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        地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)討論

        2010-06-29 06:15:00劉發(fā)前
        城市道橋與防洪 2010年6期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)工程

        劉發(fā)前

        (上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院,上海200092)

        1 抗浮措施評述

        隨著城市化進(jìn)程的開展,地下空間開發(fā)越來越受到重視,且規(guī)模也越來越大。高層建筑的多層地下室、地下鐵道及隧道、地下停車場、地下商場、地下倉庫和地下市政設(shè)施都面臨著抗浮設(shè)計(jì)的難題。目前采用的抗浮措施主要有加重法、降截排水法、抗浮錨桿和抗浮樁等[1],各種方法及聯(lián)合方法均有很多成功案例。加重法的機(jī)理比較明確,即通過增加結(jié)構(gòu)尺寸(自重)來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗浮能力。但是結(jié)構(gòu)自重增加的同時(shí)浮力也增加,且有文獻(xiàn)[2]認(rèn)為抗浮計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)自重應(yīng)乘以0.9的分項(xiàng)系數(shù),因此該法的效果不佳。降截排水法是通過對地下水的處理降低壓力水頭,從而達(dá)到減小浮力的目的。該法效果比較明顯,但降水措施須持續(xù)進(jìn)行且需經(jīng)常檢修,經(jīng)濟(jì)性較差,在修復(fù)工程中用得比較多,或作為臨時(shí)措施采用。抗浮錨桿利用錨桿與砂漿組成的錨固體與巖土層的結(jié)合力作為抗浮力,造價(jià)低廉、施工方便,是近年應(yīng)用較多的抗浮措施[3][4]。但是,該法中鋼筋或鋼絞線容易受到腐蝕,勢必限制了抗浮錨桿的應(yīng)用。抗浮樁法應(yīng)用最多,與抗浮錨桿作用機(jī)理類似,依靠側(cè)摩阻力和重力抵抗水浮力。目前對抗浮樁的研究較多[5-7],應(yīng)用擴(kuò)底樁也大大增加了抗拔力并成功應(yīng)用于諸如上海鐵路南站等多項(xiàng)工程中??拱螛吨缘玫綇V泛應(yīng)用,不僅因?yàn)槠淇垢∽饔眯Ч^好,而且在非浮力工況下可起到控制調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)沉降的作用。另外,在結(jié)構(gòu)下臥層為液化土?xí)r,還起到抗液化的作用,保證結(jié)構(gòu)安全。

        2 抗浮機(jī)理分析

        根據(jù)工程特點(diǎn)和地質(zhì)情況選擇抗浮措施只是抗浮設(shè)計(jì)的一部分。抗浮設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地確定浮托力,這也是近年來專家學(xué)者研究和討論的熱點(diǎn),主要表現(xiàn)在抗浮設(shè)防水位的確定和粘土浮力計(jì)算折減問題。理論上說,地下工程的抗浮設(shè)防水位,應(yīng)為工程使用期內(nèi)工程所處位置的最高水位。文獻(xiàn)[4]對上層滯水、潛水和承壓水分別給出了設(shè)防水位的取值,即潛水應(yīng)取至潛水位或地面;承壓水取承壓水頭;底板穿透潛水層位于隔水層中時(shí),取潛水位并作折減。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為抗浮設(shè)防水位最高只為工程地面,這也被工程設(shè)計(jì)普遍接受,畢竟其簡單易確定,且在多數(shù)情況下是偏于安全的。存在這種簡化的另一個(gè)原因是,目前勘察設(shè)計(jì)報(bào)告中一般只給出:(1)勘察期間的水位;(2)歷史最高水位;(3)歷史最低水位;(4)設(shè)防水位建議值。這些結(jié)果尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足于抗浮設(shè)計(jì)。因此,在條件允許的情況下,應(yīng)對工程場地的含水層分布、各含水層的水力關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)勘測,給出更有針對性的結(jié)果。

        浮力計(jì)算上,對于砂土、碎石土和節(jié)理較發(fā)育的巖石地基,按設(shè)防水位100%計(jì)算浮力[4]是沒有疑議的。粘土地基上浮力與孔隙連通性較好的砂土、碎石相比偏小,亦是目前廣為接受的。但文獻(xiàn)只是簡單說明進(jìn)行折減,并未從理論上進(jìn)行解釋,筆者認(rèn)為不妥,因此斗膽對該問題發(fā)起討論,寄望于尋求問題的本質(zhì)。文中錯(cuò)誤之處,請同行專家指正。對于粘土地基上浮力偏小的認(rèn)識可分為兩派,一派是根據(jù)實(shí)測和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種規(guī)律,在設(shè)計(jì)中按照靜水壓力公式計(jì)算,并采用系數(shù)進(jìn)行折減。如文獻(xiàn)[8]通過模型試驗(yàn)確定結(jié)構(gòu)位于粘土層中的折減系數(shù)取0.7左右,且結(jié)構(gòu)位于粘土層表面和伸入粘土層中差異不大;《巖土工程手冊》和《巖土工程勘察規(guī)范》也采用該種方法。另一派認(rèn)為地下水浮力不存在折減[9],其主要觀點(diǎn)是粘土中水壓力也可以有效傳遞。李廣信教授在《巖土工程20講——巖壇漫話》第13講中分析了粘土中浮力偏小的原因可能是飽和度和負(fù)孔壓的影響。筆者認(rèn)為,由于土體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,地下水浮力呈現(xiàn)出多樣性是正常的,但簡單地考慮一個(gè)折減系數(shù)顯然是比較粗糙的。

