CN2152830Y - 筏基底板减水压结构 - Google Patents

Abstract

一种位于筏基底部，以减低筏基底板的向上水压 力或控制水压大小的特定施工结构，适用于筏基四周 有连续壁，贯入至低不透水土层(K＝10^-5～ 10^-9cm/sec)此层厚度须大于2.0公尺的地层构造 或中空型受水浮力控制的基础，坐落于透水量小的坚 硬地层构造。在基底板特定区设置人工排水层结构， 其中包含人工过滤层、人工排水格网、过滤集水管、不 透水布及溢流排水管等组合，针对减低及控制深基础 工程中筏基底板所承受的上浮力或孔隙压力过大。

Description

本实用新型涉及建筑物筏基底版降低或减少水压力的结构，特别是指可维持筏基底版的水压力无法继续上升，达到减少及控制筏基底部水压力的结构。

近年来工商业的突飞猛进，导致部市空间不够使用，为了尽量拓展地下室空间，新建筑物于基础施工时，大都采用中空型深基础型态的筏基，开挖深度介于地下12公尺（GL－12.0m）至地下30公尺（GL－30.0m）或更深，但由于都市地下水位一般均较高，且建筑师设计的地上结构体投影面积较基础开挖面积为小，致部分筏基上部无结构体部分重量太轻，甚至低于该区的地下水位所可能产生的浮力，此种结构设计对筏基将产生下列问题：

1.部分筏基受向上的浮力控制（结构体重量小于可能产生的浮力），易产生该部分基础底部与土壤分离，基础因而有上浮顾虑。基础受浮力控制区变至受压力控制区临界线上的部分筏式基础须承受过大力矩及剪应力而破裂。

2.受浮力部分筏基易产生过度隆起（Heaven），受较大荷重部分符基会因压密而产生沉陷，导致同一基础差异沉陷过大，易产生基础破裂。

3.浮力或孔隙压过大时，筏基底版及大梁承受较大的向上均布荷重，造成结构材料需求增加。

本实用新型的目的在于克服现有技术所存在的上述缺陷而提供一种筏基底版减水压结构。

本实用新型技术原理：

1、浮力形成

地下水位较高的地层，开挖深度较地下水位为深时，中空基础，（如图5－A、5－B所示）的底部压经历一段时间，当基础底部水压力与大地长期地下水位平衡时，则基础底部所受浮力为Pw＝γW.Hw

2、基础底版形成浮力的时间因素

土壤是由透水系数K＝10⁰～10^－9厘米／每秒的各种不同材料组成，基础底部的压力于刚完成时，由于施工时的抽水，故压力很小。但基础完成后，基础的混凝土形成不透水结构，此时筏基底部压力较静止水压力为小。外部较高水位处的地下水会经由渗流而至基础下较低压力处，此项作用一直持续至两处压力平衡为止。

由两点之间的压力差达到压力平衡的时间，主要由其间土层的透水系数决定。透水系数很高的砂砾或粗砂层（K＝10⁰～10^－3厘米／每秒），两点之间的压力差可在数小时或数天内达到平衡。但在粘土或粘土质沉泥层中（K＝10^－5～10^－8厘米／每秒），当i＝1时（i为水力坡降，1为连续壁的深度，i＝ (Hw)/1 ），水于各种不同地层的渗流速度如下：

K＝10^－5厘米／秒，V＝315.5厘米／每年

K＝10^－6厘米／秒，V＝31.6厘米／每年

K＝10^－7厘米／秒，V＝3.16厘米／每年

K＝10^－8厘米／秒，V＝0.3厘米／每年

则基础底版下压力与外部地下水位之间的压力达到平衡，常须一年至数十年。

3、基础底版浮力去除方法

A、粘土层或层状低透水层

利用地层构造上的不同透水特性，先建筑一个封闭基础的不透水连续，类似不透水大型管状物压入低透水土层中。挖掉内部一部分土壤且降低水位，则连续壁内的开挖面与外部地下水位线间，形成压力差，（如图6－A、6－B所示），地下水便由连续壁底部开口向内渗流，由于土层的低透水性，阻挡水的渗流速度很慢，因此渗流水量很小，故开挖后连续壁内的水位上升速度非常慢。当每日抽水速度大于渗流进入开挖面的水量时，开挖面内的水位便不会升高。

当开挖土层上建了一层不透水的筏基础版便阻断了渗流水，长时间会在筏式基础版下形成水压力，直到此水压力与地下水位的静止水压相等，若此水压力过大，则对基础版较不利。

利用地层构造上粘土层不透水特性，于筏基底版下以人工建造一层透水层（包括工程过滤层、排水格网层及不透水PVC布），经由管子构成的网路系统排至筏基水箱中，再以抽水机排除，当排除筏基底版水的能力远大于渗流入筏基底版的地下水时，筏基底版便不会形成水压力。

