鋼筋混凝土水池抗浮設(shè)計分析

張陸桓

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

1 引言

當(dāng)?shù)叵聵?gòu)筑物的自身重量不能抵抗地下水浮力時，地下的構(gòu)筑物將會產(chǎn)生上浮力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形破壞[1]。尤其對于埋地式水池而言，沒有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，一般情況下僅依靠自身池壁和地板的重量抵抗水浮力，經(jīng)常遇到結(jié)構(gòu)抗浮能力不能達(dá)到設(shè)計要求的情況。設(shè)計人員一般都會進(jìn)行抗浮設(shè)計，并結(jié)合具體場地與施工條件進(jìn)行全面考慮。不同體量的工程需要進(jìn)行不同的抗浮設(shè)計，設(shè)計方案是否合理對結(jié)構(gòu)安全與工程造價均有較大影響。

本文主要基于水池抗浮穩(wěn)定性設(shè)計驗算要求，總結(jié)水池抗浮設(shè)計計算方法，并分析數(shù)種抗浮設(shè)計方案，同時結(jié)合具體設(shè)計實例，總結(jié)分析抗浮設(shè)計過程中方案的選擇方式與思路。

2 水池抗浮計算

結(jié)構(gòu)抗浮能力主要是指結(jié)構(gòu)阻止在水浮力作用下整體上浮的能力，即結(jié)構(gòu)抗漂浮的能力。水池可能發(fā)生整體上浮，也可能局部區(qū)域抗浮能力不足造成結(jié)構(gòu)破壞。通常情況下，對于無支柱的水池，僅需驗算水池的整體抗浮能力；如果水池有支柱，還需考慮水池的局部抗浮能力[2]。本文重點(diǎn)討論無支柱水池的相關(guān)內(nèi)容。

在《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007-2011）[3]中，簡單描述了抗浮穩(wěn)定性驗算的方法，即：

式中，Gk為建筑自重及壓重之和，kN；Nw，k為浮力作用值，kN；Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般情況下可取1.05。其中建筑自重及壓重之和包含了池體自重、池內(nèi)壓重、池頂壓重、池壁外挑墻趾上部土壓重、池底下部板配重等一系列抵抗力；浮力作用值為池底陰影面積內(nèi)產(chǎn)生的水浮力。

3 抗浮方案的分析比較

解決水池上浮的問題一般有多種方案，有時單一的方法即可使水池的抗浮能力達(dá)到要求，有時需要結(jié)合多種抗浮方案聯(lián)合解決。在水池的抗浮計算中，通常采用水池的最不利狀態(tài)，即空池狀態(tài)進(jìn)行計算。目前抗浮計算中常用的方法有自重抗浮法、配重平衡法、摩擦抗浮法、延伸底板法、錨固抗浮法等。

3.1 自重抗浮法

自重抗浮法是通過提高池體結(jié)構(gòu)總重量達(dá)到抗浮的目的。通常情況下，考慮最不利因素，水池的自重不包括池中設(shè)備重量以及其他安裝、使用荷載。在水池自重與地下水浮力相差不大的情況下，通常采用增加池壁及頂、底板的尺寸達(dá)到增加自重的目的。該方法是抗浮方案中最簡單且易于操作的方法，但增加構(gòu)件尺寸會提高混凝土使用量，從而提高造價。但由于構(gòu)件厚度的增加，可以減少池壁與底板的配筋率，減小鋼筋量，在一定程度上也提高了水池結(jié)構(gòu)的剛度，增強(qiáng)了池體局部抗彎、抗剪、抗沖切的能力。根據(jù)工程實踐，自重與地下水浮力相差在10%以內(nèi)的情況下，采用增加結(jié)構(gòu)自重來達(dá)到抗浮目的具有較好的經(jīng)濟(jì)性[4]。

