富水地層地鐵車站結(jié)構(gòu)抗浮措施性能分析

臧萬軍，張雨露，趙曦雯

(1.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350118；2.地下工程福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350118)

地鐵車站底板多位于地下水位以下，地下水的賦存狀態(tài)對地下結(jié)構(gòu)的承載力、變形、穩(wěn)定性和耐久性有較大影響，地鐵車站設(shè)計(jì)時(shí)不但要考慮車站承載力，還要對車站進(jìn)行抗浮驗(yàn)算，設(shè)計(jì)與施工階段對地下結(jié)構(gòu)抗浮不重視將會埋下巨大隱患，過大的水浮力可能會對結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞[1-3]。地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)有抗浮設(shè)防水位確定和結(jié)構(gòu)底板所承受水浮力計(jì)算兩個主要問題?？垢≡O(shè)防水位是進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)的首要問題，《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》[4]按有、無長期水位觀測資料規(guī)定了抗浮設(shè)防水位；《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]確定抗浮設(shè)防水位應(yīng)綜合分析抗浮工程勘察報(bào)告、場區(qū)地下水水位預(yù)測咨詢報(bào)告等；游慶[6]分析了不同水文地質(zhì)條件中的地下結(jié)構(gòu)，提出以“疏”代“抗”降低地下水位來滿足地下結(jié)構(gòu)的抗浮要求；王軍輝[7]認(rèn)為場域法和區(qū)域法在抗浮水位分析方面有著很好的應(yīng)用。目前，在場地水文情況不確定或相關(guān)資料較少的情況下，設(shè)計(jì)人員往往采取結(jié)構(gòu)使用年限內(nèi)的最高水位作為抗浮設(shè)防水位。工程中多按照靜水壓力計(jì)算水浮力荷載，但現(xiàn)場實(shí)測的孔隙水壓力和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、地下結(jié)構(gòu)所受浮力與按照靜水壓力計(jì)算結(jié)果存在一定差距。對不同地層中水浮力的折減，學(xué)術(shù)界也有不同觀點(diǎn)[8-10]。抗浮措施主要有結(jié)構(gòu)配重法、圍護(hù)結(jié)構(gòu)法、抗浮樁法、抗浮錨桿法、泄水減壓法等，但適用條件還需根據(jù)不同場區(qū)條件合理確定。

本文以某沿海城市富水地層地鐵車站結(jié)構(gòu)為研究對象，通過室內(nèi)試驗(yàn)得出抗浮計(jì)算中相關(guān)參數(shù)，采用理論驗(yàn)算和三維數(shù)值模擬結(jié)合的方法，分析不同抗浮措施對地鐵車站結(jié)構(gòu)底板位移、變形影響規(guī)律，對原有的抗浮設(shè)計(jì)方案進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

某沿海城市明挖地下二層島式地鐵車站，長226 m，寬19.7 m，高14.1 m，橫、縱向柱跨均為9 m，側(cè)墻厚1 m，頂板厚0.8 m、中板厚0.4 m、底板厚0.9 m，柱尺寸為1.2 m × 0.8 m，頂板梁尺寸為1.2 m × 1.8 m、中板梁尺寸為1 m × 1.2 m、底板梁尺寸為1.2 m × 2.21 m，各層板采用C30混凝土，其余構(gòu)件采用C35混凝土。地下連續(xù)墻嵌固深度9 m，頂部設(shè)置有截面尺寸為0.9 m × 1.3 m的壓頂梁，連接地下連續(xù)墻與車站主體結(jié)構(gòu)，車站上部覆土計(jì)算深度3.3 m。各地層主要參數(shù)如表1所示。

表1 地層巖土力學(xué)參數(shù)

根據(jù)車站巖土工程勘察報(bào)告，本場地的地下水按賦存介質(zhì)可分為4類：人工填土中上層滯水、第四系土層中的孔隙潛水、殘積層及全、散體狀強(qiáng)風(fēng)化帶中的風(fēng)化殘積孔隙裂隙水和賦存于碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化～中、微風(fēng)化帶的基巖裂隙水。上層滯水及第四系孔隙潛水、承壓水主要接受大氣降水下滲補(bǔ)給，水量有限，勘察期間揭示地下水位埋深1.9～4.8 m。