B、岩层或硬土层

同A项原理，利用岩层或坚硬土层的透水性较小，使渗透至基础下的地下水，均能完全排除时，便不会形成压力。

排除方式同A项原理，于基础下建造一层高透水性的排水层，（包括工程过滤层、排水格网、不透水PVC布层及集水管构成的网状排水管系统。

4、阻塞防止

A、物理性阻塞

Ⅰ、限制用于基础下地层最小土壤颗粒的沉降速度大于地下水渗流速度三倍以上土层。

Ⅱ、工程过滤层使用合于FHWA过滤／排水的选材规范：不织布材料须0₉₅≤1.8D₈₅

K（不织布材料）≥10K（土壤）

0₉₅≥2D₁₅

B、矿物析出物阻塞

Ⅰ、地下水于人工排水层及集水管网路系统中，不改变其物理及化学性质。

Ⅱ、于进人筏基的集水管装置逆止阀，防止空气进入集水管路及排水格网层中，防止Ca^＋＋及Si^＋＋离子析出与空气中的CO₂结合为矿物质。

为实现本实用新型的目的而提出的一种筏基底版减水压结构，位于筏基底部利用土层低透水性K＝10^－6～10^－9厘米／每秒与本结构的高透水特性及溢流进水管的高低，以减低或控制筏基底版的水压力为其目的，该结构主要包含有：

人造过滤层，是确保人造排水层的排水功能，防止接触土层的土壤颗粒侵入人造排水层造成堵塞；本层主要功能不影响其下土层渗流特性，须不受土壤颗粒堵塞影响透水特性；

人造排水层，是形成较大且可控制的空隙，使渗透水可于其中快速汇流至人造过滤集水管网路系统中；

人造过滤集水管网路系统，是装置于人造过滤层上及人造排水层间，能使经渗流穿过基础下粘土层的地下渗流水，集中至过滤集水管网路系统中；

人造防水层，是防止筏基底版上，浇置工作面的无筋混凝土渗入人造排水层中，使该层失去透水功能；

筏基浮力控制的溢流进水管装置，是溢流进水管的溢流进水口距离筏基底版的高度，高于筏基水箱内最高水位面低于连续壁外地下水位面时，利用基础底版下低透水层（粘土层），渗入至筏基下排水层的水量Q₁<溢流进水管的流量Q₂，则可控制筏基底的水压力，形成减压的目的；

矿物阻塞防止装置，是由一管路系统中的逆止阀，使水流仅可由下往上方向流动，防止空气进入过滤集水管网路系统中，造成矿物沉沉阻塞；

借助上述六种装置方式的组合，于筏基底及土层间形成可靠的高透水层，管线网路系统等，排除由基础下低透水性地层渗透至筏基底版下的渗透孔隙水条件，控制溢流进水管口至筏基底的高程；达到排除或调节筏基底部水压的结构装置。

