关于结构抗浮设计的若干问题探讨毕业论文
2020-02-16 11:02
摘 要
随着我经济的快速发展，城市化程度也随之加深，土地资源的紧缺问题也日益暴露出来。面临这种现状，谋求发展空间的人们开始了地下空间利用的探索。然而由于土体性质的多样性与复杂性，这种探索面临许许多多难题的挑战。其中，以地下水的浮力问题最为突出。
基于以上的现状，本文从现有规范关于抗浮问题的规定的不足之处出发，结合前人的研究成果，讨论分析了浮力产生的机理，认识到浮力问题的本质在于孔隙水压力作用，而孔隙水压力的预测与求解需要依靠渗流分析的帮助。本文依靠文献资料的梳理，总结了目前的抗浮研究的现状与趋势，以及目前的主要抗浮措施的类型，分析了它们的优势与局限性。
关键词：抗浮水位；孔隙水压力；渗流分析；抗浮措施
Abstract
With the rapid development of China's economy and the development of urbanization, the shortage of land resources is increasingly exposed. Faced with this situation, people who seek for development space begin to explore the use of underground space. However, due to the diversity and complexity of soil properties, this kind of exploration faces many challenges. Among them, the buoyancy of groundwater is the most prominent problem. Based on the above situation, this paper discussed and analyzed the mechanism of buoyancy based on the deficiency of the existing regulations on anti-buoyancy and the previous research results, and realized that the essence of buoyancy problem lies in the role of pore water pressure, and the prediction and solution of pore water pressure need the help of seepage analysis. Based on the literature review, this paper summarizes the current status and trend of anti-floating research, as well as the main types of anti-floating measures, and analyzes their advantages and limitations.
Key words：anti floating water level；pore water pressure；seepage analysis；anti-floating measures
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目 录
第1章 绪论 1
1.1选题背景 1
1.2抗浮设防水位的选取 1
1.2.1抗浮设防水位的概念 1
1.2.2对于抗浮水位的研究 2
1.2.3规范中关于抗浮设防水位的规定 3
1.3研究内容及研究方法 4
第2章 关于地下水浮力机理的探讨 6
2.1地下水类型 6
2.2地下水渗流规律 6
2.3孔隙水压力与有效应力原理 7
2.4浮力产生机理 7
2.5浮力产生过程的描述 8