2 單樁極限側(cè)阻力測定

分別對工程現(xiàn)場不同地層土樣進(jìn)行室內(nèi)單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，計(jì)算單樁在不同地層中極限側(cè)阻力。使用自制試驗(yàn)裝置，在裝填模型箱底部預(yù)留孔洞使試驗(yàn)樁不承受樁端阻力，所有抗壓承載力均由樁側(cè)摩阻力提供，不同地層土樣中單樁抗壓極限承載力除以樁-土界面面積即為該地層中單樁極限側(cè)阻力。

2.1 裝填模型箱制作及試驗(yàn)準(zhǔn)備

裝填模型箱尺寸為40 cm × 40 cm × 20 cm(長 × 寬 × 高)，由6 mm厚鋼板焊接成型，側(cè)面鋼板用10 mm鋼筋橫向加固，底部中間開口10.5 cm×10.5 cm。模型箱幾何尺寸如圖1所示。預(yù)制樁尺寸為10 cm × 10 cm × 40 cm(長 × 寬 × 高)，采用C20細(xì)石混凝土澆筑，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)7 d。試驗(yàn)前將模型箱放置于平整地面，把養(yǎng)護(hù)好的預(yù)制樁置于箱底開口處，分層裝填試驗(yàn)土樣。每層厚度為5 cm，分層用擊錘夯實(shí)，分層處拉毛處理?？拷囼?yàn)樁的區(qū)域每層2 cm厚，分層用小橡膠錘擊實(shí)，通過每層土樣質(zhì)量控制其密實(shí)度，使裝填土樣重度達(dá)到天然重度。

圖1 模型箱幾何尺寸(單位: mm)

2.2 加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)加載系統(tǒng)由反力架和液壓千斤頂組成，裝填模型箱置于混凝土墊塊上，預(yù)制樁在受壓過程中穿過預(yù)留孔洞向下位移。裝填模型箱土層上面加蓋一塊10 mm厚鋼板，由液壓千斤頂頂進(jìn)鋼板對土層加載，模擬土層堆載情況，液壓千斤頂下放置壓力傳感器，可記錄加載力的大小，鋼板上放置墊塊，升高液壓千斤頂位置，方便加載。預(yù)制樁上部采用液壓千斤頂分級加載，千斤頂下有壓力傳感器記錄每級加載大小，壓力傳感器與預(yù)制樁之間放置一墊塊，防止加載過程中預(yù)制樁表面破碎，影響試驗(yàn)結(jié)果。加載過程中預(yù)制樁會有向下的位移，在千斤頂上與反力架之間放置一彈簧，可防止預(yù)制樁向下位移后千斤頂與反力架脫離。在預(yù)制樁上的墊塊表面放置一電子位移計(jì)，測量預(yù)制樁位移量。試驗(yàn)加載系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 加載系統(tǒng)示意圖

2.3 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告中不同土層埋置深度，估算各土層平均承受壓力，試驗(yàn)過程中各土層堆載值達(dá)到與工程現(xiàn)場土層壓力條件相似。

選用《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》慢速維持荷載法，某級荷載作用下樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍，可終止加載，單樁豎向抗壓極限承載力取荷載-沉降曲線發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對應(yīng)的荷載值[11]，不同地層中單樁荷載-沉降曲線如圖3所示。

圖3 不同地層中單樁荷載-沉降曲線圖

試驗(yàn)過程中樁不承受樁端阻力，單樁豎向抗壓極限承載力均由樁側(cè)摩阻力提供。試驗(yàn)樁長、寬均為0.1 m，在土體中埋置深度為0.2 m，即樁-土接觸面積為0.08 m2。單樁豎向抗壓極限承載力除以樁-土接觸面積0.08 m2即為堆載條件下單樁極限側(cè)阻力值。同一條件下單樁豎向抗壓承載力特征值按單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計(jì)值的一半取值[11]，單樁側(cè)阻力特征值取單樁極限側(cè)阻力統(tǒng)計(jì)值的一半。不同地層中單樁極限側(cè)阻力統(tǒng)計(jì)值和單樁側(cè)阻力特征值如表2所示。

