抗浮设防水位的推断及其作用分析

第 24卷 2010焦 第 6期 12月 岩 土 工 程 技 术 Geotechnical Engineering Technique Vo1．24 NO．6 Dec，20lO 文章编号：1007—2993(2010)06—0277—05 抗浮设防水位的推断及其作用分析 李征翼 (中基发展建设工程有限责任公司，北京 100022) 【摘 要】 建议设立建设工程抗浮设防 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 作为勘察设计的规范性技术依据，通过归纳抗浮设防水位推断计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ，阐 述了最不利条件下各影响因素的涵义，明确其中的地下水位最大年季节性变幅应采用统计分析的上限分位标准值 ，同时提出 组合效应的分析思路；依据地层的水力连续性原理及实际的工程技术条件 ，分析了弱透水性土层中基础浮托力折减的风险 性；强调抗浮分析和设计中应将结构重力按抗力条件取值，并对抗浮设防水位应发挥的功用给予了一些说明。 【关键词】 地下水位；浮托作用；设防标准；组合效应 ；概率分布 ，基础抗力 【中图分类号】 TU 46 【文献标识码】 A doi：10．3969／j．issn．1007—2993．2010．06．002 Groundwater Level for Prevention of Up-floating Calculation and Effect Analysis Li Zhengyi (China Solibase Engineering Co．，Ltd．，Beijing 100022，China) [Abstract] This paper is proposed to establish a criterion for prevention of groundwater buoyancy on construction design， and give basis for site investigations．Further，with the formula for prevention of groundwater level up-floating，calculating and explaining the meaning of each factor of the most adverse conditions，and recommending technical basis of combination effects for groundwater leve1．According to the principle of hydraulic continuity，and on other relevant engineering technical conditions， commenting the risk of reduction of groundwater buoyancy on foundations built under an inferior seepage stratum，where the value for construction gravity should be chosen as a resistance during the analysis of foundation up-floating．In addition，the groundwater level parameters for prevention of up-floating could be relevant in other functions． [Key words] groundwater level；action of up-floating；fortification criterion；combination effects；probability distribution； resistance of foundation 0 引 言 随着建设工程技术的发展，地下水的水力作 用已成为建筑基础设计不可忽视的影响因素 ，抗 浮设防水位因此添补为岩土工程勘察工作的重要 分析内容和 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 成果。