CN113742826B - 一种基于抗浮变水位的主动性抗浮设计方法 - Google Patents

一种基于抗浮变水位的主动性抗浮设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于抗浮变水位的主动性抗浮设计方法,该方法根据土层渗透性、抗浮最高变水位、抗浮常水位、抗浮常水位处基坑肥槽宽度、单管埋设长度及渗流流径计算抗浮变水位降水总量Q;在基坑肥槽底均匀埋管,按均摊法计算单管承担的抗浮变水位降水分量qd;假定流向排水管的流量均能透过管壁并被排水管排出,按均摊法计算单管进水量qj;根据排水管进水能力验算公式计算埋管数量n;根据基坑肥槽底宽计算埋管间距s。本发明既避免了施工期因周边地表防排水不完善以及建筑物自重尚小时因“池盆效应”造成的建筑结构破坏,也避免了运维期因缺乏有效防排水措施或抗浮安全储备不足以抵抗“池盆效应”水浮力时造成的建筑结构破坏。

Description

一种基于抗浮变水位的主动性抗浮设计方法
技术领域
本发明涉及一种基于抗浮变水位的主动性抗浮设计方法,属于建筑抗浮技术领域。
背景技术
随着城市地下空间的开发利用,破坏了场地原有水文地质环境,改变和阻断了场地原有径流条件,导致大气降雨等地表水以及地下水径流不畅,从而向基坑渗透汇集,致使地下水位骤升形成“池盆效应”,“池盆效应”水位属于建筑场地非常态不稳定水位,具有偶然性和破坏性,往往在建筑抗浮设计以及施工中被忽略,造成巨大的经济损失,甚至致使建筑存在安全隐患。一方面表现为施工期周边地表防排水系统尚未完善,抗浮结构尚未完成,建筑物自重较小时若形成“池盆效应”,当“池盆效应”的水浮力大于建筑抗浮能力时将在施工期间破坏建筑结构,另一方面表现为抗浮设计时尚未考虑到“池盆效应”的影响或抗浮安全储备能力不足以抵抗“池盆效应”的水浮力时将在运营期造成建筑结构的破坏;再者若抗浮设计时按“池盆效应”水位进行被动性抗浮设计又将造成建设成本的大幅度增加。无论哪种情况对建设工程来说都是一种巨大的经济损失,因此采用在抗浮常水位的基础上根据抗浮变水位采取埋管降水泄压的主动性抗浮设计十分必要。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种基于抗浮变水位的主动性抗浮设计方法,该基于抗浮变水位的主动性抗浮设计方法能有效预防“池盆效应”对建筑物的破坏。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种基于抗浮变水位的主动性抗浮设计方法,包括以下步骤:
步骤一、采用埋管降水泄压的方式进行变水位抗浮设计,根据下式计算抗浮变水位降水总量Q:
其中,Q为抗浮变水位降水总量;D为渗流流径;k为土层渗透系数;Δh为抗浮变水位与抗浮常水位的水头差;B1为抗浮常水位处基坑肥槽宽度;L为单管埋设长度;
步骤二、在基坑肥槽底部均匀埋管,按均摊法计算单管承担的抗浮变水位降水分量qd
其中,qd为单管承担的抗浮变水位降水分量;n为埋管数量;D为渗流流径;k为土层渗透系数;Δh抗浮变水位与抗浮常水位的水头差;B1为抗浮常水位处基坑肥槽宽度;L为单管埋设长度;
步骤三、假定流向排水管的流量均能透过管壁并被排水管排出,按均摊法计算单管进水量qj
其中,qj为单管进水量;B2为基坑肥槽底宽度;d为排水管设计直径;k为土层渗透系数;h为抗浮常水位;L为单管埋设长度;n为埋管数量;
