某地下清水池抗浮穩(wěn)定性設計與分析

陳令才 崔 云

(中機國際工程設計研究院有限責任公司華東分院，江蘇 南京 210023)

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某地下清水池抗浮穩(wěn)定性設計與分析

陳令才 崔 云

(中機國際工程設計研究院有限責任公司華東分院，江蘇 南京 210023)

介紹了水池整體抗浮和局部抗浮的驗算方法，闡述了目前工程中常用的抗浮措施，并結(jié)合工程實例，詳細論述了地下清水池通過混凝土管樁實現(xiàn)水池抗浮穩(wěn)定的設計過程，為類似工程設計提供了思路。

清水池，抗浮設計，抗拔樁，水浮力

0 引言

在市政工程項目中，存在大量的地下式水池結(jié)構。此類水池承受了較大的地下水浮力，由于設計者對水浮力估算不足或采取的抗浮措施不當，在水池施工和使用階段，經(jīng)常出現(xiàn)水池上浮引起池體傾斜、漂移、底板向上撓度增大等，進而導致結(jié)構出現(xiàn)裂縫、管道被拉壞，影響項目正常運營。因此，對于地下式水池，尤其是在雨量充沛、地下水位高的地區(qū)，應特別重視水池抗浮設計。本文以某供水增壓站7 500 m3全地下式清水池為例，對地下水池結(jié)構抗浮設計方法進行探討，以便合理進行水池的抗浮設計。

1 抗浮驗算

水浮力對水池的破壞形式有兩種，大多數(shù)情況下為整體破壞，即水池整體上浮導致結(jié)構失穩(wěn)并出現(xiàn)裂縫；部分較大水池還會發(fā)生局部破壞，即當水池內(nèi)設置中間支撐結(jié)構時，因抗浮力分布不均，底板下的地下水浮力可能導致單獨的支撐結(jié)構發(fā)生軸向上移[1]，造成底板和頂板開裂。工程中采用抗浮系數(shù)表示結(jié)構的抗浮能力，根據(jù)CECS 138：2002給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構設計規(guī)程[1]中規(guī)定，水池的抗浮系數(shù)Kf≥1.05。

1.1 整體抗浮

整體抗浮計算公式：

(1)

其中，G為水池結(jié)構自重標準值，kN；F為底板外挑覆土及頂板覆土重標準值，kN；γ為地下水重度，取10 kN/m3；A為水池底板平面面積，m2；H為底板在地下水位下的埋深，m。

1.2 局部抗浮

清水池為無梁樓蓋結(jié)構體系，內(nèi)部設置立柱，應驗算局部抗浮，以保證安全。

局部抗浮計算公式：

(2)

其中，q1為頂板自重及頂板上覆土單位面積重標準值，kPa；q2為底板單位面積重標準值，kPa；Lx為x向柱間距或柱心到池壁中心距離，m；Ly為y向柱間距或柱心到池壁中心距離，m；G1為單根柱重標準值，kN；γ為地下水重度，取10 kN/m3；H為底板在地下水位下的埋深，m。

2 抗浮措施

從以上抗浮公式看出，影響水池抗浮能力的因素有水池結(jié)構自重、地下水位、水池埋置深度、底板平面面積等[2]幾方面。一般情況下，為防止水池上浮破壞，工程中可通過增加配重、設置抗拔樁、降排截水等措施增加水池抗浮能力。

1)配重法：通過增加水池重量抵抗水浮力。具體為增加水池底板、壁板、頂板等結(jié)構自重；通過增加底板挑耳寬度加大挑耳以上覆土重量；增加頂板以上覆土高度增大土重；在不影響工藝運行的情況下，盡量減小水池平面尺寸及水池高度。

2)抗拔樁：利用樁與土的摩擦力抵抗浮力。其與抗壓樁在性能上有所不同，抗壓樁承受的是基礎傳來的向下壓力，力為自樁頂至樁底部向下傳遞；抗拔樁承受水的浮力，力為自樁底至頂部向上傳遞，荷載大小隨地下水位變化而變化。抗拔樁的樁型通常有鉆孔灌注樁、預應力抗拔管樁等。