受 自然条件演变和人为性 环境改造等多重因素的交织影响，地下水 的浮动 规律愈加表现出难 以预测的复杂性，同时限于现 行推断原则和依据标准的不尽相同，且作为强制 性条文的抗浮验算[1]要求，仍缺乏详尽的指导性 约定 ，因此相关的勘察建议和结论经常会成为各 方的质疑焦点。 1 设防标准 受季节性大气降水不均匀分配的气象条件及气 候变化和人工活动等因素的综合影响，浅层地下水 位通常呈现为按有限变幅起伏的年度周期性浮动和 一 定时期内持续上升或下降的年际总体趋势性变 化，因此地下水对建筑基础作用的浮托力为非衡定 值，其中峰值高水位的影响最大。 历史经验表明，地下水浮托力造成的危害通常 是在很短时间段内、甚至是瞬间发生的，但其作用后 果多表现为不易实现尽快恢复类建筑功能中断的一 系列不良反映，包括基础正常使用功能的损坏及上 部结构整体稳定性的破坏等，甚至还有可能引发次 生灾害。 出现在抗浮设防的最高地下水位【2]推断中关 于最大年度变幅取值及动态趋势见解等种种分 歧，表明习惯性预测分析模式中安全度的迷失，因 此也就不能排 除其 中隐伏的有被忽视的危害性 风险 。 在此，我们必须清醒地意识到地下水位的升降 作者简介：李征翼，1960年生，男，汉族，辽宁省锦州市人 ，大学本科，工学学士，高级工程师，国家注册土木(岩土)工程师，主要 从事岩土工程勘察设计和原位测试技术工作 。E-mail：lizhengyi@solibase．eom 278 岩 土 工 程 技 术 2010年第 6期 通常是一定地域范围内的整体现象，一旦水位升幅超 出预计的设防水平，所有潜在的安全隐患就会集中显 现，届时经济损失和社会危害的沉重将不言而喻。 可见，科学分析和规范评价地下水的浮托力影 响，是社会发展和建设工程技术进步的必然需求。 目前亟待解决的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 是进一步规范勘察设计的推断 分析原则和方法，这其中重要的改进途径就是制定 出针对性的设防标准，科学限定公正合理的抗浮失 效风险概率，并以此作为相关各方共同遵循的安全 控制准则。诚然，其前提还须明确设防目的和设防 目标等基础性依据的工作指导方针。 作为建设工程安全防范的重要对策，结合能够 承受正常施工过程中和运营期间可能出现各种作用 的建筑结构可靠度设计功能l3 要求，笔者尝试将建 设工程抗浮设防的宗旨概括如下： 设防目的：严格避免建筑结构在正常设计使用 年限[2]内和建设过程中因地下水的水力影响产生浮 托性危害。 设防目标：确保最大可能的地下水浮托作用影 响发生时建设工程的整体稳定及结构安全。 设防标准：限制建设工程建造和运营期间发生浮 托危害风险的可能性低于正常心理许可承受的水平。 历史是未来最好的借鉴，这也正是公众认同将 长期观测资料中的最高水位预测为抗浮设防水位 4] 的理由。将各年度最高水位值作为随机事件，依据 上述设防标准，充分安全的保障条件是依据历史观 测资料，预测并限定设计使用年限内超出设防目标 的地下水浮托力出现的频次少于 1次，方才符合事 件基本不会发生的风险概率的量值要求。据此，本 文建议了各类建筑工程抗浮设防标准暨危害性浮托 影响高水位重现可能性风险的控制原则，见表 1。 表 1 抗浮设防标准暨危害性浮托风险控制原则 为防止地下水浮托作用引发更为严重的次生灾 害，实际建设工程的抗浮设防标准还须结合具体工 程环境条件综合判定，应与设防失效影响范围内最 高的抗浮设防等级等同。地基基础设计等级甲级 的建设工程也可适当提高抗浮设防标准。 工程实践提示我们，地下水的浮托作用还会给 施工阶段的基础结构带来不良影响，因此，建造时期 的抗浮设防标准还须参照临时性结构设防要求或结 合工程实际条件另行设立。 