埋置式矩形結(jié)構(gòu)局部抗浮在抗浮計(jì)算中重要性的探討

陳小剛，馬忠武

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430010）

埋置式矩形結(jié)構(gòu)局部抗浮在抗浮計(jì)算中重要性的探討

陳小剛，馬忠武

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430010）

隨著社會(huì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)公共配套建設(shè)用地資源越來(lái)越稀少，對(duì)綠化的要求也相應(yīng)提高，許多水廠構(gòu)筑物、車庫(kù)選擇埋置式結(jié)構(gòu)形式。埋置式結(jié)構(gòu)的抗浮工程造價(jià)在構(gòu)筑物總造價(jià)中占比例較高，因此，經(jīng)濟(jì)可靠的抗浮設(shè)計(jì)顯得十分重要。論文結(jié)合湖北省某項(xiàng)目實(shí)際工程，對(duì)埋置式矩形結(jié)構(gòu)的局部抗浮與整體抗浮進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)果表明,埋置式矩形結(jié)構(gòu)抗浮計(jì)算中局部抗浮的計(jì)算分析不容忽視。該研究可為類似工程的計(jì)算與分析提供參考。

埋置式矩形結(jié)構(gòu)；整體抗??；局部抗??；抗浮設(shè)計(jì)水位；抗浮方法

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.001

1　概述

隨著社會(huì)的發(fā)展，越來(lái)越多的水廠生產(chǎn)構(gòu)筑物、工業(yè)與民用建筑的地下室和地下車庫(kù)選擇埋置式矩形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在占地面積降低、綠地率增加的同時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須重點(diǎn)考慮抗浮穩(wěn)定安全。

通常埋置式構(gòu)筑物設(shè)計(jì)中，小型構(gòu)筑物一般考慮整體抗浮即可，但中大型構(gòu)筑物的局部抗浮也是不容忽視的關(guān)鍵問(wèn)題。整體抗浮即保證構(gòu)筑物在地下水(包括上層滯水)或地表水浮力作用下結(jié)構(gòu)整體不發(fā)生整體上浮或傾斜。局部抗浮是指保證在地下水(包括上層滯水)或地表水浮力作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件不產(chǎn)生超出允許的位移。一般工程中結(jié)構(gòu)整體上浮較少見，多發(fā)生于尺度較小且構(gòu)件強(qiáng)度較大的矩形結(jié)構(gòu)。局部抗浮出問(wèn)題的較多，常見于尺度較大的矩形結(jié)構(gòu)，多表現(xiàn)在視為向下支承點(diǎn)處出現(xiàn)向上的位移，造成頂?shù)装迤茐?，立柱破壞，壁板出現(xiàn)豎向裂縫等。

本文結(jié)合湖北省某水廠工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體抗浮及局部抗浮分別計(jì)算與對(duì)比，分析局部抗浮對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，為類似工程提供設(shè)計(jì)參考。

2　抗浮設(shè)計(jì)的水位確定

《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50069—2002）[2]中4.3.3條[1]明確的規(guī)定抗浮設(shè)計(jì)水位：原則上根據(jù)勘察部門和水文部門提供的數(shù)據(jù)采用，對(duì)于地表水宜按百年一遇洪水位考慮，對(duì)于地下水位應(yīng)綜合考慮近期內(nèi)變化及構(gòu)筑物設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)可能的發(fā)展趨勢(shì)確定。

大量工程實(shí)例表明，對(duì)于不透水或弱透水地質(zhì)環(huán)境下，則必須考慮上層滯水、場(chǎng)內(nèi)管道和構(gòu)筑物漏水的可能性，這樣的地質(zhì)情況下，進(jìn)入基坑范圍內(nèi)的水不易滲出，使池外水位具有累積性，對(duì)于這種情況，應(yīng)充分考慮上層滯水對(duì)構(gòu)筑物的浮托作用，若有條件時(shí)，可采取疏導(dǎo)措施，來(lái)消除或消減上層滯水、管道和構(gòu)筑物漏水的影響，據(jù)此確定較合理的設(shè)計(jì)抗浮水位，否則抗浮水位應(yīng)該考慮至設(shè)計(jì)地面。

如陜西省某污水處理廠的氧化溝的地基為不透水的膨脹土，地質(zhì)勘察報(bào)告中的結(jié)論是：“地表以下36m范圍內(nèi)無(wú)地下水，設(shè)計(jì)按無(wú)地下水考慮”，僅在說(shuō)明中有一句“在雨季不得放空”。設(shè)計(jì)時(shí)按照無(wú)地下水進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)果在枯水季放空檢查積泥時(shí)，因局部抗浮不足，造成底板開裂，池壁在變形縫處錯(cuò)位近40mm。

