地下水浮力科學論文
在現(xiàn)代建筑過程中，地下室建筑均可能面臨地水下對其產生的浮力;這是學習啦小編為大家整理的地下水浮力科學論文，僅供參考!
地下水浮力科學論文篇一
地下水浮力對地下建筑結構安全的影響
摘要:在本文中,筆者首先研究地下水水位下降對建筑結構的影響,然后分析地下水位下降對建筑地基的影響,最后提出應對措施。
關鍵詞:地下水 浮力 建筑結構 影響 措施
伴隨城市地下建筑的增多,由地下水浮力引起的工程質量事故、造成嚴重經濟損失的案例也逐步增多,房屋的抗浮問題也因此得到研究人員更多的重視。
一、水位下降對結構的影響
中國建筑科學院錢力航教授指出,對地下水位變化趨勢的正確評估,是考慮地下水浮力的前提,為了使地下水下降帶來的不利的影響得到避免,在對地下水位計算時必須依據常年穩(wěn)定的地下水位:
第一、在對上部結構減負作用方面,由于地下水水位下降,水的浮力較小,則也相應地減少了對上部結構的減負作用;
第二、對于地基承載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,增加了地基承載力特征值的修正。這個差值對建筑結構有著巨大的影響。
現(xiàn)假設一工程,來分析地下水水位下降對建筑結構的影響。
工程條件:
1、設d為工程的基礎埋深;2、設b為基礎寬度,b>3;3、設x為地下水位于室外地面之間的距離;4、設fak為地基承載特征值;5、設土的重度區(qū)位為18kN/m3;6、設土的浮重度區(qū)位為8kN/m3;7、rm為基礎地面以上圖的加權重度。
根據《建筑地基基礎設計規(guī)范》,得出:
rm==+8
F浮=r水(d-x)=10(d-x)
令p’= ,
注:(1)F表示的是上部結構基礎頂面的豎向力;
(2)G為基礎自重和基礎上的土重之和。
基礎地面的壓力:p=p’-F浮=p’-10(d-x)
則修正后的地基承載力特征值和基礎地面壓力之差為:
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
則fa-p=A+Bx(fa-p)是變量x的單調函數。由《建筑地基基礎設計規(guī)范》表5.2.4,參數d=1.0或d≥1.2。
第一、當d=1.0時B<0,(fa-p)是變量x的減函數,也就是說,當地下水水位下降時,Fa-p即修正后的地基承載力特征值與基礎地面壓力之差也隨著下降,這時應該按照常年水位變幅的低水位值來考慮水位下降對建筑結構的影響;
第二、當d≥1.2時,高層建筑基礎的埋深均能使得B>0,則(fa-p)是變量x的增函數,也就是說,當地下水位下降時,Fa-p即修正夠的地基承載特征值與基礎地面壓力之差反而增大,這時,就要考慮數位下降對建筑結構的影響就要參照常年水位變幅的高水位值來進行。
土質有各種分別,通常,以下幾種類別的土作為建筑物的地基持力層不合適:第一、淤泥和淤泥質土;第二、人工填涂;第三、符合e≥0.58或者IL≥0.86要求的粘性土。
因為根據《建筑地基基礎設計規(guī)范》中標5.2.4,當土的類別為以上三種土時,d=1.0、B<0;
如果采用其他圖作為建筑物地基持力層時,通常,d≥1.2,這時如果基礎埋深>0.5,則B>0。
所以,如果地基為天然地基,那么,從理論上來講,如果地下水水位下降,那么,就會加大修正后的地基承載力特征值和基礎地面壓力之間的差值,對于承載力淶水,這時的水位有利于建筑結構,那么采用常年水位變幅的高水位值對建筑結構進行設計是在安全范圍內的。
二、對減小地下水浮力對工程結構影響的建議
(一)對于如何利用水浮力的問題,在有關的任何標準都沒有一個統(tǒng)一的表述。這就使得,在進行使用的時候機構工程師無法準確的掌握和利用。
因而,筆者建議,取消“取有效重度”而采用“總豎向力中扣除地下水浮力”,以便機構工程師能夠更好地對標準進行把握。
(二)對于埋深較大的筏形基礎和箱形基礎,原則理論上應考慮地下水浮力的作用,不考慮則偏于保守。合理的利用地下水浮力可以擴大天然地基的應用范圍,節(jié)省費用,縮短工期,其經濟效益非常可觀。
(三)對于埋深較大的筏形基礎和箱形基礎,當基礎地面標高在地下水位以下時,水位下降,則修正后的地基承載力與扣除地下水浮力后的總豎向力(p-P’)的差值即fa-(p-P’)增大,對結構有利。設計時,除一般規(guī)定,應按以下要求驗算地基強度、地基變形、基礎承載力:
第一、地下水位應嚴格按照勘察報告提供的“常年水位”并去響應的水浮力、修正后的地基承載力特征值。如果此時經過減負后的基礎地面壓力值小于修正后的基礎地面壓力值小于修正后的地基承載力特征值,則可認為地基持力層滿足地基承載力要求。
第二、當地下對位在常年最高水位與基礎地面標高之間變動時,則可認為已經滿足常年穩(wěn)定地下水位要求。此時產生沉降的附加應力p0(對應于荷載效應準永久組合時的基礎地面處的附加應力)為常數,地下水位下降對地基變形無影響。如遇南水北調等等特殊情況使得該長區(qū)地下水位超出常年最高、最低水位,則應另行評估地承載力合地基變形。
第三、在進行基礎底板強度計算時,基層凈反力等于地基反力加上地下水浮力然后減去基礎自重。
第四、計算地基承載力時,荷載效應應采用標準組合;驗算地基變形時,荷載效應應采用準永久組合;基礎承載力計算時,荷載效應應采用基本組合。
參考文獻:
[1] 孫梅英:既有地下結構物抗浮加固措施 [D] 華中科技大學,2007 .