表2 不同地層單樁側(cè)阻力值

3 結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 抗浮計(jì)算公式及穩(wěn)定狀態(tài)判斷

按照最不利工況對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算，當(dāng)結(jié)構(gòu)自身不滿足抗浮要求時(shí)，應(yīng)增加抗浮措施并進(jìn)行抗浮驗(yàn)算[12-13]。根據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]第6.4.1條規(guī)定，地下工程按式(1)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性計(jì)算。

(1)

式中，Kf為計(jì)算區(qū)域整體的抗浮穩(wěn)定性系數(shù)；∑W為計(jì)算區(qū)域總抗浮力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；A為計(jì)算區(qū)域底板面積，m2；∑Ff為計(jì)算區(qū)域地下結(jié)構(gòu)底板所承受的浮力標(biāo)準(zhǔn)值總和，kN/m2。

根據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第6.2.1條規(guī)定，抗浮設(shè)防水位高程與地下結(jié)構(gòu)底板底面高程水位差產(chǎn)生的浮力標(biāo)準(zhǔn)值按式(2)計(jì)算。

FW=γWΔhW

(2)

式中：FW為靜水位差產(chǎn)生的浮力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；γW為水的重度，kN/m3；ΔhW為抗浮設(shè)防水位與地下結(jié)構(gòu)底板底面地下水位差值，m。

建筑工程抗浮穩(wěn)定狀態(tài)根據(jù)抗浮穩(wěn)定性系數(shù)判定[5]，如表3所示。

表3 建筑工程抗浮穩(wěn)定狀態(tài)判定標(biāo)準(zhǔn)

地鐵車站結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性計(jì)算，抗浮設(shè)計(jì)等級取甲級，使用期抗浮穩(wěn)定性系數(shù)Kf≥ 1.10。

3.2 抗浮計(jì)算

取車站結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段單位長度進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性計(jì)算。

(1)結(jié)構(gòu)自重+荷載計(jì)算

上層覆土自重

W1=19.7×3.3×18=1 170.18 kN

各層板總自重

W2=(0.9+0.4+0.8)×19.7×24=992.88 kN

各柱總自重

W3=0.8×1.2×(5.85+6.15)/9×25=32 kN

各梁總自重

W4=[1.2×(1.8-0.8)+1×(1.2-0.4)+1.2×(2.21-0.9)]×25=89.3 kN

各側(cè)墻總自重

W5=(5.85+6.15)×1×25×2=600 kN

基底混凝土保護(hù)層自重

W6=0.2×19.7×25=98.5 kN

(2)水浮力

計(jì)算時(shí)抗浮設(shè)防水位取至地表，按靜水壓力計(jì)算，結(jié)構(gòu)底板承受17.4 m水頭壓力。

A∑Ff=17.4×19.7×10=3 427.8 kN

(3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗浮力計(jì)算

原抗浮設(shè)計(jì)中，沿車站主體結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置厚0.8 m、嵌固深度9 m圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為抗浮措施，上部設(shè)置0.9 m×1.3 m壓頂梁。圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壁摩阻力計(jì)算時(shí)，考慮到圍護(hù)結(jié)構(gòu)作用形式與抗浮樁作用形式相似，借鑒抗浮樁的抗浮力試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算方式[13]。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壁摩阻力

