地下工程抗浮研究综述

地下工程抗浮研究综述

王喜刚

（1辽宁科技学院资土学院，中国本溪117004）

摘要：随着国民经济的日益发展，促使城市建设的发展，高层及超高层建筑的涌现，基础埋置越来越深。同时，作为车库等功能的广场式建筑的纯地下室部分、裙房或相对独立的地下结构物(如下沉式广场、地下车库、地下铁道等)的开发和利用越来越广泛，由此，地下结构物的抗浮问题日益突出。

关键字：岩土工程；抗浮；弹塑性；

资助项目：辽宁省科技厅博士启动基金项目（No.20180540101）；辽宁省教育厅一般研究项目（No.L2017lkyqn-02））

1研究现状

地铁作为缓解城市交通的重要手段，已经被人类采用并且逐步在提升地铁在城市交通领域中的作用。而对于地铁来说大部分区段处在地下，地铁抗浮的问题逐渐受到人们的重视。地铁车站由于所占用的地下空间大，埋置深度深，可能会导致抗浮不足，出现事故较多，引起了人们的广泛关注，所以地铁车站抗浮问题的研究迫在眉睫。抗浮理论主要针对地下建筑物所处地理位置的地下水位过高，水浮力过大，将造成建筑物整体向上的浮起和底板底臌而提出的理论。

抗浮主要分两个方面：一方面是由于结构底板不能抵抗底板下反力作用而发生底板的向上鼓起，即底板的底臌现象；另一方面是由于车站整体结构不能满足抗浮，发生整体的向上浮起现象。

底臌机理的研究，前苏联及德国研究成果较多。前苏联秦巴列维奇B.A等一致认为：底臌现象是由于底板岩体松软，其力学本质为在两帮岩柱的压模作用下挤压底板软弱岩体臌出，即“压模效益”，并应用极限平衡理论计算底臌岩层作用在巷道支架上的压力；兹包尔什奇克等认为巷道底板岩层突然臌起是由于底板中塑性层对下部岩层移动的阻力以及底板岩层暴露的面积与周长的比例急剧变化时岩层储存的弹性能释放的结果造成；利特维斯基在研究准备巷道底臌机理过程中，提出了一个判别岩层破坏的局部性破坏准则。该准则将巷道周边的压力图与岩层强度图进行比较，以此确定巷道周边的稳定地段、极限地段及不稳定地段；切尔尼亚克利用数理统计法对大量实测数据进行了分析，得出了预测巷道底臌的经验公式。

前西德著名学者O.Jalobi及M.Odengot则认为底臌主要是由于底板岩层在水平挤压力作用下的挠曲、褶皱过程，并在实验室内进行了大量的相似材料模拟试验研究了巷道底臌的全过程。认为巷道岩层的破坏顺序为：首先是两帮岩层由于垂直应力被压裂，之后是巷道底板由于水平应力的作用向巷道内臌出，其中较先破坏的是直接底板岩层。N.布什曼则得出底板岩层最大破坏深度与巷道宽度成比例的结论。

A.H.Wilson认为回采底臌的主要原因是底板岩层被剪切破坏后形成的塑性区的岩石变形与位移，塑性区的大小与原岩应力、岩石的力学特性、巷道形状和尺寸、支护阻力和破碎岩石的膨胀有关。D.J.Rochway通过对巷道底臌现象的调查认为巷道底臌主要取决于底板表面以下至少6厚的岩层的性质。

美国的K.Haramy把底板岩层看作两帮固支的岩梁进行分析，讨论了底板岩层的应力状态及稳定性。

康红普建立了求解底板岩层破坏范围的动态模型，提出了估算软岩巷道底臌量的公式，底板岩层挠曲引起的底臌量占总底臌量的67%，底板岩层弹塑性位移和扩容位移底臌分别是总底臌量的11.8%和11.2%。认为底臌的原因在于失稳底板岩层向巷道内压曲、偏应力作用下的扩容、岩石自身的遇水膨胀。

姜耀东经过大量的现场观测和实验室研究认为，由于巷道所处的地质条件、底板围岩性质和应力状态的差异，底臌可分为挤压流动型、挠曲褶皱型，遇水膨胀型和剪切错动型四类。巷道底臌属于岩体破坏后的力学行为问题和在地质历史上己经破坏的岩体巷道开挖后再变形和再破坏的规律问题。

贺永年、何压男通过对茂名矿区软岩巷道变形的实测和研究认为，由于两帮岩柱传递顶板压力，使两帮围岩在挤压底板的同时一起下沉，底板在严重压变形的情况下发生断裂，从而产生底臌。

候朝炯、马念杰通过对回采巷道底板的受力变形分析，认为回采巷道底板位移分为两个阶段：第一阶段巷道开掘后，巷道底板浅部岩层缓慢向上运动，2以下的岩层位移基本为，即底板岩层主要发生向上的移动；第二阶段巷道受到采动回采影响时，通过煤帮作用到巷道底板上的应力迅速增加，致使底板表面附近浅部围岩发生严重塑性破坏，出现强烈底臌。而较深部围岩出现不同程度的下沉，离工作面越近下沉越显著。

潘一山等借助有限单元法和相似模拟实验研究了巷道底臌的时间效应及软岩遇水膨胀引起的底臌，模拟结果能较好地反映这些因素对底臌的影响。

综上所述，到目前为止，国内外在底臌机理研究方面取得的成果归纳起来有：

(a)巷道开掘后围岩应力变化造成巷道底板岩层卸压产生弹塑性变形并向巷道内臌起；

(b)巷道两帮在垂直应力作用下挤压底板并下沉，使底板受水平应力作用出现拉应变从而导致底臌；

(c)底板岩层的流变导致底臌量随时间延长而增加；

(d)水对底板的作用，底板中某些粘土矿物遇水后体积膨胀，导致围岩强度降低、结构松散，易破碎。

2结论

如何解决地下工程结构物的抗浮问题目前已成为一个经常面临的问题。因地下水浮力作用或抗浮措施不当而造成地下工程的破坏，在国内已有不少的事例，如武汉果品公司舵落口地下冷库、海军航空兵上海市大场地下机库、银川及承德市的少数人防工程都因地下水浮力的作用造成不同程度的破坏。在做全埋式地下工程设计的时候经常会碰到因地下室自重及地面覆土不平衡由地下水产生的浮力，必须采用经济有效的永久性抗浮措施。本文针对地铁车站抗浮问题进行分析，不但能解决地铁车站抗浮的问题，而且能对推广到地下工程的相关领域，有一定的研究价值和意义。

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