2.6土体渗透性对浮力的影响 8
2.6.1砂性土中的浮力 8
2.6.2粘性土中的浮力 9
第3章 浮力计算 12
3.1阿基米德原理 12
3.2多个含水层浮力计算 12
3.3渗流分析法 14
3.4工程实例 14
第4章 抗浮措施抗浮机理的研究 16
4.1主要抗浮措施机理 16
4.2抗浮措施的优势与劣势及施用场景 16
4.2.1被动抵抗型的抗浮措施 16
4.2.2主动消除型的抗浮措施 17
第5章 总结与展望 19
参考文献 20
致 谢 21
第1章 绪论
1.1选题背景
随着我国经济的高速发展，城市化进程也搭乘经济快车迅猛向前。近几十年来，建筑的规模体量不断增大，地上空间的发展空间越来越小，向地面以下寻求更大的生存空间，已是人们普遍的共识。但是，地下空间相比地上空间面临更加复杂的工程问题，甚至一些问题更无先例，解决起来更为棘手。而地下水则是许多地下工程问题的主导因素。近年来我国城市建设中地下水引起的结构上浮、变形甚至破坏的案例屡见不鲜，采用严谨可靠的浮力计算模型对浮荷载进行计算，并采取经济且安全的抗浮措施于地下结构设计中，已逐渐得到重视。
抗浮措施依照其抗浮原理的不同，可以分为主动抗浮与被动抗浮两种类型[1]。发达国家城市化发展历史更为悠久，我国与发达国家相比较而言[2]，受经济和技术条件的约束，仍然普遍采用被动抗浮措施，因而，被动抗浮措施的安全性和造价成本一定程度上取决于名为“抗浮水位”的技术指标。对此的相关研究将在相当长的时间里，具有显著的理论意义和经济效益。
1.2抗浮设防水位的选取
1.2.1抗浮设防水位的概念
抗浮设防水位也可称为抗浮水位，这个名词的由来应是防洪领域的抗洪设计水位，类似地，抗浮水位也是确立一个水位上限保证地下建筑的安全。但由于土体中水赋存状态的复杂性，抗浮水位的具体概念并未形成统一，许多学者也在相关领域进行研究。基于抗浮水位的抗浮设计方法的有效性十分依赖抗浮水位的概念的准确，抗浮水位概念的明确对于推动抗浮设计的发展有重要意义。
在《高层建筑岩土工程勘察规程》2.1.6中，抗浮设防水位的概念得到了确定，具体的定义为“地下室抗浮评价计算所需的、保证抗浮设防安全和经济合理的场地地下水位”[2]。确定抗浮设防水位的目的是为了保证建筑物在使用期间的安全，在这段期间内建筑不会由于地下水位的波动而导致抗浮失效、局部破坏等问题，同时这个概念是基于场地区域内的水文地质条件所确定的，需要以较大的区域范围进行考虑，而不是以单独的建筑物个体为标准。
地下水位的变化是相对随机的，其变化不但与地下水的赋存条件，季节变化，气候变迁，降水量的大小等自然因素相关，同时也受开采使用地下水，对水资源的开发利用和水库的泄水蓄洪行为等人为因素的较大影响，于是地下水的变化就变得极为复杂。所以，确定抗浮设防水位需要根据建筑物所在地区和场地的地下水贮藏条件以及水文地质条件的具体情况，进行综合确定。具体的影响因素涉及地下水的分布范围，贮藏深度，含水层数目，具体类型，岩体的岩性结构，含水层结构特点和排泄补给条件。
1.2.2对于抗浮水位的研究
(1)二维抗浮水位
文献[2]是首次对“抗浮设防水位”进行明确定义的规范，提出的“场地设防水位”概念，对于工程领域的抗浮设计的指导具有十分重要的意义。主编此规范的张旷成后又于文献[3]中，对于这一问题进行了更为详细的展开论述，着重强调一个场地只对应于一个抗浮设防水位，具有多层含水层的场地区域，抗浮设防水位按照地下水位的最高值进行取值。据此，可以发现这种抗浮水位概念中，建筑物基础底面的位置与抗浮设防水位的取值并无关系，只和场地平面上水位最高的一点的坐标有关，故这种抗浮水位称之为“二维抗浮水位”。可以使用表达式进行表达
(1.1) |
式中：
从以上的表述中，可以总结出二维抗浮设防水位的概念是独立于建筑物的基础埋深位置的，一种地质学上客观存在着的场地上的“最高水位”，这个概念的思路与美国国家预制混凝土协会(NPCA)提出的建议相一致[1,5,6]。此外，二维抗浮水位是作为浮力计算的条件而存在的，以这个空间中绝对位置为基础，使用阿基米德原理对浮力进行计算。计算的结果是基于对场地最高水位的预测上的可能出现的最大值。这种方式的优势在于简单易行，计算简便，但是在一些水位地质条件复杂的地区会出现计算结果过于保守的问题，而造成抗浮措施安全储备的巨大浪费。