W7=1.2×10.3+5.6×15+3.3×30+5.7×40.5+1.6×34.5+2.9×45+2.8×75=821.91 kN

圍護(hù)結(jié)構(gòu)及壓頂梁自重

W8=0.8×23.1×25+0.9×1.3×25=491.25 kN

(4)抗浮錨桿的抗浮力計(jì)算

若對抗浮方案進(jìn)行修改，采用直徑0.2 m，長12 m，在結(jié)構(gòu)底板間隔3 m均勻布置抗浮錨桿時(shí)，能夠提供的抗浮力

W9=3.14×0.2×(1.7×40.5+1.6×34.5+2.9×45+5.8×75)/3×6=866.1 kN

(5)抗浮樁的抗浮力計(jì)算

若對抗浮方案進(jìn)行修改，采用直徑0.8 m，長12 m，在結(jié)構(gòu)底板間隔6 m均勻布置抗浮樁時(shí)，能夠提供的抗浮力

W10=3.14×0.8×(1.7×40.5+1.6×34.5+2.9×45+5.8×75)/6×3=866.1 kN

(6)抗浮錨桿+圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗浮力計(jì)算

采用抗浮組合，減小原設(shè)計(jì)方案中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌入深度，增設(shè)抗浮錨桿，與圍護(hù)結(jié)構(gòu)共同抵抗水浮力。修改原設(shè)計(jì)方案，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度減小至5 m，增設(shè)直徑0.2 m，長6 m，在結(jié)構(gòu)底板間隔3 m均勻布置抗浮錨桿時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壁摩阻力

W11=1.2×10.3+5.6×15+3.3×30+5.7×40.5+1.6×34.5+1.7×45=557.91 kN

圍護(hù)結(jié)構(gòu)及壓頂梁自重

W12=0.8×19.1×25+0.9×1.3×25=411.25 kN

抗浮錨桿抗浮力

W13=3.14×0.2×(1.7×40.5+1.6×34.5+2.7×45)/3×6=308.4 kN

(7)抗浮樁+圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗浮力計(jì)算

采用抗浮組合，減小原設(shè)計(jì)方案中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌入深度，增設(shè)抗浮樁，與圍護(hù)結(jié)構(gòu)共同抵抗水浮力。修改原設(shè)計(jì)方案，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度減小至5 m，增設(shè)直徑0.8 m，長6 m，在結(jié)構(gòu)底板間隔6 m均勻布置抗浮樁時(shí)，抗浮樁抗浮力

W14=3.14×0.8×(1.7×40.5+1.6×34.5+2.7×45)/6×3=308.4 kN

3.3 抗浮穩(wěn)定性判斷

(1)不采取抗浮措施時(shí)

Kf1=(W1+W2+W3+W4+W5+W6)/A∑Ff=2 982.86/3 427.8=0.87<1.10

此時(shí)僅靠結(jié)構(gòu)自重和上層覆土自重，無法滿足結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性要求，需要增加額外的抗浮措施抵抗水浮力。

(2)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重和側(cè)壁摩阻力時(shí)

Kf2=(W1+W2+W3+W4+W5+W6+W7+W8)/A∑Ff=4 296.02/3 427.8=1.25>1.10

計(jì)入圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重和側(cè)壁摩阻力，滿足結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性要求。

(3)采用抗浮錨桿時(shí)

Kf3=(W1+W2+W3+W4+W5+W6+W9)/A∑Ff=3 848.96/3 427.8=1.12>1.10

采用抗浮錨桿時(shí)，滿足結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性要求。

(4)采用抗浮樁時(shí)

Kf4=(W1+W2+W3+W4+W5+W6+W10)/A∑Ff=3 848.96/3 427.8=1.12>1.10

采用抗浮樁時(shí)，滿足結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性要求。

(5)采用抗浮錨桿+圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)

Kf5=(W1+W2+W3+W4+W5+W6+W11+W12+W13)/A∑Ff=4 260.42/3 427.8=1.24>1.10

采用抗浮錨桿+圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，滿足結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性要求。

(6)采用抗浮樁+圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)

Kf6=(W1+W2+W3+W4+W5+W6+W11+W12+W14)/A∑Ff=4 260.42/3 427.8=1.24>1.10

采用抗浮樁+圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，滿足結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性要求。