3　抗浮方法概述

抗浮方法主要從兩個(gè)方向考慮，即增加結(jié)構(gòu)抗力和減少浮力。本文僅介紹幾種常見的抗浮方法及適用條件。

1）增加結(jié)構(gòu)抗力措施有兩種比較常用：第一種是結(jié)構(gòu)自重抗浮，以底板、壁板、頂板等結(jié)構(gòu)自重來(lái)抵抗浮力，這種方式只適合于抗浮地下水位較低或建筑物平面尺度較小的情況；另一種自重加配重抗浮，通常有頂板配重和底板配重兩種方式，也有在底板下吊混凝土的做法，但此時(shí)應(yīng)注意混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)耐久性要求，結(jié)構(gòu)底板與所吊混凝土間傳力要可靠。

2)減少浮力措施：采取永久或短期降水措施，減少地下水水頭，從而減輕結(jié)構(gòu)抗浮壓力。這是比較經(jīng)濟(jì)的措施，但在設(shè)計(jì)中必須考慮水位監(jiān)測(cè)（控）措施。

（1）導(dǎo)滲自流降水

本方法屬于永久降水措施，適用于各類用途的構(gòu)筑物。設(shè)計(jì)時(shí)在構(gòu)筑物基坑下部或底板下部設(shè)置盲溝集滲，再設(shè)置專用管道排到水面較低的水體里，要求廠區(qū)內(nèi)或廠區(qū)附近有穩(wěn)定的排水出路。

設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的是：專用排水管應(yīng)繪制在廠區(qū)管道布置圖中，詳細(xì)標(biāo)注管道各節(jié)點(diǎn)標(biāo)高；采取措施防止專用排水管倒灌，并在構(gòu)筑物基坑里布置地下水位監(jiān)測(cè)井。

（2）集滲強(qiáng)排降水

本方法為短期降水措施，適用于地下水為上層滯水的情況。在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，內(nèi)部水位經(jīng)常連續(xù)處于較高水位，僅用于構(gòu)筑物土建施工、設(shè)備安裝、清理、檢查維修期需要短時(shí)的抗浮。在構(gòu)筑物基坑下部或底板下部設(shè)置盲溝集滲，在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)集滲井，在需要抗浮期間，可通過(guò)集滲井抽排原基坑內(nèi)的地下水，使地下水位降至設(shè)計(jì)抗浮水位以下，這種方式通常稱之為管理抗浮。

設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的是：圖紙中應(yīng)明確土建施工期和設(shè)備安裝期的抗浮管理要求，還必須在運(yùn)營(yíng)后將"運(yùn)行管理要求"納入日常管理。

在探尋青工政治輪訓(xùn)方式方法的過(guò)程中，高橋石化走在前列。過(guò)去，青工隊(duì)伍精氣神不足，青工對(duì)企業(yè)的認(rèn)同感、歸屬感不強(qiáng)……正是用“五化”的方式，高橋石化形成了“人人愛崗、個(gè)個(gè)爭(zhēng)先”的局面。

（3）提高構(gòu)筑物底板標(biāo)高，減小浮托力

當(dāng)場(chǎng)區(qū)地下水位高，為解決施工困難和抗浮等問(wèn)題，條件允許時(shí)可采用提高底板標(biāo)高，減少池深，同時(shí)加大平面尺寸，保證有效容積，修正后效果很好。

（4）無(wú)底抗浮

僅適于不透水的巖石地基，實(shí)際意義不大，本文不做詳細(xì)講解。

4　工程計(jì)算與分析

本算例為某水廠大型埋置式矩形敞口水池，如圖1所示，結(jié)構(gòu)形式為板殼式結(jié)構(gòu)，水池長(zhǎng)30m，寬20m，高3.5m。

圖1　敞口水池效果圖

該水池選擇自重抗浮，按照《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS138:2002)[2]第6.1.3條、第6.1.6條進(jìn)行計(jì)算，水池具體參數(shù)見表1。

表1　水池參數(shù)表

表2是該矩形敞口結(jié)構(gòu)按照規(guī)范計(jì)算其在地下水作用下的內(nèi)力結(jié)果，雖然整體抗浮滿足規(guī)范要求，但局部抗浮不夠，按照整體抗浮結(jié)果計(jì)算及配筋，導(dǎo)致該水池在投入使用1a后出現(xiàn)豎向裂縫。