步骤四、根据排水管进水能力验算公式求出基于抗浮变水位的埋管数量n:
其中,n为埋管数量;h抗浮常水位;D为渗流流径;Fs为进水能力储备系数,取2.0~5.0;Δh抗浮变水位与抗浮常水位的水头差;B1为抗浮常水位处基坑肥槽宽度;B2为基坑肥槽底宽度;d为排水管设计直径;qj为单管进水量;qd为单管承担的抗浮变水位降水分量;
步骤五、由于埋管均匀布置于基坑肥槽底部,根据下列公式计算埋管间距为s:
其中,s为埋管间距;n为埋管数量;B2为基坑肥槽底宽度;d为排水管设计直径。
所述抗浮变水位降水总量包括地表水入渗量和周边地下水渗入量。
所述步骤二和步骤三中,管道全部均匀布置,按均摊法平均分配降水量和进水量。
所述步骤三中,排水管为透水管道,流向排水管的流量均能透过管壁并被排水管排出。
所述抗浮常水位为建筑自重、被动性抗浮结构以及其他抗浮措施共同作用后建筑物所能承载的抗浮水位。
所述抗浮变水位为大气降雨、其他地表水排放以及周边地下水渗流引起的建筑场地非常态不稳定变化水位。
本发明的有益效果在于:在抗浮常水位的基础上考虑抗浮变水位的一种主动性抗浮设计措施,既避免了施工期因周边地表防排水不完善、抗浮结构施工不及时、建筑物自重较小等问题时形成“池盆效应”造成建筑结构破坏,也避免了运营期因缺乏有效的防排水措施、抗浮结构抗浮能力安全储备不足以抵抗“池盆效应”水浮力时造成建筑结构破坏,同时施工简单,建设成本低,是一种技术可行、安全可靠、经济合理的主动性抗浮设计方法。
附图说明
图1为本发明实施方式中排水平面示意图;
图2为本发明实施方式中排水剖面示意图;
图3为本发明实施方式中计算简图一;
图4为本发明实施方式中计算简图二;
图5是本发明的流程图;
图中:1-基坑底边线,2-地下室外墙,3-排水管,4-集水井,5-地下室底板,6-基坑侧壁,8-抗浮常水位标高,9-抗浮变水位标高,10-地面。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案,但要求保护的范围并不局限于所述。
实施例1
一种基于抗浮变水位的主动性抗浮设计方法适用于如图1和图2所示的排水布设,基坑开挖完成后建设集水井4,集水井设钢筋混凝土盖板7,在地下室测量放线确定地下室外墙2的位置,在基坑底边线1与地下室外墙2之间布置排水管3并固定其位置,排水管3与集水井4连通,集水井4中的集水通过抽排设备排出地下室;浇筑地下室底板5和地下室外墙2,最后回填地下室外墙2与基坑侧壁6之间的基坑肥槽至地面10。
如图5所示,具体实施过程如下:
在步骤一中,当受各种因素影响导致建筑场地地下水位骤升,地下水变水位大于抗浮常水位,抗浮安全储备不足以抵抗地下水浮力时将造成建筑破坏,为保证建筑安全,采用埋管降水泄压的方式进行变水位抗浮设计,根据下列公式计算抗浮变水位降水总量Q。
如图3所示,抗浮变水位至抗浮常水位间的水力坡度:
如图4所示,抗浮常水位处过水断面面积:A1=B1L————————式1.2
抗浮常水位处渗透流量:Q=ki1A1——————————式1.3
将式1.1和式1.2代入式1.3得抗浮变水位降水总量:—————式1.4
上述公式中i1为水力坡度;Δh为抗浮变水位与抗浮常水位的水头差(m);D为渗流流径(m);A1为过水断面面积(m2);B1为抗浮常水位处基坑肥槽宽度(m);L为单管长度(m);Q为抗浮变水位降水总量(L/s);k为土层渗透系数(m/s)。