4 幾種抗浮措施的有限元分析

采用MIDAS/GTS NX有限元軟件計(jì)算車站結(jié)構(gòu)在水浮力作用下的位移、變形。分別計(jì)算車站底板水頭高度4、8、12 及17.4 m時(shí)，車站底板處的位移、最大變形，比較不同抗浮措施效果。

4.1 計(jì)算模型

根據(jù)車站實(shí)際規(guī)模及地層分布建立三維模型，計(jì)算過程中的影響寬度及深度約為地鐵基坑開挖深度的2～3倍，模型長 × 寬 × 深取280 m × 80 m × 60 m。模型邊界條件為底部完全約束，四周水平約束，頂部邊界自由。土體選用實(shí)體單元，本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫；車站結(jié)構(gòu)頂板、中板、底板、側(cè)墻、圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元，柱、梁、抗浮錨桿和抗浮樁采用梁單元，本構(gòu)模型采用彈性本構(gòu)。無圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻與土體之間設(shè)置界面單元，有圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間設(shè)置界面單元，車站結(jié)構(gòu)底板與土體之間設(shè)置界面單元，抗浮樁與土體之間設(shè)置樁界面單元。

采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)法時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)沿結(jié)構(gòu)主體外側(cè)設(shè)置，嵌固深度9 m；采用抗浮錨桿時(shí)，抗浮錨桿直徑0.2 m，長度12 m，布置形式為3 m間隔均勻布置；采用抗浮樁時(shí)，抗浮樁直徑0.8 m，長度12 m，布置形式為6 m間隔的均勻布置；采用抗浮錨桿+圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度5 m，抗浮錨桿直徑0.2 m，長6 m，布置形式為3 m間隔均勻布置；采用抗浮樁+圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度5 m，抗浮樁直徑0.8 m，長6 m，布置形式為6 m間隔均勻布置。計(jì)算時(shí)不考慮水在土體中滲流對水頭的折減，按全部水頭計(jì)算。模型如圖4所示，材料參數(shù)如表4所示。

圖4 有限元模型

表4 材料參數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

選取底板與縱向兩側(cè)側(cè)墻連接處的豎向位移為車站底板的豎向位移，車站底板范圍內(nèi)最大豎向位移與豎向位移之差為車站底板的最大變形，分別提取不同抗浮措施下車站結(jié)構(gòu)底板的豎向位移、最大變形進(jìn)行對比分析。

(1)車站結(jié)構(gòu)底板位移分析

不同水頭高度下采取不同抗浮措施時(shí)，車站結(jié)構(gòu)底板豎向位移如圖5所示。

圖5 車站結(jié)構(gòu)底板豎向位移

未采取抗浮措施情況下，車站底板水頭高度為4 m時(shí)，車站底板豎向位移0.38 mm，隨著水頭高度不斷增大，車站結(jié)構(gòu)豎向位移繼續(xù)增加。當(dāng)車站底板高度為12 m時(shí)，車站底板豎向位移3.67 mm。當(dāng)?shù)叵滤桓叨鹊竭_(dá)地表時(shí)，車站底板水頭高度為17.4 m，此時(shí)車站結(jié)構(gòu)和上部覆土層自重不足以抵抗水浮力作用，車站向上浮起，車站抗浮失效。

采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重及其側(cè)壁摩阻力平衡一部分水浮力，車站結(jié)構(gòu)在水浮力作用下的豎向位移明顯減小，當(dāng)車站底板水頭高度為17.4 m時(shí)，車站底板豎向位移為1.68 mm，滿足車站抗浮要求。

采用抗浮錨桿法或抗浮樁法，抗浮錨桿提供的錨固力或抗浮樁的樁側(cè)摩阻力能夠較大程度地抵抗水的浮力作用，車站結(jié)構(gòu)豎向位移比不采取抗浮措施時(shí)大幅降低，當(dāng)車站底板水頭高度為4 m時(shí)，采用抗浮錨桿法或抗浮樁法車站底板的豎向位移量分別為0.26和0.12 mm，當(dāng)水頭高度達(dá)到17.4 m時(shí)，兩種抗浮措施下結(jié)構(gòu)底板豎向位移分別增加至4.04和3.95 mm。