本实用新型的优点：

1、充分利用地层构造特性——一般对于筏基底版过大的浮力均采用力平衡方法，本结构乃充分利用地层构造特性及大地工程渗流原理。

2、施工快速——人工的滤层、排水层、防水层、溢流水管均为科技材料，重量很轻，可快速完成，尤其于软弱粘土层须快速施工时。本结构可节省大量工程时间。

3、可靠性——一以工业产品可有效控制过滤层孔隙，排水层的排水量，集水管的水流量，可达到较大自然可靠性更高的排水层。

4、浮力大小可控制——可借助溢流进水管的高低，调节筏基底版下的水浮力。

以下结合附图，对本实用新型进行详细说明，其中：

图1为本实用新型筏基水箱与筏基底版减水压结构的关系示意图；其中示出了：

筏基底版减水压结构111，        连续壁结构体16、

无筋混凝土（pc）12、        水箱中低水位线17、

排水用沉水泵13、        水箱中高水位线18、

水位感应控制开关14、        集水池溢流管19、

溢流进水管15、        基础下接触土层110、

矿物阻塞防止装置125、        水位感测转换器114、

水位显示器124；

图2为本实用新型筏基底版减水压结构Ⅰ－Ⅰ断面详图，其中示出有：

人造过滤层21、        人造防水层24、

人造排水层22、        溢流进水管15、

过滤集水管网路系统23、        基础下接触土层110；

图3为本实用新型进水管溢流管35高于外部最高地下水位面30时的示意图；

图4为本实用新型进水管溢流口45低于最低抽水位面17的示意图；

图5－A为筏式基础底版受水压力作用的示意图，其中示出静止水压线51；

图5－B为筏式基础底版另一受水压力作用的示意图，其中示出静止水压线52；

图6－A为连续壁对地下水压的影响示意图，其中示出

连续壁61、        开挖时基础下水压力线64、

抽水机62、        粘土地层65、

基础开挖面63；

图6－B为连续壁及筏基完成对地下水压的影响示意图，其中示出

连续壁61、        排除水后的水压线67、

抽水系统621、        不排除水的水压线68、

进水管系统66、        粘土地层65、

人工排水层661。

本实用新型筏基底版减水压结构的实施步骤，请参照图1、2、3和4的说明如下：

1、地质调查——基础调查时增加现场透水试验或室内透水试验，调查基础下各地层的透水系数，以水位观测井调查地下栖止水位面，以各种水压计方法调查各地层水压分布，绘制各地层等效透水系数参数图。

2、总沉陷、差异沉陷、斜率分析——绘制荷重分配图依塑性沉陷理论，调整荷重分配，计算基础每点的总沉陷、差异沈陷及变位斜率，寻找采用筏基底版减水压结构使荷重重新分配后产生最小的差异沉陷及最易施工的平衡点。

3、倾斜力矩分析——绘制定案的荷重分配图，分析对整体结构的长期稳定性，使之倾斜力矩矩对结构体的影响降至不影响结构体或无，同时分析地震对基础的影响。

4、连续壁贯入深度设计配合——连续壁具有不透水性质，设计其深度时，使其贯入不透水层或低透水层中的厚同时满足下列要求：

A、渗透进入筏基的水量，小于1.0立方米／每小时。

B、垂直透水速度Vup个低于其筏基底面的最小土壤颗粒于水中的沉降速度Vdown↓。

本项设计主要使须处理的水量降低至最低，不影响附近水力坡降，容易以机械动力沉水泵排水，压力形成过程非常慢，防止透水层永久性的阻塞。

5、铺设人造过滤层21；当基础开挖至设计深度，铺设透水系数大于接触土层100倍以上的过滤层21，一般采用K＝10°～13^－3厘米／每秒的工程不织布，其最小孔隙采用D₁₅即以仅能通过接触土壤15％的筛分析尺寸（D₁₅is the sieve size through which only 15％ of the soil will pass）。

铺设人造过滤层21的优点：

A、便于施工：铺设过滤层21与基础下接触土壤110隔离，减少对土壤扰动，便于其后的工作程序。

B、确保排水层22排水功能：防止接触土层的土壤颗粒侵入其上的排水层22，减低或阻塞排水层22的功能。

C、增加排水减压的可靠度：选择适当孔隙及厚度的过滤层21（符合于D₁₅要求），不但有效控制垂直渗透水量，且过滤层21的厚度可增加水平渗透水量，不因局部垂直排水受阻时，影响整体减压功能。

6、铺设特定排水层22：本项人造排水层22铺设于人造过滤层21上；排水层22的功能主要形成较大且可控制的空隙，使渗透水可于其中快速汇流，其透水系数大于1.0厘米／每秒（一般采用10¹～10⁰厘米／每秒），并形成较设计荷重大5～10倍的抗压强度，能传递结构体的荷重至其接触土层110，排水层22采用下列两种方法：

A、人造排水层22——以不会腐烂，抗压强度合于要求，透水性良好的人造格网，高密度聚乙烯（HDPE）、高密度聚氯乙烯（PVC）（HPVC）或高密度PE，透水系数介于10¹～10⁰厘米／每秒，水平透水量Q大于5.0公升／公尺／1分钟（5.0L／m／min）。

B、天然排水层——设计以天然空隙较大的材料填于人造过滤层21上，材料可采用碎石级配、中细砂，其厚度足以达到水平透水量大于5.0公升／公尺／分钟（5.0L／m／min）。天然排水层可依碎石级配及砂土层的孔隙及渗入水量大小决定厚度，一般为10厘米～30厘米。

7、排设过滤集水管网路系统23——本项过滤集水管网路系统23装置于人造过滤层21上及排水层22间或上、下：本项过滤集水管网路系统23的开孔率大于3.0％，外包覆人造过滤层21，采用人工不织布，选择的孔隙尺寸原则同人造过滤层21，本项过滤集水管网路系统23采用直径1.0英寸～2.0英寸，视每日渗透入基地的总透水量而决定。设计时采用大于总渗入水量的100倍以上的安全系数，以避免任何可能的阻塞。

