弱/不透水层条件下地下工程水浮力计算方法与流程

本发明属于土木工程领域，特别涉及一种弱/不透水层条件下地下工程水浮力计算方法。

背景技术：

随着经济增长，城市地下空间得到了大量开发利用，涌现出许多超大、超深的地下室。各类地下建筑物在使用期间无疑会受到地下水浮力的作用，会对地下结构的安全、稳定造成影响。但是，目前很少有人对弱/不透水层条件下地下工程水浮力的计算进行过仔细的研究，在取值上偏于保守。例如，芜湖某地下工程位于临河地带，在上部结构完工三年，地下室底板未做的情况下，并没有出现渗水现象，而设计人员发现地勘报告提供的抗浮水位却很高，计算出的地下水浮力很大。

由《水利水电工程地质勘察规范》对岩土体渗透性的分类标准可知，弱/不透水层指渗透系数k小于10^-4cm/s，且透水率q小于10lu的岩土体。我国幅员辽阔，工程地质条件多样、复杂，常遇到这种工程地质条件。《高层建筑岩土工程勘察规程》定义“抗浮设防水位”为“地下室抗浮评价计算所需的、保证设防安全和经济合理的场地地下水位。”但是，这一定义并未指明应该如何确定抗浮设防水位，给弱/不透水层条件下地下工程水浮力的计算带来了不便。

《高层建筑岩土工程勘察规程》提出“如因暴雨等因素产生的临时高水位而引起的浮力，当地下室位于黏性土地基且地表水排泄条件良好时，可乘0.6～0.8的折减系数，其他条件下不宜折减。”《岩土工程勘察规范》规定“对节理不发育的岩石和粘土且有地方经验或实测数据时，可根据经验确定。”

由以上规范条文可见，弱/不透水层条件下地下工程水浮力确实存在一些折减，但是又未明确给出折减方法，故需要提出弱/不透水层条件下地下工程水浮力计算方法。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种弱/不透水层条件下地下工程水浮力计算方法，其可提高地下工程水浮力计算的合理性，解决现有弱/不透水层条件下地下工程抗浮设计方法的不足。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种弱/不透水层条件下地下工程水浮力计算方法，包括如下步骤：

步骤1，根据岩土工程勘察报告，得到以下资料：各岩土层的物理力学性质参数；地下水的类型及贮存状态；各含水层水位、分布规律及补给排泄特点；

步骤2，由场地水文条件结合当地工程经验分析地下工程全寿命期内影响地下水位变幅的意外因素；

步骤3，根据步骤1整理出的工程地质资料概化场地物理模型，建立相应的数值模型，结合步骤2中提出的影响地下水位变幅的意外因素，为数值模型设置相应的边界条件；

步骤4，通过数值法求解数值模型，得到场地孔隙水压力的分布情况，按照下式计算地下工程所受的水浮力：

f1＝p·a

其中，f1是地下工程水浮力，p是地下结构底板上的平均孔隙水压力，a是孔隙水压力作用的底板面积。

上述步骤2中，意外因素包括：特大降雨量，周围其他工程基础施工，沿江、沿湖地区爆发洪水，及水库放水、跨流域调水。

上述步骤3中，根据步骤1整理出的工程地质资料概化地下工程所在场地的物理模型，利用geostudio软件中的seep/w模块建立相应的数值模型。

上述步骤4中，地下结构底板埋深不同时分别确定底板上的平均孔隙水压力。

上述步骤4中，利用geostudio中的seep/w模块求解建立的数值模型。

采用上述方案后，本发明根据岩土工程勘察报告得到各岩土层的物理力学性质参数，由场地水文条件结合当地工程经验分析地下工程全寿命期内影响地下水位变幅的意外因素，概化场地物理模型并建立相应的数值模型，求解数值模型，得到场地孔隙水压力的分布情况，计算地下工程所受的水浮力。

本发明在确定弱/不透水层条件下地下工程水浮力计算方法时，综合考虑场地的水文地质条件、地下工程使用周期内的水位变化和弱/不透水层性质对地下水位的影响，保障地下工程抗浮的安全可靠，相比于以往采用地勘报告笼统提出的抗浮水位来计算地下水浮力更加合理、经济。