在步骤二中,基坑肥槽底部均匀埋管(即布设排水管3),按均摊法计算单管承担的抗浮变水位降水分量qd
抗浮变水位降水分量:
将式1.4代入2.1得:
上述公式中qd为单管承担的抗浮变水位降水分量(L/s);n为埋管数量;Q为抗浮变水位降水总量(L/s);D为渗流流径(m);k为土层渗透系数(m/s);Δh抗浮变水位与抗浮常水位的水头差(m);B1为抗浮常水位处基坑肥槽宽度(m);L为单管埋设长度(m)。
在步骤三中,假定流向排水管的流量均能透过管壁并被排水管排出,管道透水性及管道排水能力根据进水量另行设计,根据下列公式按按均摊法计算单管进水量qj
管道均匀布置,埋管间距:
如附图3所示,抗浮常水位至管道埋深处水力坡度:
等效过水断面面积:
单管进水量:qj=2ki2A2-----------式3.4
将式3.1、式3.2、式3.3代入式3.4得:
上述公式中s为埋管间距(m);n为埋管数量;B2为基坑肥槽底宽度(m);d为排水管设计直径;i2为水力坡度;h为抗浮常水位(m);A2为等效过水断面面积(m2);L为单管埋设长度(m);qj为单管进水量(L/s);k为土层渗透系数(m/s)。
在步骤四中,根据管道进水能力验算公式求出基于抗浮变水位的埋管数量n。
管道进水能力验算:
将式2.2和式3.4代入式4.1求解得:——式4.2
上述公式中Fs为进水能力储备系数,取2.0~5.0;qj为单管进水量(L/s);qd为单管承担的抗浮变水位降水分量(L/s);n为埋管数量;h抗浮常水位(m);D为渗流流径(m);Δh抗浮变水位与抗浮常水位的水头差(m);B1为抗浮常水位处基坑肥槽宽度(m);B2为基坑肥槽底宽度(m);d为排水管设计直径。
在步骤五中,由于管道均匀布置于基坑肥槽底部,根据下列公式计算埋管间距s。
管道均匀布置,埋管间距:
上述公式中s为埋管间距(m);n为埋管数量;B2为基坑肥槽底宽度(m);d为排水管设计直径;h抗浮常水位(m);D为渗流流径(m);Fs为进水能力储备系数,取2.0~5.0;Δh抗浮变水位与抗浮常水位的水头差(m);B1为抗浮常水位处基坑肥槽宽度(m)。
进一步的,抗浮常水位为综合考虑建筑自重、被动性抗浮结构以及其他抗浮措施后建筑物所能承载的抗浮水位,具体设计值由相应专业提供。
进一步的,抗浮变水位为大气降雨、其他地表水排放以及周边地下水等渗流引起建筑场地非常态不稳定变化水位。
优选地,步骤一所述设计降水总量既包括地表水入渗量,也包括周边地下水渗入量。
优选地,步骤二和步骤三均考虑排水管均匀布置,按均摊法平均分配相应的降水量和进水量。
优选地,步骤三排水管为透水管道,假定流向排水管的流量均能透过管壁并被排水管排出,排水管透水性及管道排水能力等另行设计。
实施例2
步骤一:以埋管底部为基准,考虑抗浮变水位标高为H=26m,抗浮常水位为h=5m,渗流流径D=20m,抗浮变水位与抗浮常水位的水头差Δh=21m,抗浮常水位处基坑肥槽宽度B1=5m,单管埋设长度(基坑长度)L=500m,土层渗透系数k=0.1m/s。
将参数代入式1.1得抗浮变水位至抗浮常水位间的水力坡度:
将参数代入式1.2得抗浮常水位处过水断面面积:A1=B1L=5×500=2500m2
将参数代入式1.3得抗浮常水位处渗透流量:Q=ki1A1=0.1×1.05×2500=262.5L/s
或将参数直接代入式1.4抗浮常水位处渗透流量:
步骤二:将式1.3和式1.4计算结果代入式2.1求得单管承担的抗浮变水位降水分量:
