地下水浮力科学论文
在现代建筑过程中，地下室建筑均可能面临地水下对其产生的浮力;这是小编为大家整理的地下水浮力科学论文，仅供参考!
地下水浮力科学论文篇一
地下水浮力对地下建筑结构安全的影响
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) .
地下水浮力科学论文篇二
地下结构中平衡浮力法的探讨
【摘要】现代建筑活动中常遇到地下室的抗浮的问题。抗浮的方式有许多种，每一种抗浮方案都有其特殊性。决策者必须结合建筑物的结构形式、建筑高度、地质条件、建设工期等因素，因地制宜地优先方案，从而达到多快好省的目标。本文试图通过对若干种抗浮方案描述，使读者留下深刻记忆，并能在实际中推广，为建筑技术的发展做出微薄的贡献。
【关键词】地下室、抗浮、方案、地质、措施
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
概述
在现代建筑过程中，地下室建筑均可能面临地水下对其产生的浮力;物理学上对浮力作出了严格的定义及计算方式。地下室体积变大、埋深增加，随之而来其受到的浮力变大。
地下室就是一个完整的箱体。当地下水位超过箱体底板时，形成了浮力。当浮力大于建(构)筑物重量时，就可使建(构)筑物漂起。
建设者们在实践中不断创造出地下室抗浮的新方案，在付之实施后，取得了成功的经验。从抗浮的行为上看，抗浮方案可归纳为三类。即：自重平衡浮力法;被动加荷载平衡浮力法;主动泄压平衡浮力法。
抗浮方案的原理及适用范围
2.1 自重平衡浮力法。
自重平衡浮力法是一种最为原始、最为经济的方法。其抗浮原理：利用建筑物本身的荷载来抵抗地下室在地下水中产生的浮力。当地下室体积大、埋深大，地下室的浮力就大;建(构)筑物必须增加高度或增加构件自身重量。建(构)筑物的高度会受到城市规划的制约;建(构)筑物内部构件变大，减小了使用空间。
本法适用于地下水位低、地下室埋深小、地下室体量小、地上结构有足够荷载的工程;本法具有施工工艺简单、造价低廉、性价比高、施工工期短等优点。
2.2被动加荷平衡浮力法
被动加荷平衡浮力法的原理：当建(构)筑物的自身重量不足于平衡地下室受地下水产生的浮力时，在建(构)筑物外，采用增加辅助加荷结构，达到平衡浮力的目的。常用的加荷结构有：附加堆载物、设抗拔桩、设抗拔锚杆(索)等。
本法适用所有地下室工程。本法具有施工工序多、抗浮可靠、成本高、施工期长等特点。
⑴载重平衡浮力法。就是在地下室顶盖上或底板上部放置比重大的物品(如浇筑砼等)。此法施工工艺简单、投资省，但占用空间。如堆载重物于地下室顶板上，需加厚顶板且减小一层的空间。堆载重物于地下室底板上，减小了地下室的空间。
⑵抗拔桩平衡浮力法。利用抗拔桩在基层土中的摩擦力，增加平衡浮力的能力。抗拔桩可包含：钢筋混凝土灌注桩、钢管桩等。抗拔桩必须有足够长度锚入地下室底板中，抗拔桩施工技术成熟，效果可靠，使用范围广。不影响建(构)筑物的空间，造价高。
⑶抗拔锚杆(索)平衡浮力法。利用锚杆(索)在土层中的摩擦力，抵抗浮力。锚杆(索)抗浮是从抗拔桩抗浮的理论发展而来的一个分支。此法相较于抗拔桩平衡浮力法来说，工艺简单、造价低廉、施工期短等优点，此法受地质限制大。
2.3主动泄压平衡浮力法。
主动泄压平衡浮力法的原理：当建(构)筑物的自身重量不足于平衡地下室受地下水产生的浮力时，通过调整地下水位的标高，从而达到平衡浮力的目的。此法包含：建(构)筑物内部设泄压装置法和建(构)筑物外部设泄压装置法二种。本法适用于地下水位较低、且为粘性土、滤水能力差的地质。本法造价低廉，后期使用有费用，地下室使用受到某些限制。
⑴建筑物内部设泄压装置法