采用抗浮組合的形式，抗浮效果更加明顯。當(dāng)車站底板水頭高度為17.4 m時(shí)，采用抗浮錨桿+圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合的方法，車站底板豎向位移1.14 mm，采用抗浮樁+圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合的方法時(shí)，車站底板豎向位移僅0.79 mm。

地鐵結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)防計(jì)算中，地鐵上浮量取值偏于保守。文獻(xiàn)[14]對軌道結(jié)構(gòu)位移要求：隧道絕對變形量及水平位移量小于10 mm。文獻(xiàn)[13]開展抗浮樁現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明，樁側(cè)阻力約為極限側(cè)阻力的50%時(shí)，所對應(yīng)抗浮樁上拔量約為7 mm。本文計(jì)算過程中選用的樁側(cè)阻力特征值為極限側(cè)阻力的一半，對抗浮樁上拔控制量取7 mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壁摩阻力計(jì)算時(shí)借鑒抗浮樁的抗浮力計(jì)算方式，圍護(hù)結(jié)構(gòu)上拔控制量沿用抗浮樁上拔控制量7 mm。對本工程案例進(jìn)行數(shù)值模擬分析，幾種抗浮措施下結(jié)構(gòu)底板豎向位移均在上拔控制量范圍內(nèi)。

(2)車站結(jié)構(gòu)底板最大變形分析

不同水頭高度下采取不同抗浮措施時(shí)，車站結(jié)構(gòu)底板最大變形如圖6所示。

圖6 車站結(jié)構(gòu)底板最大變形

未采取抗浮措施，車站結(jié)構(gòu)受到水浮力作用除發(fā)生較大的豎向位移，還有較大的變形，當(dāng)車站底板水頭高度為4 m時(shí)，車站底板最大變形量為2.1 mm，車站底板水頭高度為17.4 m時(shí)，車站抗浮失效向上浮起，車站底板最大變形達(dá)36.5 mm，這是因?yàn)榈罔F車站整體形狀窄長，長寬比較大，在受力情況下容易發(fā)生彎曲變形，中間段位置變形最大。

采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)法抗浮，當(dāng)車站底板水頭高度為4 m時(shí)，車站底板最大變形為0.96 mm，車站底板水頭高度為17.4 m時(shí)，車站底板最大變形達(dá)到5.75 mm，車站結(jié)構(gòu)變形較大，這是因?yàn)椴捎脟o(hù)結(jié)構(gòu)法時(shí)，雖然能夠有效減小車站整體向上位移，但易發(fā)生以兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為支點(diǎn)的撓曲變形。

采用抗浮錨桿或抗浮樁，能夠有效減少車站結(jié)構(gòu)變形。車站底板水頭高度為4 m時(shí)，采用抗浮錨桿或抗浮樁時(shí)車站底板最大變形分別為0.85 和0.71 mm，車站底板水頭高度為17.4 m時(shí)，采用這兩種抗浮措施車站底板最大變形分別增長至2.37和2.04 mm。

采用抗浮組合時(shí)也能有效控制結(jié)構(gòu)變形，當(dāng)車站底板水頭高度為17.4 m時(shí)，采用抗浮錨桿+圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合的方法，車站底板最大變形為1.86 mm，采用抗浮樁+圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合的方法，車站底板最大變形為1.66 mm。圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重及側(cè)壁摩阻力能夠有效抵御水浮力，控制結(jié)構(gòu)上浮。在此基礎(chǔ)上增設(shè)抗浮錨桿或抗浮樁，抗浮錨桿和抗浮樁通過錨桿的錨固力或抗浮樁的樁側(cè)摩阻力作用于車站底板平衡水浮力，同時(shí)也能有效約束底板變形。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.4.3條，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的最大撓度應(yīng)按荷載的準(zhǔn)永久組合，應(yīng)考慮荷載長期作用影響計(jì)算[15]。地鐵車站結(jié)構(gòu)按屋蓋、樓蓋及樓梯構(gòu)件計(jì)算且使用上對撓度有較高要求，當(dāng)跨度l大于9 m時(shí)，撓度極限為l/400。車站標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.7 m，撓度極限為19 700/400 = 49.25 mm，幾種抗浮措施下車站結(jié)構(gòu)底板最大變形均在撓度極限范圍內(nèi)。

