地下水浮力对地下建筑结构安全的影响
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摘要:在本文中,笔者首先研究地下水水位下降对建筑结构的影响,然后分析地下水位下降对建筑地基的影响,最后提出应对措施。
关键词:地下水 浮力 建筑结构 影响 措施
伴随城市地下建筑的增多,由地下水浮力引起的工程质量事故、造成严重经济损失的案例也逐步增多,房屋的抗浮问题也因此得到研究人员更多的重视。
一、水位下降对结构的影响
中国建筑科学院钱力航教授指出,对地下水位变化趋势的正确评估,是考虑地下水浮力的前提,为了使地下水下降带来的不利的影响得到避免,在对地下水位计算时必须依据常年稳定的地下水位:
第一、在对上部结构减负作用方面,由于地下水水位下降,水的浮力较小,则也相应地减少了对上部结构的减负作用;
第二、对于地基承载力特征值的修改方面,在地下水水位下降后,增加了在下降段土的重度,增加了地基承载力特征值的修正。这个差值对建筑结构有着巨大的影响。
现假设一工程,来分析地下水水位下降对建筑结构的影响。
工程条件:
1、设d为工程的基础埋深;2、设b为基础宽度,b>3;3、设x为地下水位于室外地面之间的距离;4、设fak为地基承载特征值;5、设土的重度区位为18kN/m3;6、设土的浮重度区位为8kN/m3;7、rm为基础地面以上图的加权重度。
根据《建筑地基基础设计规范》,得出:
rm==+8
F浮=r水(d-x)=10(d-x)
令p’= ,
注:(1)F表示的是上部结构基础顶面的竖向力;
(2)G为基础自重和基础上的土重之和。
基础地面的压力:p=p’-F浮=p’-10(d-x)
则修正后的地基承载力特征值和基础地面压力之差为:
Fa-p
=
=fak+24b+d(+8)(d-0.5)-p’+10d-10x
=fak+24b+8d(d-0.5)-p’+10d+10x[-1]
令fak+24b+8d(d-0.5)-p’+10d=A(常量),
令10[-1]=B
则fa-p=A+Bx(fa-p)是变量x的单调函数。由《建筑地基基础设计规范》表5.2.4,参数d=1.0或d≥1.2。
第一、当d=1.0时B<0,(fa-p)是变量x的减函数,也就是说,当地下水水位下降时,Fa-p即修正后的地基承载力特征值与基础地面压力之差也随着下降,这时应该按照常年水位变幅的低水位值来考虑水位下降对建筑结构的影响;
第二、当d≥1.2时,高层建筑基础的埋深均能使得B>0,则(fa-p)是变量x的增函数,也就是说,当地下水位下降时,Fa-p即修正够的地基承载特征值与基础地面压力之差反而增大,这时,就要考虑数位下降对建筑结构的影响就要参照常年水位变幅的高水位值来进行。
土质有各种分别,通常,以下几种类别的土作为建筑物的地基持力层不合适:第一、淤泥和淤泥质土;第二、人工填涂;第三、符合e≥0.58或者IL≥0.86要求的粘性土。
因为根据《建筑地基基础设计规范》中标5.2.4,当土的类别为以上三种土时,d=1.0、B<0;
如果采用其他图作为建筑物地基持力层时,通常,d≥1.2,这时如果基础埋深>0.5,则B>0。
所以,如果地基为天然地基,那么,从理论上来讲,如果地下水水位下降,那么,就会加大修正后的地基承载力特征值和基础地面压力之间的差值,对于承载力涞水,这时的水位有利于建筑结构,那么采用常年水位变幅的高水位值对建筑结构进行设计是在安全范围内的。
二、对减小地下水浮力对工程结构影响的建议
(一)对于如何利用水浮力的问题,在有关的任何标准都没有一个统一的表述。这就使得,在进行使用的时候机构工程师无法准确的掌握和利用。
因而,笔者建议,取消“取有效重度”而采用“总竖向力中扣除地下水浮力”,以便机构工程师能够更好地对标准进行把握。
(二)对于埋深较大的筏形基础和箱形基础,原则理论上应考虑地下水浮力的作用,不考虑则偏于保守。合理的利用地下水浮力可以扩大天然地基的应用范围,节省费用,缩短工期,其经济效益非常可观。
(三)对于埋深较大的筏形基础和箱形基础,当基础地面标高在地下水位以下时,水位下降,则修正后的地基承载力与扣除地下水浮力后的总竖向力(p-P’)的差值即fa-(p-P’)增大,对结构有利。设计时,除一般规定,应按以下要求验算地基强度、地基变形、基础承载力:
第一、地下水位应严格按照勘察报告提供的“常年水位”并去响应的水浮力、修正后的地基承载力特征值。如果此时经过减负后的基础地面压力值小于修正后的基础地面压力值小于修正后的地基承载力特征值,则可认为地基持力层满足地基承载力要求。
第二、当地下对位在常年最高水位与基础地面标高之间变动时,则可认为已经满足常年稳定地下水位要求。此时产生沉降的附加应力p0(对应于荷载效应准永久组合时的基础地面处的附加应力)为常数,地下水位下降对地基变形无影响。如遇南水北调等等特殊情况使得该长区地下水位超出常年最高、最低水位,则应另行评估地承载力合地基变形。
第三、在进行基础底板强度计算时,基层净反力等于地基反力加上地下水浮力然后减去基础自重。
第四、计算地基承载力时,荷载效应应采用标准组合;验算地基变形时,荷载效应应采用准永久组合;基础承载力计算时,荷载效应应采用基本组合。
参考文献:
[1] 孙梅英:既有地下结构物抗浮加固措施 [D] 华中科技大学,2007 .
[2] 杨燕艳:对大型地下结构抗浮桩的设计研究 [J] 大众科技,2005,(05) .
[3] 刘云飞,周淑玲:地下工程抗浮设计与施工中问题的讨论 [J] 工业建筑,2005,(S1) .
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