综上述，建设工程的抗浮设防水位应是特定基 础埋藏条件下，所界定各相关含水层水力影响的最 不利可能性的推断分析结果。因此，抗浮设防水位 不应该简单地泛指为工程场址一定区域范围的地下 水最高水位，而是具体建筑基础设计的针对性抗浮 设防的风险性评估成果。 2 不利影响因素及其组合 依据最不利组合[2][5]的危险形态分析地下水的 浮托影响是普遍被各方接受和认可的评估原则，但 在执行过程中就组合分项和实际数值的选用常常会 产生异议，其中组合的最终结果是否代表可能的最 高水位即是讨论的焦点。 对于最不利组合约定的最直接理解就是以年季 节性变幅的最大值对应组合后，再对可能出现的偶 然性影响因素给予充分的考虑。据此，笔者将抗浮 设防水位 H 分析的基本公式归纳如下： Hh一 k+△ +∑d (1) 式中：h 为组合建筑结构使用年限内主导含水层最 高地下水位参考的基准水位；△^一为此期间可能发 生的最大年季节性水位变幅；∑di为其他不利影响 因素导致水位增幅的累加值。 依据式(1)组合形式，代表最不利条件下的基准 水位h 理应是预测期限内年度(枯水季)最低水位可 能出现的最高值。实际应用时，勘察测量工作不一定 处于枯水季的低值期，故而现行的部分实例资料是以 勘察实测水位与最大年变幅‰ 相对勘察期间水位 估计的差值组合_6]r ]推断抗浮设防的最高地下水位。 未来地下水位的演变必然会涵盖更多的影响条 件，因此，基准水位 动态趋势预测除须依据气候变 迁等基础性致因外，地下水抽采和引水回灌治理等人 类工程活动是必须予以充分考虑的制约因素。但无论如 何，历史观测的最高值必将是预测分析参考的权重参数。 不久的将来，南水北调工程每年的 10~30亿立 方米长江水源源北上，北京、河北等地地表水系将随 之改变，地下水位随之抬升是必然结果。 对于北京地区因南水北调工程影响地下水位抬 升幅度的预测，现行的依据多以 1995年 1O月至 1997年 11月官厅水库三次放水过程中的实际观测 资料(见图 1)为参照。事实上，与南水北调工程预 期的影响不尽相同，官厅水库放水属于偶然性的突 李征翼：抗浮设防水位的推断及其作用分析 279 发事件，并未形成一个长久性的影响。试想，如果放 水事件改变成持续地注水入永定河，则地下水位的 目 《 一 舞 抬升将顺延图中虚线(本文作者标注)示意的趋势发 展下去，并最终会稳定形成一个新的基准水位值。 妻 舌 罢 器 墨 襄 寸 n 寻 姜 圣 注：图中 、△，l 、 。一分别表示为3个阶段放水后地下水位的最大升幅； 图 1 官厅水库放水经永定河侧向补给对北京城区某观测子L地下水位影响示意图 (原图选自参考文献[8]) 不难理解，北京地区的地下水在南水北调工程 的实施得以相应补灌后，地下水系统条件随之改变， 如再遇强度相当的水库放水事件激励，地下水位的 升幅响应将不会完全等同当年水库放水影响的观测 结果。如此的推断也可在图 1中得以粗略的印证， 第二阶段放水引发的地下水位相对升幅 △ z，明显 小于上一阶段的升幅 △ ，其致因绝不仅仅在于两 阶段放水强度量值的差别，而是水位抬升后的补渗 在进一步抬升中的迭合响应_gJ。 可见，将未来可能发生的水库放水事件作为其 他不利因素推断抗浮设防水位时，须充分考虑到组 合影响可能的效果，以期符合实际的变化形态。与 此类似，同等强度的汛潮或其他不利因素的发生，相 对于不同程度丰枯期的影响后果必然也不尽相同。 因此，在各类其他不利因素同时出现的最不利条件 33 32 31 30 芒 29 28 27 26 下，将产生一定的组合效应，其结果不一定是其独自 影响的简单累加。为此，式(1)宜修正为 Hh—hk+A +∑ d (2) 式中：效应系数 O< ≤1。在形式上，公式(2)表示 组合每项其他的不利影响因素时，应对其单独条件 下的最不利影响效果予以适当折减，但实际应用中 的 值不一定是常量。可见，采用适宜的模型分析 或经验验证确定相应的不利组合值或许是更值得提 倡的科学推断方法。 历史观测资料中的疏漏应列入其他不利影响因 素项。