(2)准三维抗浮水位
对于文献[3]的提出的概念的不足之处，在文献[4]中，黄志仑提出了一些完善性意见。其认为在存在多层地下水位的区域，考虑抗浮水位时，需要按照建筑物基础底面的所在的含水层位层进行选取最高水位来进行取值。同时含水层之间存在的相对弱透水层中的孔隙水压力也需要考虑在内。其观点结合伯努利方程，可得如下表达式：
(1.2) |
式中：
将式(1.1)与式(1.2)相比，显而易见的是，式(1.2)考虑到了地下空间中多层地下水的影响以及含水层间的相对弱透水层的孔隙水压力的影响。虽然这种概念考虑到了纵向深度方向上土层以及地下水分布的影响，但是各含水层与弱透水层水是单独考虑的，并未考虑各层之间的相互影响，故将此称之为“准三维抗浮水位”。由于将地下各层地下水分别考虑，因而需要更加充足和详实地下水资料，由于各地地下水资料的系统程度不一，实际应用时的效果也会不同，对于地下水资料较少的地区，各层的最高水位难以单独预测，所以在应用时多需要间接求解。
(3)三维抗浮水位
张在明基于在北京地区进行的长周期地下水位监测研究和卓有成效的工程应用实践的基础之上，提出了抗浮设防水位问题并不是通常所简单认为的某些含水层中的最高水位问题，而是应该建立在孔隙水压力的作用下的等效水位问题，也就是水力学中所定义的水头问题[7-8]。这种观点触及到了浮力形成的本质，强调了浮力是孔隙水压力作用下的表现，力的概念是浮力问题的本质。与准三维抗浮水位的不同之处在于，张在明的观点并未将含水层与弱透水层分割开来分别考虑，而是将其同等看待，都是基于“水头”的分析。同时，与准三维抗浮水位将各层独立看待的方式不同，张在明认为各个含水层、弱透水层之间是存在密切的联系的，各层地下水并不是孤立的，而是一个统一的赋存整体，借助伯努利方程对地下空间一点的水头进行描述，并需要借助水动力学的三维渗流模型进行求解。
1.2.3规范中关于抗浮设防水位的规定
《岩土工程勘察规范》(GB50021——2001)关于地下水方面的规定涉及到地下水的勘察、水文地质参数的测定和地下水作用的评价三个方面。在地下水勘察阶段需要掌握的地质条件主要有地下水的类型以及赋存状态，了解主要的含水层的分布规律，掌握诸如年降水量、蒸发量和其他会对地下水位产生影响的区域性气候资料。将地下水位的勘察分为三类，分别是勘察时地下水位，历史最高水位以及近三到五年的最高地下水位，并掌握地下水的变化趋势以及主要的影响因素。对于地下水位测定时需要注意的方面做出了规定，凡遇地下水则需要测定地下水位，需要注意待水位稳定后进行精心量测，在遇到多层含水层时，需要采取止水措施，将所测含水层与其他含水层隔离[9]。
《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ∕T72-2017)涉及地下水勘察和对于地下室抗浮的评价。地下水勘察方面的规定与《岩土工程勘察规范》大同小异，目的在于对地下水状态在空间和时间上具有尽可能全面而细致的了解。在对于地下室抗浮的评价方面提出了“抗浮设防水位”的要求，抗浮评价需要分析和提出合理的抗浮设防水位的建议，并根据抗浮设防水位以及埋深，结构特点，结构自重对于地下室的抗浮情况进行评价，并提出修改意见。对于抗浮设防水位确定时需要着重注意的情形，做出了相应的规定[2]。
《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》(DBJ11-501-2009)第5.1.4条做出规定，在具有地下水长期监测资料的地区，进行岩土工程勘察时需要基于长期的观测成果分析地下水水位变化的动态规律。对于缺乏长期资料的地区，高层或重要建筑的勘察，需设置长期监侧孔进行相关地层的长期监测。第5.1.5条中规定，地下水勘察应该提供相应场地近三至五年内的最高地下水位以及历年最高地下水位。这些资料的提供基于长期观测资料，没有长期资料的需要根据区域水文地质资料综合确定[10]。