        李廣信教授在《巖土工程20講——巖壇漫話》第19講中詳細(xì)地分析了地下結(jié)構(gòu)底部處于不同土層中時(shí)浮力計(jì)算的模式,認(rèn)為當(dāng)結(jié)構(gòu)底位于粘土層,而粘土層被兩個(gè)含水層所夾時(shí),應(yīng)考慮含水層的水頭差引起的滲流。即浮力計(jì)算水頭不應(yīng)單純考慮某個(gè)含水層,而應(yīng)當(dāng)采用較高水頭并考慮滲流引起的水頭損失。

        浮力計(jì)算均以經(jīng)典力學(xué)的阿基米德定律為基礎(chǔ),筆者認(rèn)為在粘土中浮力計(jì)算中也是正確和適用的。阿基米德定律表述為:“浸在液體(氣體)里的物體受到向上的浮力,浮力的大小等于物體排開的液體(氣體)的重力”。究其根本,浮力是液體(氣體)作用于物體各個(gè)面上壓力的矢量和,是作用在各個(gè)面上的壓力水頭確定的。因此,對于地下結(jié)構(gòu)來說,地下水浮力的大小直接決定于結(jié)構(gòu)底板下的壓力水頭,它是一個(gè)綜合量,可能受多個(gè)含水層的影響。若單純以某個(gè)水位值,按靜水壓力計(jì)算浮力顯然與實(shí)際情況存在差異,若真實(shí)壓力水頭低于該水位值,實(shí)測浮力即偏小,存在所謂的“折減”。由此看來,對浮力進(jìn)行折減或許只是因?yàn)榈装逑碌膲毫λ^選取不合適,因此可認(rèn)為抗浮設(shè)防水位與粘土浮力折減問題的實(shí)質(zhì)是相同的,即結(jié)構(gòu)底板下的真實(shí)壓力水頭的確定。

        3 海八路隧道工程抗浮設(shè)計(jì)

        3.1 工程概況

        海八路隧道工程位于佛山市南海區(qū),是連接廣州和佛山的交通咽喉。為了實(shí)現(xiàn)海八路上縱橫行使無延遲,將現(xiàn)有海八路改造為下穿隧道。海八路隧道全長1 500 m,其中敞開段長度為170 m(西段)加175 m(東段),采用U型塢式結(jié)構(gòu);暗埋段為1 155 m,采用單箱雙室的矩形箱涵結(jié)構(gòu)。隧道全線標(biāo)準(zhǔn)段為雙向8車道,部分區(qū)域由于功能需求加寬至雙向10車道。

        3.2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)

        擬建工程位于佛山市南海區(qū)桂城鎮(zhèn)北部的海八路上。根據(jù)鉆孔揭露,該場地區(qū)巖土層按成因可劃分為:(1)人工填筑土層;(2)第四系海陸交互相沖積層;(3)第四系殘積層;(4)白堊系(K)風(fēng)化基巖4個(gè)成因?qū)?。土層詳?xì)分布及相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所列。

        表1 土層分布及物理力學(xué)參數(shù)表

        地下水主要有第四系沖淤積松散層中賦存的孔隙潛水,含水層主要有(3)、(5)層粉細(xì)砂層及(7)層中(粗)礫砂層;淤泥、淤泥質(zhì)土層上部中賦存有上層滯水;基巖裂隙水含水微弱。場地東部及西端,含水層由(3)、(5)層粉細(xì)砂層及(7)層中(粗)礫砂層構(gòu)成,厚度大,屬弱~中等透水,水量較豐富;場地中部含水層由(3)、(5)層粉細(xì)砂層構(gòu)成,厚度薄,水量不豐富。該場地含水層之上覆土層多為極微透水性的淤泥、淤泥質(zhì)土層及少量的粉質(zhì)粘土、粉土層,其具有相對隔水作用,故該場地地下水局部具微承壓性。據(jù)部分代表性鉆孔測得地下水埋深為0.95~1.55 m,水位高程1.08~1.51 m。地下水主要靠地下水循環(huán)補(bǔ)給,其次靠大氣降水滲入補(bǔ)給及附近河涌向下滲入補(bǔ)給。地下水對鋼筋混凝土內(nèi)鋼筋不具腐蝕性,但對外露的鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。

        3.3 抗浮方案選擇

        該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限為100 a,結(jié)構(gòu)安全等級為一級,結(jié)構(gòu)大部位于地下水位以下,采用自重抗浮效果較差。由于地下水對于外露鋼筋和鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性,抗浮不能采用錨桿。綜合考慮,為檢修方便并保證結(jié)構(gòu)的安全性,設(shè)計(jì)采用直徑1 000 mm的鉆孔灌注樁抗浮。