[2] 楊燕艷:對大型地下結構抗浮樁的設計研究 [J] 大眾科技,2005,(05) .
[3] 劉云飛,周淑玲:地下工程抗浮設計與施工中問題的討論 [J] 工業(yè)建筑,2005,(S1) .
地下水浮力科學論文篇二
地下結構中平衡浮力法的探討
【摘要】現(xiàn)代建筑活動中常遇到地下室的抗浮的問題。抗浮的方式有許多種，每一種抗浮方案都有其特殊性。決策者必須結合建筑物的結構形式、建筑高度、地質條件、建設工期等因素，因地制宜地優(yōu)先方案，從而達到多快好省的目標。本文試圖通過對若干種抗浮方案描述，使讀者留下深刻記憶，并能在實際中推廣，為建筑技術的發(fā)展做出微薄的貢獻。
【關鍵詞】地下室、抗浮、方案、地質、措施
中圖分類號：TU74文獻標識碼：A 文章編號：
概述
在現(xiàn)代建筑過程中，地下室建筑均可能面臨地水下對其產生的浮力;物理學上對浮力作出了嚴格的定義及計算方式。地下室體積變大、埋深增加，隨之而來其受到的浮力變大。
地下室就是一個完整的箱體。當地下水位超過箱體底板時，形成了浮力。當浮力大于建(構)筑物重量時，就可使建(構)筑物漂起。
建設者們在實踐中不斷創(chuàng)造出地下室抗浮的新方案，在付之實施后，取得了成功的經驗。從抗浮的行為上看，抗浮方案可歸納為三類。即：自重平衡浮力法;被動加荷載平衡浮力法;主動泄壓平衡浮力法。
抗浮方案的原理及適用范圍
2.1 自重平衡浮力法。
自重平衡浮力法是一種最為原始、最為經濟的方法。其抗浮原理：利用建筑物本身的荷載來抵抗地下室在地下水中產生的浮力。當地下室體積大、埋深大，地下室的浮力就大;建(構)筑物必須增加高度或增加構件自身重量。建(構)筑物的高度會受到城市規(guī)劃的制約;建(構)筑物內部構件變大，減小了使用空間。
本法適用于地下水位低、地下室埋深小、地下室體量小、地上結構有足夠荷載的工程;本法具有施工工藝簡單、造價低廉、性價比高、施工工期短等優(yōu)點。
2.2被動加荷平衡浮力法
被動加荷平衡浮力法的原理：當建(構)筑物的自身重量不足于平衡地下室受地下水產生的浮力時，在建(構)筑物外，采用增加輔助加荷結構，達到平衡浮力的目的。常用的加荷結構有：附加堆載物、設抗拔樁、設抗拔錨桿(索)等。
本法適用所有地下室工程。本法具有施工工序多、抗浮可靠、成本高、施工期長等特點。
?、泡d重平衡浮力法。就是在地下室頂蓋上或底板上部放置比重大的物品(如澆筑砼等)。此法施工工藝簡單、投資省，但占用空間。如堆載重物于地下室頂板上，需加厚頂板且減小一層的空間。堆載重物于地下室底板上，減小了地下室的空間。
?、瓶拱螛镀胶飧×Ψ?。利用抗拔樁在基層土中的摩擦力，增加平衡浮力的能力。抗拔樁可包含：鋼筋混凝土灌注樁、鋼管樁等。抗拔樁必須有足夠長度錨入地下室底板中，抗拔樁施工技術成熟，效果可靠，使用范圍廣。不影響建(構)筑物的空間，造價高。
?、强拱五^桿(索)平衡浮力法。利用錨桿(索)在土層中的摩擦力，抵抗浮力。錨桿(索)抗浮是從抗拔樁抗浮的理論發(fā)展而來的一個分支。此法相較于抗拔樁平衡浮力法來說，工藝簡單、造價低廉、施工期短等優(yōu)點，此法受地質限制大。
2.3主動泄壓平衡浮力法。
主動泄壓平衡浮力法的原理：當建(構)筑物的自身重量不足于平衡地下室受地下水產生的浮力時，通過調整地下水位的標高，從而達到平衡浮力的目的。此法包含：建(構)筑物內部設泄壓裝置法和建(構)筑物外部設泄壓裝置法二種。本法適用于地下水位較低、且為粘性土、濾水能力差的地質。本法造價低廉，后期使用有費用，地下室使用受到某些限制。
⑴建筑物內部設泄壓裝置法
根據浮力與重力平衡的實際，在地下室外墻某一標高位置，設置完善的泄水裝置。當地下水位超過預定值時，將地下水泄入室內而降低水位，從而保證建(構)筑物的穩(wěn)定。流入室內集水井的地下水，通過排水系統(tǒng)，將水排至室外市政管網。
