劉澤坤

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

1 概述

在飼料車間地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，其安全性與經(jīng)濟(jì)性與廠區(qū)場地的地形地貌、地下水分布規(guī)律及其變化趨勢等因素密切相關(guān)[1]，如果設(shè)計(jì)不夠合理，容易造成工程經(jīng)濟(jì)性差或有安全隱患；因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，如何經(jīng)濟(jì)合理的進(jìn)行飼料車間地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)是必須解決的復(fù)雜問題。

地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)中存在的問題大部分屬于交叉專業(yè)學(xué)科，結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，如何兼顧工程的安全性與經(jīng)濟(jì)性，是個(gè)十分復(fù)雜的問題；本文針對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)中存在的主要問題，進(jìn)行較為全面深入的分析，探討其在實(shí)際工程應(yīng)用中的設(shè)計(jì)原則及注意事項(xiàng)，并提出相應(yīng)的合理建議，以供結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)時(shí)參考。

2 抗浮設(shè)防水位

抗浮設(shè)防水位是整個(gè)使用期內(nèi)地下結(jié)構(gòu)可能遭遇的地下水峰值水位，它與多種因素有關(guān)，例如場地地形、地貌單元、地下水類型、地下水水位、歷史水位的變化及幅度、工程建設(shè)可能導(dǎo)致水文地質(zhì)條件改變引起的地下水位變化程度、鄰近工程降水、區(qū)域地下水開采和水文環(huán)境變化的影響程度和趨勢、區(qū)域水利規(guī)劃、鄰近地表水系水位變化等對(duì)場地地下水水位的影響程度和趨勢、場地及其周邊已有排水系統(tǒng)的分布和有效能力等，因此，如何確定經(jīng)濟(jì)合理的抗浮設(shè)防水位是個(gè)十分復(fù)雜的問題。

另外，由于勘察階段工作工期短，很難滿足一個(gè)完整水文年的地下水位監(jiān)測要求，且大部分勘察單位無長期的、系統(tǒng)的區(qū)域水文觀測資料；因此，為保證建筑物的結(jié)構(gòu)安全，抗浮設(shè)防水位的確定不能僅依靠勘察單位，應(yīng)根據(jù)建筑使用功能、勘察報(bào)告建議、工程經(jīng)驗(yàn)綜合分析后確定[2]。

在確定抗浮設(shè)防水位時(shí)，定的過高，工程費(fèi)用浪費(fèi)巨大，經(jīng)濟(jì)性差；定的過低，在水浮力作用下，結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生上浮破壞，后果很嚴(yán)重；因此，需要注意以下情況：

(1)當(dāng)場地賦存多種類型地下水，且各類地下水有水利聯(lián)系時(shí)，應(yīng)按各類地下水的最高水位確定[3]。

(2)當(dāng)場地位于低洼地帶時(shí)，確定抗浮設(shè)防水位應(yīng)考慮雨季可能被淹沒的情況[3]。

(3)當(dāng)場地位于坡地且高差較大時(shí)，應(yīng)考慮地下水的滲流影響，分區(qū)分段確定抗浮設(shè)防水位[3]。

抗浮設(shè)防水位是整個(gè)使用期內(nèi)地下結(jié)構(gòu)可能遭遇的地下水峰值水位，這個(gè)水位是根據(jù)建筑場地條件預(yù)測的未來可能出現(xiàn)的一個(gè)水位[4]，它實(shí)際依賴于各地區(qū)長期、完整的水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測記錄；由于我國地域廣闊，且各地區(qū)水文地質(zhì)情況千差萬別，大部分勘察單位受水位觀測資料不足的限制，很難對(duì)抗浮設(shè)防水位提出合理的建議，建議國家有關(guān)部門能夠整合各方力量，聯(lián)合編制，建立區(qū)域級(jí)乃至國家級(jí)的水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，為工程建設(shè)提供基礎(chǔ)信息支持。

3 抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.1 整體抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

文獻(xiàn)[5]第6.4.1條規(guī)定，抗震縫或變形縫劃分的各區(qū)抗浮穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算確定：

Kf=∑W/(A∑Ff)

(1)

式中：Kf為計(jì)算區(qū)域整體的抗浮穩(wěn)定性系數(shù)，按表1取值；∑W為計(jì)算區(qū)域總抗浮力標(biāo)準(zhǔn)值，包括結(jié)構(gòu)自重、結(jié)構(gòu)上的填筑材料自重、結(jié)構(gòu)上的固定設(shè)備及永久堆積物自重、抗浮構(gòu)件提供的抗拔力；A為計(jì)算區(qū)域的底板面積；∑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，包括靜水位差產(chǎn)生的浮力、承壓水水頭產(chǎn)生的浮力、水力坡降穩(wěn)定滲流產(chǎn)生的浮力。

表1 建筑工程抗浮穩(wěn)定狀態(tài)判定標(biāo)準(zhǔn)

3.2 局部抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

對(duì)于主裙樓結(jié)構(gòu)、高底層結(jié)構(gòu)，因?yàn)榻ㄖ灾胤植疾痪?，可能存在整體抗浮穩(wěn)定性滿足，而局部區(qū)域抗浮穩(wěn)定性不滿足的情況；此時(shí)，應(yīng)按照上部結(jié)構(gòu)荷載分區(qū)、不同基礎(chǔ)形式分區(qū)、抗震縫或變形縫分區(qū)，進(jìn)行局部區(qū)域的抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算；文獻(xiàn)[5]第6.4.3條規(guī)定，局部區(qū)域抗浮穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算確定：