3)降排截水法：主要是在施工中通過降排水系統(tǒng)及排水溝使地下水保持在較低水位，以此降低水浮力實現(xiàn)結(jié)構抗浮目的。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

某供水增壓站7 500 m3全地下式清水池，平面尺寸39.1 m×51.7 m，高度4.95 m，埋深5.45 m，底板厚450 mm，壁板厚300 mm，頂板厚200 mm，底板飛邊長度300 mm。清水池為無梁樓蓋體系，柱網(wǎng)間距3.5 m×3.5 m，內(nèi)部設置砌體導流墻。場地類別Ⅳ類，抗震設防烈度7度，地震加速度0.15g，抗震設防標準丙類，基礎設計等級丙級。清水池平面布置圖如圖1所示。

3.2 地質(zhì)條件

場地自上而下存在雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粉土、粉砂等土層。其中雜填土土質(zhì)不均勻，淤泥質(zhì)土呈流塑狀，含水率高，壓縮性大，重度小，工程力學性質(zhì)差。場地地下水類型主要為潛水及弱承壓水，地下水位埋深較小，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗，水位變幅1.5 m左右，歷史最高水位在地表附近，抗浮設計水位取地面。

3.3 設計流程

結(jié)構抗浮設計一般按以下流程進行：結(jié)構自重計算→地下水浮力計算→確定是否滿足抗浮要求→選擇抗浮措施→技術比較確定抗浮措施→施工圖設計。

3.4 抗浮設計

1)抗浮驗算。

整體抗浮計算：水池結(jié)構自重G=G底板+G壁板+G頂板+G柱子+G導流墻=47 325 kN；覆土重F=F頂板+F底板=23 128 kN；水浮力F浮=γAH=113 159 kN；由式(1)計算得整體抗浮系數(shù)Kf=0.623<1.05。

由以上計算可知，該清水池抗浮系數(shù)遠小于規(guī)范允許值1.05，水池整體抗浮及局部抗浮均不滿足要求，因此該清水池需要增加抗浮措施抵抗水浮力。

2)方案分析。

該水池整體抗浮與局部抗浮計算時，抗浮重量與水浮力相差分別達到40%，50%左右，差距較大。通過增加自重抗浮會導致結(jié)構截面尺寸過大，由于混凝土結(jié)構需要滿足最小配筋率使得鋼筋量增加，同時過厚的板也不利于水池的裂縫控制；通過增加頂板覆土抵抗浮力，較高的覆土不僅增加頂板配筋量，也影響廠區(qū)整體布局及工藝運行；通過增加底板外延長度，極大增加了占地面積，由于廠區(qū)面積限制，擠占其他構筑物及管線的空間。因此通過單純增加結(jié)構自重及覆土抵抗水浮力既不經(jīng)濟也不合理。

本工程場地地質(zhì)條件差，底板以下存在較厚的軟弱土層，地基承載力及沉降不滿足要求，應進行地基處理或采用樁基礎?？紤]該特點，通過工程樁抵抗水浮力，合理利用該工程樁作為抗拔樁使用，提高水池抗浮能力，且正常情況下，樁長由抗壓承載力控制，不會增加樁長。因此本清水池采用直徑400預應力高強混凝土管樁來抵抗水池豎向壓力及水浮力，結(jié)構經(jīng)濟且安全可靠。

3)抗拔樁設計。

樁基設計時，應分別進行抗壓和抗拔設計，取其最不利結(jié)果。

抗壓計算：④-2層粉砂，樁端極限端阻力標準值3 200kPa，工程力學性質(zhì)較好，選擇該土層作為樁端持力層，樁端進入該土層不小于0.8m，樁長20m，經(jīng)計算單樁豎向承載力特征值Ra=840kN?？紤]活載及貯水重量等，水池總重標準值∑G=153 600kN，計算樁基數(shù)量時不考慮地下水浮力的有利影響，樁總數(shù)n=183，實際取192根。