表2　矩形敞口構(gòu)筑物局部抗浮不足時(shí)的縱向彎矩

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，本構(gòu)筑物整體抗浮可以勉強(qiáng)過(guò)關(guān)，而局部抗浮不夠，這樣的結(jié)構(gòu)在地下水揚(yáng)壓力的作用下往往會(huì)因縱墻（梁）抗彎強(qiáng)度不足而出現(xiàn)豎向裂縫。

本算例為某水廠大型埋置式矩形水池，如圖2所示，結(jié)構(gòu)形式為無(wú)梁樓蓋，水池長(zhǎng)24m，寬24m，高4m。

圖2　無(wú)梁樓蓋效果圖

該水池選擇自重抗浮及配重抗浮(頂板覆土0.3m)兩種方式，按照《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS 138:2002)第6.1.8條計(jì)算其在地下水作用下的內(nèi)力，水池具體參數(shù)見表3。

表3　水池參數(shù)表

結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，采用理正計(jì)算軟件，按照規(guī)范選取有代表性的4m寬的截條計(jì)算結(jié)果如下：圖3a為自重抗浮，圖3b為配重抗浮（頂板覆土0.3m）。兩種方式計(jì)算水池在地下水作用下的內(nèi)力結(jié)果（此結(jié)果未作空間調(diào)整）見表4，可以看出局部抗浮不足給結(jié)構(gòu)內(nèi)力造成的巨大影響。

圖3　水池內(nèi)力圖

表4　不同覆土厚度空池時(shí)的計(jì)算結(jié)果比較(覆土重度=16kN/m3)

通過(guò)以上計(jì)算，不難看出內(nèi)力的巨大差別。其中，池頂無(wú)覆土的局部抗浮系數(shù)為0.88，不滿足規(guī)范要求，池頂覆土0.3m的局部抗浮系數(shù)為1.20，滿足規(guī)范要求。通過(guò)以上計(jì)算及分析，可以看出，局部抗浮設(shè)計(jì)的作用是保證計(jì)算簡(jiǎn)圖中向下的支承點(diǎn)不產(chǎn)生向上的位移，從而保證大跨度底板及較長(zhǎng)的壁板在地下水作用下有足夠的安全度。

5　小結(jié)

在水廠和地下構(gòu)筑物施工、安裝、運(yùn)行、檢修中出現(xiàn)“浮池”事例較多，危害較大；其中，多數(shù)發(fā)生于被“認(rèn)定”為無(wú)地下水或地下水位在池底以下的場(chǎng)地的事實(shí)，由于無(wú)法準(zhǔn)確衡量，因此要謹(jǐn)慎地確定設(shè)計(jì)抗浮水位。

構(gòu)筑物抗浮工程造價(jià)，在水廠和地下構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)工程造價(jià)中占有相當(dāng)比例，在抗浮措施上，宜從多方面考慮，經(jīng)過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后確定抗浮方案，以期達(dá)到安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理的效果。

嚴(yán)格地講，構(gòu)筑物抗浮是個(gè)系統(tǒng)工程，對(duì)于大型埋置式箱型構(gòu)筑物在滿足整體抗浮的前提下，必須考慮局部抗浮，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中只有多方面配合，才能做到安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。

【1】GB50069—2002給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

【2】CECS 138:2002給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

Discussion on the Importance of Local Anti-floating of Embedded Type Rectangular Structure in Anti-floating Calculation

CHEN Xiao-gang，MA Zhong-wu
(Central and Southern China Municipal Engineering Design&Research Institute Co.Ltd.,Wuhan 430010,China)

With the development of society,the land resouces for public construction in city and town are less and less.The requirement of greening increases.The embeded type structure is widely used in structures of water works and garages.The project cost for anti-floating of embeded type structure takes large proportion in the total project cost.So economical design for anti-floating is very important.The local and whole anti-floating calculations of embeded type rectangular structure are conducted in this paper,combining one project in Hubei province. Comparison of the calculation results is analyzed.The results show that the local anti-floating calculation cannot be ignored in anti-floating calculation of embeded type rectangular structure.The study can provide references for design of similar engineering.

embeded type rectangular structure;whole anti-floating;local anti-floating;groundwater elevation in anti-floating design;anti-floating method

TU359

A

1007-9467（2016）05-0019-03

陳小剛（1971～），男，湖北江陵人，高級(jí)工程師，從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)與研究，（電子信箱）172319660@qq.com。

2015-11-19