《湖北省地基基础设计规范》(DB42 242-2014)第11.5.1条规定：地下建筑物需要进行抗浮验算，抗浮验算的类型包括整体稳定验算、局部稳定验算以及建筑物构件的强度验算和刚度验算。第11.5.2条中列举了多条可以减小水浮力对地下建筑危害的措施，如地下建筑物埋置于相对隔水层，周边无砂性土、杂填土等透水性良好的土层。基础底不设置透水性良好的砂、石垫层，土方超挖部分采用混凝土回填基础梁等结构的混凝土采用原槽浇灌方式[11]。
综上所述，各种规范对于地下水问题多有提及，但是主要集中于地下水勘测阶段，对于场地的地层中的含水层有更为全面的了解和掌握，强调勘测资料的全面详实。但是对于这些勘测资料的有效利用并未过多提及，很大一部分原因在于，土体中的抗浮设计中的一些关键问题，学术界仍未有统一的认识，抗浮设计方法理论还不系统，难以应用于工程实践，具体的工程问题仍然需要工程人员的经验指导，具有较大的不确定性。这样的现状，敦促研究人员尽早完善相关的理论并良好契合工程实践，将这一课题完美地解决。
1.3研究内容及研究方法
抗浮水位是当前普遍接受的进行抗浮设计需要确定的指标。但是抗浮水位的确定是一项比较复杂的工作，既需要对现有场地地下水现状进行深入细致的了解，也需要对未来在结构设计使用年限内的地下水变化趋势进行判断。抗浮水位问题涉及到水文地质、工程地质、土力学和结构工程等多个学科领域的内容，加之我国地域辽阔、气象水文条件、地质及岩土条件和城市水资源分布等因素差异很大，因此迄今为止抗浮水位尚未形成统一的概念和方法技术体系，故在工程实践中多以经验为主，分歧较大[1]。
在抗浮设计中，结合工程的具体情况，合理选择控制性失效模式进行抗浮验算是广大工程师面临的重要课题。而现行设计规范对水浮力分项系数尚未有统一的规定，结构设计时缺乏明确依据。这一局面的原因源于抗浮理论尚未完善，许多关键问题分歧较大，仍需进行大量相关研究攻关。
本文收集、归纳整理目前国内外关于抗浮设计的现状(主要是抗浮设计水位的确定和抗浮措施方面)、实践应用及理论研究进展，进行对比分析，梳理出近十年中抗浮设计相关研究的发展路线，分析目前研究的分歧的关键点，并基于以上信息的收集和整理，提出见解并进行验证。
第2章 关于地下水浮力机理的探讨
2.1地下水类型
根据土中孔隙水的存在状态，可以将地下水的类型划分成三种[12](见图2.1)。
上层滞水：在地表浅部，埋藏于潜水面以上包气带中局部不透水层以上的重力水。其分布范围十分有限，补给区与分布区相一致，主要来源于大气降水，故往往于雨季存在。
潜水：是埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上的并具有自由水面的地下水。根据定义可知，潜水以上没有隔水层，土层渗透性较为良好，其来源可以是雨水渗透或是河流渗入土体中而进行补给。
承压水：埋藏于相邻两个稳定隔水层之间的地下水，而且典型的承压含水层可以分为三部分补给区、承压区以及排泄区三个部分。承压含水层的上部是稳定的隔水层，直接来自于上层的补给很少，下部也是稳定的隔水层，向下的渗漏也较少。所以承压含水层的补给与排泄空间上一般不在同一处。
图2.1 地下水赋存状态
为了简化论述，将稳定隔水层视为渗透性不良的粘性土。稳定隔水层之间的土体视为渗透性良好的砂性土。这样就可以将实际土体简化为砂性土与粘性土交错分布的土体。由此不仅可以简化分析的复杂度，而且更能找寻其中的规律。
2.2地下水渗流规律
法国工程师达西在进行了大量的砂土渗透试验，研究水在土体中的流动规律之后，提出了水在孔隙中流动的速度与水力梯度成正比的结论，这也就是著名的达西定律。达西使用直立的砂土柱进行了大量的饱和砂土渗透试验，通过横截面积为A的水流量Q与渗透系数k、水头差和与水流动方向垂直的横截面积A成正比，与渗流路径长度L成反比，表达式为
(2.1) |
若表达为单位时间单位面积的流量，即为流速v，水头差与渗流路径的比值定义为水力梯度i，则v可表示为