3.2 配重平衡法

配重平衡法的大致思路為增加除水池自身結(jié)構(gòu)自重外其他附加恒載的量值，用于平衡池體所受的水浮力。配重抗浮經(jīng)常采用的有池頂覆土、底板上部設(shè)低等級混凝土壓重、在底板下部設(shè)低等級混凝土掛重等方法，最終目的均是增加池體的非結(jié)構(gòu)自重。該方法簡單可靠，不會增加投產(chǎn)后的額外管理維護(hù)成本，但較大的配重會增加基底壓力，引起較大的地基變形[5]。同時，不論是在池底或在池頂增加配重，均會使底、頂板受力增加，從而增加底、頂板的配筋量及構(gòu)件厚度，甚至在一些情況下，為了避免“強(qiáng)梁弱柱”的問題出現(xiàn)，還要增大池壁的構(gòu)件尺寸及配筋量。當(dāng)采用底板下設(shè)混凝土掛重的方法時，選取的底板邊緣掛點(diǎn)會使底板的受力變化較小，但由于底板和掛重部分混凝土須用鋼筋連接，施工比較麻煩，尤其當(dāng)?shù)叵滤哂幸欢ㄇ治g性時，該方法需謹(jǐn)慎使用。

3.3 摩擦抗浮法

地下水池池壁與土壤間存在摩擦力，可以在一定程度上抵抗水池的上浮。摩擦力的大小與土壤的側(cè)壓力、土層的物理性質(zhì)和池壁外側(cè)的光滑程度有關(guān)，也與回填深度與回填質(zhì)量有關(guān)。但由于該摩擦力與很多因素有關(guān)，在實際工程中極難確定，計算結(jié)果的可靠性不強(qiáng)。同時，地下水池池壁與土壤間的摩擦力對水池的抗浮幫助并不大，因此，在實際工程中很少考慮摩擦力帶來的抗浮效應(yīng)。

3.4 延伸底板法

延伸底板法是將水池底板向外延伸形成懸臂底板，懸臂底板上覆蓋有回填土，可以抵抗上浮力。懸臂底板的覆土厚度較深，對于埋地式水池來說，覆土厚度可從底板頂面計算至自然地面標(biāo)高，因此懸臂底板上的附加恒載極大，可起到有效的局部抗浮作用。本質(zhì)上來說，延伸底板法是特殊的配重平衡法?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，懸臂板不能挑出太長的距離，因此延伸底板法僅可作用于池壁外側(cè)較小區(qū)域。對面積較小的埋地式水池而言，延伸底板法的抗浮能力是極為突出的。但當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)面積較大時，延伸底板法由于只能作用于外墻附近，因而其抗浮能力對整體結(jié)構(gòu)極為有限。另一方面，擴(kuò)大底板面積使基坑開挖面積增大，挖填土方量及支護(hù)結(jié)構(gòu)周長都會相應(yīng)的增大，水浮力也會相應(yīng)增大。因此，該法適合于不受場地限制的規(guī)模較小的地下構(gòu)筑物，如對面積較大的地下結(jié)構(gòu)物，延伸底板法可配合其他抗浮措施在地下室外墻附近局部采用。

3.5 錨固抗浮法

錨固抗浮法主要是在水池底部設(shè)置樁或者錨桿，利用其抗拔力平衡水浮力。雖然樁和錨桿的實現(xiàn)方式有所不同，但其均可有效解決埋地式水池的抗浮問題。

埋地式水池絕大多數(shù)的抗拔樁為摩擦樁，端承樁基本不會使用。雖然抗拔樁工程目前施工工藝較為成熟，施工過程質(zhì)量也易于控制，但額外的樁基工程會對整個工程的工期與經(jīng)濟(jì)性造成一定的挑戰(zhàn)。另外，由于樁徑越小，相對摩擦面積就越大，所以在相同條件下使用樁徑較小的樁是合理的。同時，水池底板基本為平板，因此單樁抗拔力也不宜過大，否則會使底板產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，抗拔樁宜選用樁徑和單樁抗拔力較小的樁進(jìn)行密布，以減小或避免水池底板應(yīng)力集中[6]。