或将参数直接代入式2.2得
步骤三:基坑肥槽底宽度B2=3m,管道直径d=0.5m,抗浮常水位h=5m,单管埋设长度(基坑长度)L=500m,土层渗透系数k=0.1m/s。
将参数代入式3.1得埋管间距:
将参数代入式3.2得抗浮常水位至管道埋深处水力坡度:
将参数代入式3.3得等效过水断面面积
将参数代入式3.4得单管进水量:qj=2ki2A2=2×0.1×4(n-1)×1250=1000n-1000
或将参数直接代入式3.5得单管进水量:
步骤四:进水能力储备系数取Fs=2.0,将式2.1、式2.2、式3.4、式3.5代入式4.1得:
求解得n=-0.38(舍去),n=1.38,埋管数量取n=2。
或将上述相关参数直接代入式4.2得埋管数量:
埋管数量取n=2。
步骤五:将相关参数代入式5.1得埋管间距:

Claims (6)

1.一种基于抗浮变水位的主动性抗浮设计方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一、采用埋管降水泄压的方式进行变水位抗浮设计,根据下式计算抗浮变水位降水总量Q:
其中,Q为抗浮变水位降水总量;D为渗流流径;k为土层渗透系数;Δh为抗浮变水位与抗浮常水位的水头差;B1为抗浮常水位处基坑肥槽宽度;L为单管埋设长度;
步骤二、在基坑肥槽底均匀埋管,按均摊法计算单管承担的抗浮变水位降水分量qd
其中,qd为单管承担的抗浮变水位降水分量;n为埋管数量;D为渗流流径;k为土层渗透系数;Δh抗浮变水位与抗浮常水位的水头差;B1为抗浮常水位处基坑肥槽宽度;L为单管埋设长度;
步骤三、假定流向排水管的流量均能透过管壁并被排水管排出,按均摊法计算单管进水量qj
其中,qj为单管进水量;B2为基坑肥槽底宽度;d为排水管设计直径;k为土层渗透系数;h为抗浮常水位;L为单管埋设长度;n为埋管数量;
步骤四、根据排水管进水能力验算公式求出基于抗浮变水位的埋管数量n:
其中,n为埋管数量;h抗浮常水位;D为渗流流径;Fs为进水能力储备系数,取2.0~5.0;Δh抗浮变水位与抗浮常水位的水头差;B1为抗浮常水位处基坑肥槽宽度;B2为基坑肥槽底宽度;d为排水管设计直径;qj为单管进水量;qd为单管承担的抗浮变水位降水分量;
步骤五、由于埋管均匀布置于基坑肥槽底部,根据下列公式计算埋管间距为s:
其中,s为埋管间距;n为埋管数量;B2为基坑肥槽底宽度;d为排水管设计直径。
2.如权利要求1所述的基于抗浮变水位的主动性抗浮设计方法,其特征在于:所述抗浮变水位降水总量包括地表水入渗量和周边地下水渗入量。
3.如权利要求1所述的基于抗浮变水位的主动性抗浮设计方法,其特征在于:所述步骤二和步骤三中,管道全部均匀布置,按均摊法平均分配降水量和进水量。
4.如权利要求1所述的基于抗浮变水位的主动性抗浮设计方法,其特征在于:所述步骤三中,排水管为透水管道,流向排水管的流量均能透过管壁并被排水管排出。
5.如权利要求1所述的基于抗浮变水位的主动性抗浮设计方法,其特征在于:所述抗浮常水位为建筑自重、被动性抗浮结构以及其他抗浮措施共同作用后建筑物所能承载的抗浮水位。
6.如权利要求1所述的基于抗浮变水位的主动性抗浮设计方法,其特征在于:所述抗浮变水位为大气降雨、其他地表水排放以及周边地下水渗流引起的建筑场地非常态不稳定变化水位。
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