附图说明

图1是本发明实施例中地下仓库示意图；

图2是本发明实施例中地下仓库数值模型示意图；

图3是本发明实施例中场地孔隙水压力分布图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

图1所示是本发明的一种具体实施案例，某地下工程为一个两层框架结构的中小型地下仓库，其地下室部分长20m，宽18m，埋深10m。岩土工程勘探期间未见场地有地表水，场区对本工程有影响的地下水为潜水，潜水赋存于②层土。其中，①层杂填土结构松散，密实度差，雨季及雨天出水量大，渗透系数为0.10cm/s，平均厚度2m；②层粘土为弱/不透水层，渗透系数为5×10^-7cm/s，平均厚度超过18m。施工开始前测得潜水地下水初见水位深度为8.00～8.20m，稳定水位埋深在7.90～8.10m。地下水年变幅0.50m左右，地下水主要接受大气降水，以垂直蒸发方式排泄。虽然潜水水位较低，但是场区夏季会遭遇台风天暴雨天气，雨水常浸透地表，勘察报告建议按不利考虑，设计基准期内年最高水位埋深按建筑整平后室外地坪±0.00m使用。

本发明提供一种弱/不透水层条件下地下工程水浮力计算方法，包括如下步骤：

步骤1，根据岩土工程勘察报告，得到以下资料：①层杂填土渗透系数为0.10cm/s，平均厚度2m；②层粘土渗透系数为5×10^-7cm/s，平均厚度超过18m；对地下工程有影响的地下水为潜水，稳定水位埋深在7.90～8.10m，年变幅0.50m左右；地下水主要接受大气降水，以垂直蒸发方式排泄。

步骤2，由场地水文条件结合当地工程经验分析该地下工程全寿命期内影响地下水位变幅的意外因素主要为特大降雨量，按当地气象资料取降雨量为1.67×10^-5m/s，降雨时长设为3天，充分考虑不利因素的影响。

步骤3，根据步骤1整理出的工程地质资料概化地下工程所在场地的物理模型，利用geostudio软件中的seep/w模块建立相应的数值模型，初始水位设在埋深8.0m处；结合步骤2中提出的影响地下水位变幅的暴雨天气，为数值模型设置相应的降雨强度，假设地表排水条件良好，无积水，数值模型如图2所示。

步骤4，利用geostudio中的seep/w模块求解建立的数值模型，得到场地孔隙水压力的分布情况如图3所示，提取地下工程底板上的孔隙水压力值，按照下式计算地下工程所受的水浮力：

f1＝p·a＝19.614×10³×(20×18)＝7.061×10⁶(n)

其中，f1是地下工程水浮力，p是地下结构底板上的平均孔隙水压力，a是孔隙水压力作用的底板面积。

地下结构底板埋深不同时应分别确定底板上的平均孔隙水压力，本实施例中地下工程底板埋深一致，不需分别确定。

如果采用勘察报告的建议，设计基准期内年最高水位埋深按建筑整平后室外地坪±0.00m使用，按照阿基米德浮力定律计算浮力，在暴雨工况下，地表水位已达到地坪，故认为地下仓库全部浸没于地下水中，则受到的水浮力可由下式计算得到：

f2＝ρl·g·vl＝1×10³×9.8×(20×18×10)＝3.528×10⁷(n)

式中，f2是按照阿基米德浮力定律计算的地下工程水浮力，ρl是地下水的密度，g是重力加速度，vl是地下室浸没在地下水中的体积。

上述实施例计算出的地下水浮力较传统方法得出的地下水浮力小很多，仅为其20.02％，主要是因为在暴雨天气下，虽然地表浸湿，但是降雨入渗并未造成水力连通，未对底板产生浮力，而传统方法对弱/不透水层条件下的地下水浮力缺乏研究，笼统认为地下水位达到室外地坪±0.00m，主要凭经验判断水浮力的折减程度。由此可见，采用本发明能综合考虑场地的水文地质条件、地下工程使用周期内的水位变化和弱/不透水层性质对地下水位的影响，更加合理、经济。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。