⑵建筑物底部設排水裝置
在地下室底板施工前，埋設好濾水管網，并在建(構)筑物周邊設置若干個集水井。集水井中安裝自動吸水泵(當地下水位達到某一標高時，排水泵自動運行，從而實現(xiàn)浮力與重力平衡。
抗浮方案的特點
3.1 自重平衡浮力法的特點
自重平衡浮力法就是依靠建(構)筑物的本身重量抵抗浮力的基本方法。按照土方開挖、地下室鋼筋混凝土結構、上部鋼筋混凝土結構等步驟組織施工。
3.2 被動加荷平衡浮力法的特點
?、泡d重平衡浮力法就是在建(構)筑物本身荷載外，再加載重物的方法。在完成地下室底板或地下室頂板后，在基坑土方回填前完成重物堆載，以防浮力大于荷載而漂起。在抗浮平衡前，不得進行基坑的土方回填。堆載物常為覆土、低標號混凝土等。此法操作工藝裝簡單，工作量大，費用較低，作業(yè)插入時間控制要求嚴、占用空間等特點。
?、瓶拱螛镀胶飧×Ψň褪窃诮?構)筑物本身荷載外，通過抗拔樁在土層中的摩擦力，增加抗浮力的方法。在土方開挖前先進行打樁作業(yè)。占用施工工期，操作工藝復雜，技術成熟?？拱螛犊刹捎娩摻罨炷凉嘧丁摴軜兜?，費用高，應用范圍廣。
由于工程樁的樁頂標高控制難度大，樁頂標高高低差距大;樁頂超過基礎底標高后，挖土操作難度加大。
?、清^桿(索)平衡浮力法就是在建(構)筑物本身荷載外，通過抗拔錨桿(索)在土層中的摩擦力，增加抗浮力的方法。在基坑土方開挖達到設計標高后，才進行錨桿(索)的鉆孔、安裝、灌漿等工作。此法是從抗拔樁平衡浮力法發(fā)展而來，相較之操作簡單、成本低廉。如采用濕法鉆孔操作法，鉆孔過程中的泥漿處理難度大、成本高。
錨桿(索)孔的鉆孔有干、濕兩種操作方法，具體采用何種操作方法，必須依據地質條件確定之。
3.3 主動泄壓平衡浮力法的特點
?、沤?構)筑物內部設置泄壓裝置法的特點
建(構)筑物內部設置泄壓裝置法就是地下室外墻上安裝泄壓裝置。泄壓裝置由濾水裝置、連通裝置、集水裝置組成。當地下水位高于溢水管時，就通過濾水裝置收集的水通過溢流管，流入室內集水井，從而實現(xiàn)浮力控制。
在進行基坑土方回填時，進行室外濾水裝置的安裝工作(濾水管、濾水層、濾水布等);在室內安裝好導水管、集水井、排水泵、排水管道。在室外地下水泄壓流入地下室后，及時排出室外，保持室內燥。
⑵建(構)筑物外部設置泄壓裝置法的特點
建(構)筑物外部設置泄壓裝置法就是在地下室底部安裝好泄壓裝置。泄壓裝置由濾水管、連通管、集水井、自動控制排水泵組成。當地下水位高于自動排水標高時，排水泵啟動排水，從而實現(xiàn)浮力控制。
在土方開挖至基坑底部標高后，立即進行下部濾水管網埋設，并將濾水管外與建(構)筑物周邊設置的集水井相連接;在集水井內安裝好排水泵，設置好控制排水標高，當地下水位超過設定值時，排水泵自動運行。
地下室抗浮方案的發(fā)展前景
4.1 在向空間要空間的同時，向地下要空間也是一種發(fā)展趨勢。建(構)筑物向地下發(fā)展，不可避免地解決地下水開成的浮力;
4.2 隨著需求的不斷增加，地下室抗浮技術更加成熟，操作更加規(guī)范，效果更加明顯。
4.3 新型的抗浮理論會得到發(fā)展，施工更加便捷可靠，推動建筑業(yè)走向成功的彼岸。
4.4 在環(huán)保節(jié)能的大環(huán)境下，在提倡向空中發(fā)展的同時，會向地下索取空間。在進行地下空間建設的同時，各種新技術、新材料、新工藝會得到不斷出現(xiàn)。
五、結束語
在進行工程建設中，需要全體參與者充分發(fā)揮自己的聰明才智，努力探索各種建設領域時出現(xiàn)的新問題的解決方法，推動建筑技術的不斷發(fā)展，為美好的明天貢獻自己的力量。