錨桿多用于水池板底距堅硬土層或基巖不大的情況，此時將池底與基巖通過錨桿相連可以有效地解決抗浮問題，該種錨桿稱為巖石錨桿。直接連接一般土層的錨桿也有使用，雖然這種錨桿造價相對較低，但影響該錨桿抗拔力的因素過多，故此處主要介紹巖石錨桿。因錨桿的布置密度相比抗拔樁更密，對池底板的整體作用更接近于均布荷載，有利于底板的抗?jié)B抗裂性能[7]。但錨桿的使用具有一定的局限性。當(dāng)水池內(nèi)無水時，錨桿處于受拉狀態(tài)；當(dāng)水池內(nèi)滿水或外部地下水位降低時，錨桿處于受壓狀態(tài)。在受壓條件下，錨桿的工作狀態(tài)并不能很好地描述。另一方面，錨桿的施工較為專業(yè)，需要使用專門的設(shè)備以及進(jìn)行特定的實驗，對建設(shè)人員的施工能力有一定的要求。更重要的是，當(dāng)?shù)叵滤懈g性時，錨桿的耐久性得不到保證[8]。

除了以上抗浮方案外，還有設(shè)觀察井抗浮、降低地下水位抗浮等方法，但這些方法在實際施工中程序復(fù)雜、操作困難，有一定局限性，應(yīng)用較少。

4 工程應(yīng)用

以某處理廠的雨水提升井為例，對該井進(jìn)行抗浮計算及抗浮措施的分析比較。該井的主要作用為收集廠區(qū)內(nèi)的雨水，通過井中設(shè)置的三臺提升泵，將廠區(qū)內(nèi)雨水排至廠區(qū)外。井中設(shè)置水位報警系統(tǒng)，當(dāng)井中雨水高度達(dá)到報警水位時則進(jìn)行人工干預(yù)。井頂上部為廠區(qū)內(nèi)道路，且參考地勘文件，地下水位按地坪標(biāo)高考慮，井口水平尺寸為4.5m×4.5m。在初始設(shè)計時，按照結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果及相關(guān)規(guī)范規(guī)定，井壁及上下頂板的厚度需選擇300mm即可滿足受力要求。此時混凝土用量為38.07m3，水池構(gòu)件中最大配筋處單側(cè)配筋量為1183mm2/m。但抗浮能力并不能滿足要求，抗浮計算中抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)僅為0.81，此時需采用抗浮措施。

由于該井位于道路下方且底板需設(shè)置提升泵，故沒有采用配重平衡法的條件。同時該井體量較小，且下部土體為廠區(qū)其他子項建設(shè)完畢后的回填土，無論從施工難度或工程經(jīng)濟(jì)性考慮，錨固抗浮法是不適用的。因此，首先使用自重抗浮法，將井壁及頂、底板的尺寸改為400mm，此時混凝土用量為51.48m3，水池構(gòu)件中最大配筋處單側(cè)配筋量為1184mm2/m。修改后提升井自重增加，但對工程造價影響僅為增加混凝土用量的影響，是可以接受的。改動后重新進(jìn)行抗浮驗算，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為1.02，仍然沒有達(dá)到1.05的規(guī)范要求值。故將延伸底板法納入考慮，將底板邊緣延伸500mm，此時雨水提升井的剖面圖如圖1 所示，混凝土用量增加為56.12m3，水池構(gòu)件中最大配筋處單側(cè)配筋量無變化。由于該提升井位于其他廠區(qū)子項的回填區(qū)范圍內(nèi)，因此對基坑開挖面積無影響。此時計算抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為1.32，滿足要求。

圖1 雨水提升井剖面圖（mm）

5 結(jié)語

在進(jìn)行埋地式水池的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，抗浮設(shè)計是一項必須考慮的內(nèi)容。當(dāng)水池的抗浮能力不滿足要求時，需綜合考慮工程的規(guī)模、位置、地基情況、地下水位等信息，選用一種或多種抗浮措施。通常情況下，抗浮措施需要配合使用，這樣才能使工程設(shè)計更為經(jīng)濟(jì)合理。