水设施将地下水位降低至一定标高，甚至降至基础底面以下，以减小甚至消除地下建筑所受到的水浮力。根据排水方式的不同，目前常用的排水方法有三种。

（1）通过排水减压装置将地下室外的地下水引入至排水系统，再经由排水系统将地下水排至雨污水管网内。具体做法是在地下室的侧墙和底板的特定位置，按照一定的间距埋设过水孔，然后在地下室侧墙和底板外侧过水孔处铺设一定面积的滤水层，滤水层通常使用不同粒径的碎石组合，同时在过水孔内安装泄水减压装置（目前市场上已有成品泄水减压装置且包含了滤水层，使该方案在施工过程中更加便利），通过泄水减压装置将渗入到滤水层中的水引到室内排水沟中，从而实现减小或消除地下水对地下室的浮力影响，起到抗浮作用。

（2）在地下室外墙周围一定高度设置排水盲沟，并与市政管网相连，利用重力排水将地下水引入市政排水系统或附近河流，将地下水位降至盲沟的标高，结构抗浮设计仅需考虑盲沟标高以下的水浮力。当地下室平面较小时，地下室周围的排水盲沟可以有效降低基坑范围内的水位；当地下室平面较大且水量较大时，地下水有可能绕过排水盲沟对底板结构产生不利影响。

（3）在地下室基础底板以下和外墙四周均设置排水盲沟，底板下的盲沟和外墙四周的盲沟交汇相通，最终将地下水引入市政排水系统或附近河流，将地下水降至基础底板下，从而消除基础底板所受水浮力，解决抗浮问题。

3工程案例分析

3.1工程概况

以 玉溪市某项目为例，该项目场地北高南低、西高东低，西侧为市政道路。以该项目1#地下室作为典型分析对象，该地下室为两层，其中负二层全埋，负一层三面围合，西侧临路敞开；地下室沿南北向结构找坡，坡度2.8%，地下室上部为10栋多层及小高层建筑单体，顶板覆土为1.4m。

图1 地下室概况

场地主要地质况如下：

①层—填土：未经过碾压，结构较松散，土质不均匀，欠固结，局部地段分布；

①₁层—耕植土：结构松散，以可塑～硬塑状粉质粘土为主，含大量植物根系，土质不均匀，主要分布于场地东侧边坡坡顶地段。

②层－粉质粘土：坚硬状态为主，局部硬塑状。状态及力学强度一般。透水性差，属相对隔水层。

②₁层－粉质粘土：以可塑状态为主，局部软塑状态，中等压缩性为主，局部为高压缩性。状态及力学强度较差。透水性差，属相对隔水层。

②₂层－粉土：稍湿～湿，中密～密实状态，局部地段渐变为粉砂，含9～42.3%左右砂岩圆砾、卵石。状态及力学强度较好。1#地下室开挖后基底部分地段分布该层，部分地段为粉砂，渗透性及富水性中等，渗透稳定性差。

②₃层－卵石：饱和，中密～密实状态，中等压缩性，土体物理力学性能较好，自稳性能较好，为基坑侧壁的组成土体；渗透性及富水性中等，为基坑开挖影响深度范围内的相对含、透水层。

典型地质勘察剖面见图2。

图2 1#地下室典型地质剖面图

场地处于地下水的补给、径流区。拟建场地自北向南逐步降低，自东向西逐步降低，地下水径流方向与地表水径流方向一致，自东北向西南。

3.2基础设计

地下室基底位于②₃层卵石，该层fak为260KPa，地下室上塔楼均为多层或小高层，卵石层可满足设计荷载荷载要求，可用筏板基础，筏板厚度0.6米。

3.3抗浮设计

勘察报告提供的抗浮水位为1658.5～1668.5,抗浮水位西侧与市政道路标高相近,东侧略低于室外地坪标高,抗浮水位标高顺应地下水现状标高及径流路径，自东向西逐步降低，由北向南逐步降低。根据场地水文地质条件,在地下室的东侧及南侧、北侧地下室周边设置盲沟、检查井等主抗浮措施,东侧盲沟坡度同地下室结构坡度2.8%,盲沟底标高设置于地下室负二层顶标高以上，盲沟在合适位置设置集水井,通过排水沟将集水井内水排至室外总坪雨水系统,以此将地下水降至1658.5~1665.2标高，结构设计时将盲沟底标高作为地下室水位标高进行抗浮设计,抗浮设计时按固定水头4.2m进行抗浮设计。