        3.4 抗浮樁設(shè)計(jì)

        一般來說,由于暗埋結(jié)構(gòu)上覆土重力可有效抵抗浮力,塢式敞開結(jié)構(gòu)較暗埋結(jié)構(gòu)受到更大的抗浮威脅。本節(jié)即對該工程一遮光段(塢式加橫撐結(jié)構(gòu))進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)計(jì)算(其余節(jié)段類似),其斷面形狀及埋深、地質(zhì)條件等如圖1所示。可見,結(jié)構(gòu)底板位于粉砂層(7)中,粉砂層(7)含水豐富,具有微承壓特性。根據(jù)本文分析,結(jié)構(gòu)浮力應(yīng)為底板面積與粉砂層水壓之積。但是,詳勘報(bào)告中只給出地下水位,并未給出各含水層的壓力水頭和水力聯(lián)系,因而無法按本文推薦方法精確確定浮力值。同時(shí),考慮到工程所在地夏季經(jīng)常發(fā)生持續(xù)強(qiáng)降雨,盡管測得地下水埋深為0.95~1.55 m,設(shè)計(jì)抗浮水位仍取至地面。

        對圖1中遮光段,側(cè)墻高度為8.46~9.30 m,底板及側(cè)墻厚1.1 m,節(jié)段長度為25 m。

        考慮到結(jié)構(gòu)的受力均衡性,抗拔樁數(shù)量及樁長應(yīng)盡量滿足布置均勻的原則。根據(jù)地質(zhì)資料,確定抗拔樁長約為13 m,樁底標(biāo)高控制為-20 m。根據(jù)規(guī)范公式,計(jì)算所得單樁抗拔承載力為2 840 kN。

        根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和埋深等參數(shù),可確定結(jié)構(gòu)自重和浮力,由于計(jì)算較簡單,本文不再列出詳細(xì)計(jì)算公式,只給出計(jì)算結(jié)果。

        結(jié)構(gòu)自重,包括底板、側(cè)墻、鋪裝等,總重力為4 3347 kN。

        浮力為94 857.5 kN。

        根據(jù)規(guī)范要求,“不考慮結(jié)構(gòu)側(cè)壁摩阻力,抗浮安全系數(shù)應(yīng)不小于1.05”。由此確定樁數(shù)為20根,橫向每排5根,共4排,抗浮安全系數(shù)為1.056。

        4 結(jié)論與建議

        4.1 主要結(jié)論

        (1)抗浮設(shè)防水位與粘土中浮力折減問題可歸為一個(gè)問題,均是確定結(jié)構(gòu)底板下含水層壓力水頭的問題,壓力水頭的確定應(yīng)綜合考慮底板附近若干含水層的共同影響,這需要充分的水文勘測資料作支持。

        (2)地下水浮力計(jì)算同樣滿足阿基米德定律,只是壓力水頭的選取要適合。

        4.2 建議

        按照本文方法,即精確確定底板下壓力水頭進(jìn)而確定浮力,顯然能有效降低抗浮措施費(fèi)用。盡管詳細(xì)勘察工程場地的水文條件亦將耗費(fèi)不少,但對該范圍內(nèi)的工程均可采用,攤銷費(fèi)用亦有限。因此,有必要加強(qiáng)對水文地質(zhì)的勘測,建立健全完整的水文地質(zhì)系統(tǒng),優(yōu)化抗浮設(shè)計(jì),使得抗浮設(shè)計(jì)既保證在結(jié)構(gòu)服務(wù)期間持續(xù)有效,又能達(dá)到經(jīng)濟(jì)性最佳效果。

        [1]曾國機(jī),王賢能,胡岱文.抗浮技術(shù)措施應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].地下空間,2004,24(1):105-109.

        [2]袁正如.地下工程抗浮設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題,[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2007,3(3):519-521.

        [3]黃琪祺,周健.抗浮錨桿在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].土工基礎(chǔ),2003,22(3):1-3.

        [4]郜東明,譚躍虎,馬偉江.地下結(jié)構(gòu)的抗浮分析[J].地下工程,2006,9(7):60-62.

        [5]黃茂松,任青,王衛(wèi)東,陳崢.深層開挖條件下抗拔樁極限承載力分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2007,27(11):1689-1695.

        [6]張潔,尚岳全,林旭武.考慮上拔力作用點(diǎn)位置影響的抗拔樁變形分析[J].土木工程學(xué)報(bào),2005,38(7):102-106.

        [7]姚建陽,莊宏,房峻松,吳敏.抗拔樁設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題[J].上海地質(zhì),94:24-26.

        [8]梅國雄,宋林輝,宰金珉.地下水浮力折減試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2009,31(9):1476-1480.

        [9]崔紅軍,陸士強(qiáng).基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受的水壓力計(jì)算理論的試驗(yàn)研究和分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào),2001,34(1):45-48.

        [10]李廣信.巖土工程20講——巖壇漫話[M].北京:人民交通出版社,2007.

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