如果资料记录的采样间隔较长，就难以覆盖到 最低、最高水位点出现的时刻。近两年内的手工记录 水位高值和低值的录差均约 0．5 m(见图 2)。据此考 察年季节性变幅，就可能与实际相差约 1．0 m，其中隐 藏在最高水位评估中的风险量值超过了0．50 m。 罟 葛 =兮 兽 窨 答 8 2 = g 鲁 葛 ：兮 昌 g 答 誉 誊 誊 誊 誊 誉 誊 誉 誊 善 誊 誊 誊 誊 誊 誊 善 善 誊 誊 ( ( 【 ~-q ~-q ~-q 时间 (年一月) 图 2 地下水位自动监测和手工监测记录对比图 (原图摘 自参考文献F10~) ∞ 如 船 北∞ _【 ／6日 目 _【 I／_Iz／n问 时 一＼ _I，￡ 280 岩 土 工 程 技 术 2010年第 6期 3 设防水位的可靠性推断 不能否认，在实际的勘察设计技术文件中，类似 “年季节性变幅 1．0～2．0 133”的叙述是常见的分析 依据模式，同时在选用其中最大的幅值 △矗一作为最 不利因素组合时，并未探求所参考资料经历的观测 周期和样本分布形态等可靠性评估指标。 事实上，我们经常面对的建设工程多为永久性 建筑，试想，如果是仅以 3～5年或相对短期的观测 数据比照性地概括 50年设计基准期内很久远的未 来事件，其说服力的苍白是显而易见的。因此，我们 应该选择在充分依据样本的基础上，采用适宜的分 析手段对可能会发生的最不利状况予以科学的推断 或估计。 理论和实践表明，采用正态分布模型描述随机 事件的概率分布和进行可靠性分析是适宜的l1 ，并 由此相对简化了统计分析的数据处理工作，更重要 的是为工程师提供了统一的技术方法，避免了分析 工作中的人为干扰。因此，现行规范和标准规定的 统计分析工作通常是以正态分布模型为基础，其概 率密度表达函数为： (z)一 一 【一百1exp f (3) (z)一 【一百( )【 (3) ¨ J 式(3)表明，正态分布是以平均值 和方差 。两个 特征数字作为基本指标描述样本分布形态。 分析对象的分布形态是总体(母体)所固有的， 实际工作中往往不可能获取总体的所有样本值。统 计推断从理论上强调了局部或有限的样本在某种程 度上能够反映出总体的特征，但另一方面又不能完 全精确无误地表现出总体的性质，因此分析理论依 据一次性抽取有限的局部样本(子样)对总体的分布 特性进行拟合、推断时，采用样本修正方差 s 描述 和估计总体分布离散特征： S。一÷ >：( 一 ) (4) 一 l ’ 其中： 一 Xi (5) 一 行为子样的样本容量，即通俗意义上的样本数 量。部分文献将 S。称之为样本方差，并将 S定义为 标准差。 结合前述抗浮设防标准确立的指导原则，本文 公式(1)中的第二项因素，即最大水位变幅 △^ 已 经不再是简单地照搬历史观测最大幅值设置的固定 值，而是在充分依据历史观测数据基础上的统计分 析结果： △ =Ah +O'S (6) 式中：△ 为地下水位年季节性变幅的平均值，s是 相应的样本标准差，a为概率分布的分位值，是依据 统计分析估计的概率分布形态结合设防标准推断标 准值的定位参数。依据本文建议设防标准的a值见 表 2。 表 2 地下水位年季节性变幅标准值分位系数 按习惯，公式(6)得出的 △ 应称之为地下水 位年季节性变幅(最大)标准值，此标准即是依据相 关抗浮设防标准约定容纳的风险限度，结合统计推 断的变幅发生概率分布形态截取的(I-限)分位值。 显然，抗浮设防水位与建筑场地地震液化判别 采用的设计基准期内平均最高水位 d 不同，后者 鲜明地规定为高水位的平均值，除取分位值 a一0 外，同时可忽略其他历时短暂的突发或偶然性不利 作用因素影响，即： d 一 k^+△ (7) 统计分析理论同时论证和解释到，样本数量越 多，即n值越大，子样平均值 对总体平均期望值的 估计就能以充分大的把握保证，同时相应降低离散 程度指标 S 估测中“充盈”的不确定性。因此，实际 的统计分析工作中对样本容量充分性给予一定的要 求是十分必要的口 。为此，在水位观测样本容量不 足地区，应积极通过相关气象资料和环境水文地质 条件的分析研究，辅助评估地下水位变幅的概率分 布形态。 