水浮力为4.2x9.8=41.16KN/m²，地下室层平均自重取13KN/m²，纯地库部分结构自重为(0.6x25）+(13x2)+(18*1.4*0.9)=63.68 KN/m²,抗浮安全系数为63.68/41.16=1.54，结构依靠自重即可满足抗浮要求，并留有一定安全储备。

3.4盲沟排水系统设计

抗浮盲沟排水系统主要由侧盲沟、自溢排水出口、检查井、沉砂池等部分组成。其中侧盲沟由基坑肥槽内回填的不同粒径碎石、粗砂等滤料和设置于侧盲沟内部的排水盲管组成。

盲 沟排水系统平面布置图见图3所示。

图3盲沟排水系统平面布置图

盲沟断面、出水口断面及检查井做法大样见下图。

图5盲沟出水口断面图

图4盲沟断面图 图6 检查井做法大样

地下室回填，基坑停止降水时，地下水上涌，当地下水达到盲沟标高处时，水通过侧盲沟滤水后沿侧盲沟坡度排泄至出水口沉砂池，最后汇入西侧市政道路雨水系统。

3.5基坑涌水量及盲沟排水能力计算

根据建筑基坑支护规程，基坑用水量按下式计算

(1)

式中：Q为基坑降水总用水量（m³/d）；K为渗透系数取1.36m/d；H为潜水含水层厚度取6.0m；S_d为基坑地下水位设计降深取3.3m;R为降水影响半径取28.57m；r₀为基坑等效半径取71.5m。计算得Q=364.71 m³/d=4.22x10^-3 m³/s。

盲沟排水能力计算,计算包括依据设计流量确定沟和管所需的断面尺寸及流速是否在允许范围。

(2)

(3)

式中：Q₁为盲沟的泄水能力(m³/s) ;v为盲沟内的平均流速(m/s); A为过水断面面积( m2 ) ; n为盲沟的粗糙系数，按0.027取用;R为水力半径(m)，由于盲沟管一般采用圆形；R=d/4，d为支管管径;I为水力坡度，可取用盲沟的底坡2.8%。

盲沟管径取300mm，计算得v=0.607m/s;

Q₁=4.29x10^-2 m³/s,排水能力远大于设计流量。偏于安全考虑，不减小管径。

3.6排水盲沟施工要求及维护要求

盲沟管选用DN300HDPE钢带增强螺旋波纹管，坡度同地下室负二层顶板坡度， 管上方1/3区域内开孔Φ10@100X100梅花型孔眼；滤水层砂石含泥量不得大于2％；检查井内径1米，设置间距不得超过50米，转角处必须设置。滤水层应分层铺填，用平板振动器仔细捣实，不得用碾压的方法，以免将石子压碎，阻塞渗水层。施工时应将水位降低至滤水层下，不得在泥水中铺设滤水层，施工完的渗排水系统应保持畅通。

盲沟需定期进行检查并做记录，每年不得少于4次（雨季前、中、后期各一次，冬季一次。）。如发现排水管堵塞立即清淤。如发现水位高于设计抗浮水位时应立即组织抽排。

4结语

斜坡地段建设的地下室或一面临空的地下室，当临空面存在较成熟的市政排水系统时，可优先采用主动抗浮措施排水减压降低抗浮水位，依靠结构自重满足抗浮要求，相较于设置抗浮桩或抗浮锚杆作为主要抗浮措施在经济性及施工便利性上有巨大优势。

主动抗浮措施需根据场地水文地质情况及周边环境等因素综合考虑，不能盲目采用，以免造成次生危害。抗浮措施需构造简单且易于实施，后期维护方便。

参考文献：

[1]中国建筑科学研究院.JGJ120-2012，建筑基坑支护技术规程[S]．北京：中国建筑工业出版社，2012．

[2] 中交路桥技术有限公司. JTG/TD33-2012，公路排水设计规范[S].人民交通出版社，2013.

[3] 中国建筑西南勘察设计研究院有限公司. JGJ 476-2019，建筑工程抗浮技术标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2019．

[作者简介]

①李建功，云南营造工程设计集团有限公司，高级工程师，E-mall:395645046@qq.com

②杨雪磊，西北综合勘察设计研究院云南分院，工程师，E-mall:310047908@qq.com

③刘铸民，昆明经济技术开发区投资开发集团有限公司,高级工程师，E-mall: 13888502691@139.com。