根据浮力与重力平衡的实际，在地下室外墙某一标高位置，设置完善的泄水装置。当地下水位超过预定值时，将地下水泄入室内而降低水位，从而保证建(构)筑物的稳定。流入室内集水井的地下水，通过排水系统，将水排至室外市政管网。
⑵建筑物底部设排水装置
在地下室底板施工前，埋设好滤水管网，并在建(构)筑物周边设置若干个集水井。集水井中安装自动吸水泵(当地下水位达到某一标高时，排水泵自动运行，从而实现浮力与重力平衡。
抗浮方案的特点
3.1 自重平衡浮力法的特点
自重平衡浮力法就是依靠建(构)筑物的本身重量抵抗浮力的基本方法。按照土方开挖、地下室钢筋混凝土结构、上部钢筋混凝土结构等步骤组织施工。
3.2 被动加荷平衡浮力法的特点
⑴载重平衡浮力法就是在建(构)筑物本身荷载外，再加载重物的方法。在完成地下室底板或地下室顶板后，在基坑土方回填前完成重物堆载，以防浮力大于荷载而漂起。在抗浮平衡前，不得进行基坑的土方回填。堆载物常为覆土、低标号混凝土等。此法操作工艺装简单，工作量大，费用较低，作业插入时间控制要求严、占用空间等特点。
⑵抗拔桩平衡浮力法就是在建(构)筑物本身荷载外，通过抗拔桩在土层中的摩擦力，增加抗浮力的方法。在土方开挖前先进行打桩作业。占用施工工期，操作工艺复杂，技术成熟。抗拔桩可采用钢筋混凝土灌注桩、钢管桩等，费用高，应用范围广。
由于工程桩的桩顶标高控制难度大，桩顶标高高低差距大;桩顶超过基础底标高后，挖土操作难度加大。
⑶锚杆(索)平衡浮力法就是在建(构)筑物本身荷载外，通过抗拔锚杆(索)在土层中的摩擦力，增加抗浮力的方法。在基坑土方开挖达到设计标高后，才进行锚杆(索)的钻孔、安装、灌浆等工作。此法是从抗拔桩平衡浮力法发展而来，相较之操作简单、成本低廉。如采用湿法钻孔操作法，钻孔过程中的泥浆处理难度大、成本高。
锚杆(索)孔的钻孔有干、湿两种操作方法，具体采用何种操作方法，必须依据地质条件确定之。
3.3 主动泄压平衡浮力法的特点
⑴建(构)筑物内部设置泄压装置法的特点
建(构)筑物内部设置泄压装置法就是地下室外墙上安装泄压装置。泄压装置由滤水装置、连通装置、集水装置组成。当地下水位高于溢水管时，就通过滤水装置收集的水通过溢流管，流入室内集水井，从而实现浮力控制。
在进行基坑土方回填时，进行室外滤水装置的安装工作(滤水管、滤水层、滤水布等);在室内安装好导水管、集水井、排水泵、排水管道。在室外地下水泄压流入地下室后，及时排出室外，保持室内燥。
⑵建(构)筑物外部设置泄压装置法的特点
建(构)筑物外部设置泄压装置法就是在地下室底部安装好泄压装置。泄压装置由滤水管、连通管、集水井、自动控制排水泵组成。当地下水位高于自动排水标高时，排水泵启动排水，从而实现浮力控制。
在土方开挖至基坑底部标高后，立即进行下部滤水管网埋设，并将滤水管外与建(构)筑物周边设置的集水井相连接;在集水井内安装好排水泵，设置好控制排水标高，当地下水位超过设定值时，排水泵自动运行。
地下室抗浮方案的发展前景
4.1 在向空间要空间的同时，向地下要空间也是一种发展趋势。建(构)筑物向地下发展，不可避免地解决地下水开成的浮力;
4.2 随着需求的不断增加，地下室抗浮技术更加成熟，操作更加规范，效果更加明显。
4.3 新型的抗浮理论会得到发展，施工更加便捷可靠，推动建筑业走向成功的彼岸。
4.4 在环保节能的大环境下，在提倡向空中发展的同时，会向地下索取空间。在进行地下空间建设的同时，各种新技术、新材料、新工艺会得到不断出现。
五、结束语
在进行工程建设中，需要全体参与者充分发挥自己的聪明才智，努力探索各种建设领域时出现的新问题的解决方法，推动建筑技术的不断发展，为美好的明天贡献自己的力量。