4.3 主動抗浮措施分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)法、抗浮錨桿法、抗浮樁法及抗浮組合的方式都屬于被動抗浮措施，水浮力大小并未改變，只是利用結(jié)構(gòu)自重和抗浮措施提供的抗浮力平衡水浮力。排水減壓法屬于主動抗浮措施，通過排水措施降低地下水位，可從源頭降低地下結(jié)構(gòu)受到的水浮力。

不采取抗浮措施，當(dāng)車站底板水頭高度為17.4 m時(shí)，車站整體抗浮失效，向上浮起，采用排水減壓法降低地下水位，當(dāng)車站底板水頭高度降到12 m時(shí)，此時(shí)車站自重和上層覆土重量可以抵抗水浮力作用，底板僅有3.67 mm豎向位移，當(dāng)車站底板水頭高度降到8 m時(shí)，底板豎向位移減少36%至2.34 mm。采用主動抗浮措施，隨著地下水位降低，車站底板的水頭高度逐漸減小，車站豎向位移可以有效控制。

采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)法，當(dāng)車站底板水頭高度為17.4 m時(shí)，底板向上位移1.68 m，通過排水減壓降低地下水位，車站底板水頭高度降到12 m時(shí)，底板豎向位移減少29.2%至1.19 mm，車站底板水頭高度降到8 m時(shí)，底板豎向位移減少52.9%至0.56 mm。

某些工程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)兼具截水功能，阻隔地下水流向結(jié)構(gòu)底部，減小結(jié)構(gòu)底部水浮力。

5 結(jié)論

1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)雖可減少車站結(jié)構(gòu)底板豎向位移，但是在水浮力的作用下，結(jié)構(gòu)底板將產(chǎn)生以兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為支點(diǎn)的向上撓曲變形，結(jié)構(gòu)底板變形較大，結(jié)構(gòu)整體受力不利。不建議單獨(dú)采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)法抗浮。

2)抗浮錨桿或抗浮樁抗浮，在抗浮錨桿或抗浮樁對車站底板的約束下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，對結(jié)構(gòu)底板變形的控制優(yōu)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)法。當(dāng)水位達(dá)到地表時(shí)，采用抗浮錨桿即可滿足抗浮要求，可有效控制成本。

3)抗浮組合能充分發(fā)揮兩種抗浮方式優(yōu)點(diǎn)，在抵抗結(jié)構(gòu)豎向位移、減小結(jié)構(gòu)底板變形方面比采用單一抗浮形式有明顯提高，場區(qū)地下水位較高時(shí)可采用抗浮組合。

4)排水減壓法抗浮通過降低結(jié)構(gòu)底板處的水頭高度，減小底板所受水浮力，從根源上解決結(jié)構(gòu)抗浮問題，抗浮效果更加顯著，可配合被動抗浮措施共同使用。

5)工程實(shí)例中，原抗浮設(shè)計(jì)方案中圍護(hù)結(jié)構(gòu)法即可滿足抗浮穩(wěn)定性要求?？紤]底板變形情況，可采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)加抗浮樁作為抗浮設(shè)計(jì)方案，圍護(hù)結(jié)構(gòu)可有效減小結(jié)構(gòu)豎向位移，設(shè)置一定密度的抗浮樁可減少結(jié)構(gòu)撓曲變形。變更設(shè)計(jì)方案為，嵌固深度5 m的圍護(hù)結(jié)構(gòu)加直徑0.8 m，長度6 m，間隔6 m均勻布置的抗浮樁作為抗浮措施。