4 抗浮分析 抗浮设计中，通常不考虑基础与侧面地层的摩 阻影响，是略微偏于安全而被普遍认可的分析方式。 但纯地下室的抗浮反力须考虑上覆土重及建筑物上 浮对其冲切的抗剪强度。 结合文献[3]规定，当仅有作用效应和结构抗力 两个基本变量时，结构按极限状态设计的要求如下： R—S≥ 0 (8) 在此，R是地下水的浮托力，S则是基础的抗力 条件。 李征翼：抗浮设防水位的推断及其作用分析 281 实际的勘察技术工作中，岩土工程师首先了解 到的基底压力往往是针对建筑沉降和地基强度设计 组合的作用力荷载条件，其中的结构 自重为上限标 准值。显然，如此荷载条件不符合平衡地下水浮托 作用影响抗力估算意义的要求，因为抗浮设计安全 保障的不利状态已转变为确保建筑物不会产生托浮 性危害，因此应结合可能出现的最低作用条件予以 组合，结构自重应取下限标准值[ ]。 同样，基础设计工作中依据规范提供的各类可 变荷载标准值，必然也是上限值。因此，我们必须明 确，依据本文式(8)分析结构抗浮安全状况时，决不 可忽略习惯性荷载取值潜伏的风险。或许文献 [13]、[14]规定结构漂浮验算组合取 0．9的分项系 数，已经考虑到了须对相关高估的永久性荷载标准 值给予适当折减，但明显这一方式不但丧失了结构 设计中安全度的把握，同时还混肴了针对不同性质 的力学平衡关系时分项系数设置的原则。 鉴于依据本文建议的抗浮分析设计取得的浮托 力值已经针对建设工程正常设计使用年限(工程重 要性等级)施以了相应级别的标准值，且最大浮托力 属于短时的非永久性影响。因此，抗浮设计分析时 不宜再附加过高的安全保证，即地下水作用力分项 系数可取为 1．0。另外，由于已经忽略了基础的侧摩 阻力等抗力条件，对应本文强调的基础 自重抗力条 件，也无须另行设置小于 1．0的抗力分项系数。但对 于必要的可变荷载中的活荷载，须区分相关规范对应 建议的标准值意义的差异，并采用准永久性值系数的 估计结果组合抗浮设计分析的荷载抗力值。 间隔弱透水性土层的地下水系统，通常会按多 层地下水勘察评价，如此，主导含水层的判别成为浮 托力分析设计的主要问题。尤其是坐落在弱透水性 土层中的基础浮托力的影响，成为经济合理优化设 计分析所关注的突出性技术问题 jl_ ]。 实际工作中，我们必须意识到相对隔水层并不 影响含水系统中的地下水呈现统一水力联系 ]。因 此，除非有确凿证据表明两层相隔地下水位的不连 续，通常条件下，理应在分层评估抗浮设防水位的基 础上，以其中的最高水位值层位作为主导含水层。 即使建筑结构基础构筑在透水性极差的粘性土 层，也实在无法指望实际工程中基坑肥槽回填能完 全保证有效地阻断地表、地下水沿基础侧壁人渗(见 图3)，同时，由于建设工程场地必定会经历地基勘探 等致因，地基深部承压水的越流交换途径也将相对 自 然条件更为广泛，地下水最终将穿越所有的地层_9]。 强透水性地层 图3 弱透水性地层建筑基础地下水浮托力分析示意图 因此，我们不应单纯地本着节省工程成本的良 好愿望，而甘冒弱透水性土层中的基础浮托力折减 带来的风险。 抗浮设防水位能够提供的浮托分析内容还应包 括基坑槽底弱透水性土层隆起验算等。临时性结构 抗浮设防水位还应作为工程降水安全储备应急预案 的设计依据。 5 结论及建议 依据具体建筑功能和保证年限等设计条件设立 的设防标准，施行针对性的可靠性统计分析推断抗 浮设防水位，符合安全合理的工程技术基本要求。 基准水位和年季节性最大变幅是组合抗浮设防 水位的最不利影响的两个基本因素。基准水位应结 合建设工程的保证年限推断，而年季节性最大变幅 应采用与建筑功能相关的统计分析标准值。抗浮设 防水位的推断中，除应充分分析预测所涉及的其他 类偶然性不利影响因素外，还须注意结合相关水文 地质条件评估出其相互牵制关系的组合效应。 抗浮设防水位同时应作为基坑工程安全及建设 工程环境影响分析评价的技术参数。 建议加强建设工程抗浮设防的基础研究工作。 参 考 文 献 [I] 中华人民共和国建设部 ．GB 50007 2002建筑地基 基础设计规范Es]． [2] 中华人民共和国建设部 ．