8、人造防水层24——人造防水层24为聚氯乙烯（PVC）材质，具有完全的防水性，主要功能防止其上浇置工作面无筋混凝土（pc）12渗入人造排水层22，减少人选排水层22的功能。

9、溢流进水管15——本项溢流进水管15的顶部接大气，故溢流进水管15由筏基底版11至溢流口115高度决定筏基底版11的水压力即浮力，该浮力的大小。

Pw＝γW×Δh

Pw＝筏基底版浮力，单位T／m²

γW＝水的单位重，可要采用1.0T／m²

Δh＝溢流进水管由筏基底版至溢流水高度

因此溢流进水管15高于筏基最高水位面18，低于外部地下水位面时，筏基底版11的水压力等于筏基底版11至溢流口115的高度。适当控制溢流管115的高度可以有效控制筏基底版11下的浮力大小，达到适当筏基底部11减压的目的，如图1所示，而进水管溢流管35高于最高的地下水位面时，筏基底版的浮力等于最大水浮力即地下水面30至筏基底版11的水压力，如图3所示。又当进水管溢流口45低于筏基水箱最低抽水位面17时，筏基底版11的向上承压力等于筏基底版厚度112的水压力，如图4所示。

10、集水池动力排水系统——本动力排水系统的沉水泵，是以沉水式泵13，配合自动水位感应控制开关14，将经由人造过滤层21、人造排水层22、过滤集水管网路系统23、人造防水层24渗入集水池中的清水排至建筑物外部的排水沟中。此套系统为增加其可靠性，可设计一组为主要，一组为备份辅助用。

11、集水池110、溢流管19——建筑物于筏基水箱中均有一般污水集水池，以动力系统将收集的一般污水排至外接的排水沟中。当排水系统的沉水泵13故障，渗流集水池的水位高过设计值18时，另设计溢流管19略高于渗流集水池119中沉水泵感应控制开关14的最高水位面18，当本身排水系统故障时仍可将渗入之水流至建筑物的污水排水系统，借其动力系统排除。

12、水箱中水位监控系控——筏基内的集水池装设感式或浮力式水位转换器114，将水位讯号送至资料收集机或显示器124，可产生水位位置讯号，当水位过高时产生音响及灯光讯号达到维修目的。

本系统渗流集水池的上升速度非常缓慢，视集水池大小而定，每日上升速度约由0.01公分～1.0公分／天，每日渗入的孔隙水量介于0.5～20.0立方公尺／（0.5～20.0立方米／每天）不会因沉水泵13故障而产生水位上涨问题。

13、矿物阻塞防止装置125——土层中的渗透水中常含有较高的Ca^＋＋及Si^＋＋离子，接触空气中的CO₂时沉淀成CaCO₃及SiC₃。本装置为一逆止阀，借重力作用，使渗透水仅能由下往上流动，防止空气进入排水的网路系统。

Claims (1)

1、一种筏基底版减水压结构，位于筏基底部利用土层低透水性K=10^-6～10^-9厘米/每秒与本结构的高透水特性及溢流进水管的高低，以减低或控制筏基底版的水压力为其目的，其特征：主要包含有：

人造过滤层，是确保人造排水层的排水功能，防止接触土层的土壤颗粒侵入人造排水层造成堵塞；本层主要功能不影响其下土层渗流特性，须不受土壤颗粒堵塞影响透水特性；

人造排水层，是形成较大且可控制的空隙，使渗透水可于其中快速汇流至人造过滤集水管网路系统中；

人造过滤集水管网路系统，是装置于人造过滤层上及人造排水层间，能使经渗流穿过基础下粘土层的地下渗流水，集中至过滤集水管网路系统中；

人造防水层，是防止筏基底版上，浇置工作面的无筋混凝土渗入人造排水层中，使该层失去透水功能；

筏基浮力控制的溢流进水管装置，是溢流进水管的溢流进水口距离筏基底版的高度，高于筏基水箱内最高水位面低于连续壁外地下水位面时，利用基础底版下低透水层(粘土层)，渗入至筏基下排水层的水量Q₁＜溢流进水管的流量Q₂，则可控制筏基底的水压力，形成减压的目的；

矿物阻塞防止装置，是由一管路系统中的逆止阀，使水流仅可由下往上方向流动，防止空气进入过滤集水管网路系统中，造成矿物沉沉阻塞；

借助上述六种装置方式的组合，于筏基底及土层间形成可靠的高透水层，管线网路系统等，排除由基础下低透水性地层渗透至筏基底版下的渗透孔隙水条件，控制溢流进水管口至筏基底的高程；达到排除或调节筏基底部水压的结构装置。

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