抗拔計算：樁基的抗拔承載力破壞可能呈單樁拔出或群樁整體拔出，即呈非整體破壞或整體破壞模式，對兩種形式破壞的承載力均應進行驗算。按照樁長20m計算基樁的抗拔承載力特征值，抗拔系數(shù)取0.7。

a.根據(jù)JGJ94—2008建筑樁基技術規(guī)范[3]，整體破壞時基樁抗拔承載力應滿足：

Nk≤Tgk/2+Ggp

(3)

(4)

其中，Nk為按荷載效應標準組合計算的基樁拔力，kN；Tgk為整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標準值，kN；Ggp為群樁基礎所包圍體積樁土總重除以總樁數(shù)，水位以下取浮重度，kN。

由式(4)計算得Tgk=660 kN，樁土自重Ggp=2 067 kN；整體抗浮計算時的樁基承受的拔力：n總Nk=Kf×F浮-(G+F)=1.05×113 159-(47 325+23 128)=48 364 kN；由式(3)計算得Nk=48 364 kN/192=252 kN≤Tgk/2+Ggp=2 397 kN，樁基不會發(fā)生整體破壞，水池抗浮滿足要求。

b.根據(jù)JGJ 94—2008建筑樁基技術規(guī)范[3]，非整體破壞時基樁抗拔承載力應滿足：

Nk≤(Tuk/2+Gp)

(5)

Tuk=∑λiqsikuili

(6)

其中，Tuk為非整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標準值，kN；Gp為基樁自重，地下水位以下取浮重度，kN。

由式(6)計算得Tuk=890 kN，基樁自重Gp=37.7 kN；局部抗浮計算時的樁基承受的拔力：Nk=Kf×F浮-F=1.05×667.6-334.3=366.68 kN；由式(5)計算得：Nk=366.68 kN≤(Tuk/2+Gp)=482.7 kN，樁基不會發(fā)生非整體破壞，水池抗浮滿足要求。

4 結(jié)語

水池抗浮設計應根據(jù)水文地質(zhì)、水池自身結(jié)構特點、施工場地環(huán)境等因素選擇合理的抗浮措施。對于抗浮系數(shù)與規(guī)范允許值相差較大且場地存在較厚軟弱土層時，通過工程樁實現(xiàn)水池的抗浮，是一種經(jīng)濟合理的措施。采用抗拔樁時，不僅應驗算樁基的整體穩(wěn)定性，將樁土作為整體的抗浮體系，避免群樁效應導致整體抗浮承載力小于水浮力而發(fā)生整體破壞[4]；此外還應驗算中間支撐區(qū)域內(nèi)抗拔樁承載力與水浮力的大小關系，從而避免發(fā)生單樁拔出的非整體破壞。同時采用預應力高強混凝土管樁作為抗拔樁使用時，還應注意加強樁與承臺的連接并確保管樁接頭的有效性，避免出現(xiàn)抗拔失效。

[1] CECS 138：2002，給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構設計規(guī)程[S].

[2] 李增濤.半地下式水池抗浮穩(wěn)定性分析與研究[J].工程建設，2016，48(4)：40-43.

[3] JGJ 94—2008，建筑樁基技術規(guī)范[S].

[4] 王 浩.地下室結(jié)構的抗浮設計與分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2013.

Design and analysis on anti-floating stability of an underground clean-water tank

Chen Lingcai Cui Yun

(ChinaMachineryInternationalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,EastChinaBranch,Nanjing210023，China)

The paper introduces the calculation methods for the whole and partial anti-floating of the pool, illustrates the common anti-floating measures in the current projects, combined with engineering example, and indicates the design process for the pool anti-floating stability with the concrete pipe piles of the clean-water pool, so as to provide some ideas for similar engineering design.

clean-water pool, anti-floating design, uplift pile, water buoyance

1009-6825(2017)07-0051-02

2016-12-13

陳令才(1986- )，男，工程師； 崔 云(1988- )，男，工程師

TU462

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