JGJ 72 2oo4高层建筑岩 土工程勘察规程[S]． [3] 中华人民共和国建设部 ．GB 50068--2001建筑结构 可靠度设计统一标准[s]． [4] 兰坚强 ．地下水的抗浮设防水位取值及工程实例 _~I]．工程勘察，2008(3)：36—37． [5] 中华人 民共和国建设部．GB50021 2001岩土工 (下转第298页) 298 岩 土 工 程 技 术 2010年第 6期 分层开挖、严禁超挖”的原则，严格控制坑周设计超 载，当围护桩配筋抗拉及抗弯强度不能满足设计要 求时，应立即对围护补强，同时加强监测，根据实测 成果适时调整施工工艺，谨防过大变形引起的围护 桩产生裂缝及桩身断裂等失稳事故。 2)软土地基基坑开挖前，宜采用高压旋喷、搅拌 桩及分层注浆等地基处理工艺对建基面上下一定深 度范围内的软粘土进行适当加固，提高开挖过程中 坑内被动区土体抗力，抑制围护体向坑内的变形；用 于疏干坑内土体的深井应在底板浇筑完成后予以封 堵，削弱时间效应引起的围护桩变形。 3)钢管支撑施工时，钢管扰曲度、水平轴线偏差 控制及预应力的有效施加均应严格遵守规范要求； 围檩连接焊接处焊缝应饱满，使其形成整体；钢管端 头与围檩间应用细石混凝土密实，使钢管支撑施加 预应力后发挥其约束围护向坑内变形的作用。应考 虑长细比较大的钢管支撑可承受的弯曲临界压力， 同时应注意长细比较大的钢管支撑刚度较小，易失 稳，须在支撑结构的选材及结构设计上计算论证。 4)深基坑施工应严格遵循设计要求，提高围护 及支撑体系施工质量，设计应根据场地勘察资料合 理设置地基加固，避免支护失稳引起的基坑坍塌事 故及重大经济损失。 参 考 文 献 熊智彪 ．建筑基坑支护IN]．北京：中国建筑工业出版 社，2008． 唐业清，李启民，崔江余 ．基坑工程事故分析与处理 [M]．北京：中国建筑工业出版社，1999． 张中普，姚笑青 ．某深基坑事故分析及技术处理I-j]． 施工技术，2005(12)：72—73． 张维正 ．鞍山某基坑支护工程事故分析EJ]．岩土工 程技术 ，2OO6(1)：51—55． JGJ120—99 建筑基坑支护技术规程[S] 刘建航，侯学渊等．基坑工程 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 [M]．北京：中国 建筑工业出版社，1997． DBJ08—61—97，基坑工程设计规程Es] 梁治明，邱 倪 ．材料力学[M]．北京：高等教育出 版社 ，1985． 收稿 日期：2010—08—03 (上接第 281页) 程勘察规范Es]． [6] 张思远 ．在确定建筑物基础抗浮设防水位时应注意 的一些问题口]．岩土工程技术，2004，19(5)：228． [7] 张旷成，丘健全 ．关于抗浮设防水位及浮托力计算问 题的分析讨论fJ3．岩土工程技术，2007，21(1)：16 [8] 张在明．地下水与建筑基础工程[M]．北京：中国建 筑工业出版社 ，2001．197—198 [9] 王大纯，张人权，史毅虹，等．水文地质学基础[M]． 北京：地质出版社 ，1995：96—97；83；27． Eio] 董殿伟，等．北京平原地区地下水位监测网优化EJ]． 水文地质工程地质，2007(1)：18． [11] 高大钊 ．土力学可靠性原理[M]．北京：中国建筑工 El2] E13] [14] [15] 业出版社，1989：69—70． 李征翼 ．关于岩土样本统计分析的几点讨论EJ]．岩 土工程技术，2007，21(1)：18． 中华人民共和国建设部 ．GB 50009--2001．建筑结 构荷载规范Es]．2002：6；8． 北京市规划委员会 ．DBJ 11—5O1—2OO9．北京地区 建筑地基基础勘察设计规范Es]．北京：中国计划出 版社 ，2O09：91． 梅国雄 ，宋林辉，宰金珉 ．地下水浮托力折减试验研 究[J]．岩土工程学报，2009，31(9)：1476． 收稿日期：2010—08—03 ] ] ] ] ] ] ] ] 1 2 3 4 5 6 7 8 [ [ [ [ [ [ [ [