Kn=∑W1/(A1∑Fn)

(2)

式中：Kn為計(jì)算區(qū)域抗浮穩(wěn)定性系數(shù)，按表1取值；∑W1為計(jì)算區(qū)域總抗浮力標(biāo)準(zhǔn)值；A為計(jì)算區(qū)域的底板面積；∑Fn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。

在地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，建議保證每根框架柱均能滿足局部抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算；否則，在水浮力作用下，局部框架柱上浮，還須驗(yàn)算抗浮穩(wěn)定不足處的局部次結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題；但是大部分的局部次結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連接區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，計(jì)算模型邊界條件難以準(zhǔn)確模擬，目前應(yīng)用時(shí)存在安全隱患；局部抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算簡圖見圖1。

圖1 局部抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算簡圖

3.3 施工期間抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

地下結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮施工期間各種工況下不利荷載組合時(shí)的抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算；驗(yàn)算時(shí)，抗浮設(shè)防水位可根據(jù)勘察期間場地穩(wěn)定地下水位并考慮季節(jié)變化影響的最不利工況水位確定，并應(yīng)根據(jù)降水停止時(shí)的施工進(jìn)度決定是否計(jì)入結(jié)構(gòu)上的建筑面層及覆土重量。

實(shí)際工程中，建議施工期間的抗浮穩(wěn)定性采用臨時(shí)抗浮措施解決，包括地下水的控制措施(施工期間的基坑降水、止水措施)、地表水的控制措施(施工期間的防地表水匯入基坑措施)、雨水抽排措施(雨季施工的基坑內(nèi)積水抽排措施)。

4 抗浮技術(shù)方案

抗浮技術(shù)方案涉及因素多，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟(jì)性影響巨大，建議結(jié)構(gòu)工程師在前期方案設(shè)計(jì)階段即參與分析比較；例如可以在滿足場地土方平衡及與周邊道路標(biāo)高銜接的情況下適度抬高場地標(biāo)高，或通過控制建筑凈高、結(jié)構(gòu)梁高的措施來降低地下結(jié)構(gòu)埋深，減少地下水浮力作用；也可以采用結(jié)構(gòu)自重較大的結(jié)構(gòu)型式，例如無梁樓蓋、主梁大板樓蓋等來主動(dòng)增加結(jié)構(gòu)自重；上述措施均需多個(gè)相關(guān)專業(yè)的協(xié)調(diào)配合，在前期方案設(shè)計(jì)階段，時(shí)間相對(duì)充裕，配合相對(duì)簡單，容易取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算不能滿足時(shí)，應(yīng)根據(jù)抗浮穩(wěn)定狀態(tài)、地下結(jié)構(gòu)類型、場地實(shí)際情況采用適當(dāng)?shù)目垢〈胧?，并?jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后最終確定；常用的抗浮措施根據(jù)采用的方式方法分為主動(dòng)抗浮措施和被動(dòng)抗浮措施，見表2、表3。

表2 主動(dòng)抗浮措施

表3 被動(dòng)抗浮措施

4.1 主動(dòng)抗浮措施

當(dāng)場地及其周邊水文地質(zhì)條件允許時(shí)，可以采用排水限壓、泄水降壓、隔水控壓的方法對(duì)地下水進(jìn)行主動(dòng)控制，作為地下結(jié)構(gòu)的抗浮措施。

主動(dòng)抗浮措施選用是否合理，取決于對(duì)場地及其周邊水文地質(zhì)條件的深入了解，例如地下水的類型、地下水與鄰近地表水系的水力聯(lián)系等等；與被動(dòng)抗浮相比較，主動(dòng)抗浮不僅能夠解決地下結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性問題，還能夠大大降低地下結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)底板與擋土墻承受的地下水壓力，減少工程造價(jià)，經(jīng)濟(jì)效益明顯[1]。

主動(dòng)抗浮措施在地下結(jié)構(gòu)整個(gè)使用期間，需要對(duì)其設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行及檢修，并應(yīng)配備長期維護(hù)與應(yīng)急措施，增加了建筑運(yùn)營管理成本，另外，主動(dòng)降水容易引起周邊建筑物沉降，造成安全隱患。

4.2 被動(dòng)抗浮措施

當(dāng)水浮力與結(jié)構(gòu)自重差距不大時(shí)[6]，推薦采用增加結(jié)構(gòu)荷載的方法作為地下結(jié)構(gòu)的抗浮措施；例如增大地下結(jié)構(gòu)頂板上的覆土重量，或在地下結(jié)構(gòu)底板上回填容重較大的鋼渣混凝土等措施，均能增加結(jié)構(gòu)壓重[7]；但是該類措施同時(shí)需要加大地下結(jié)構(gòu)的埋深，水浮力也會(huì)相應(yīng)增大，另外，鋼渣混凝土等填充材料市場價(jià)格較高，因此，采用時(shí)需進(jìn)行充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

當(dāng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)型式為樁基礎(chǔ)時(shí)，采用抗浮樁是比較安全可靠的抗浮措施；抗浮樁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意基礎(chǔ)間的協(xié)調(diào)變形，盡量保證所有承壓樁均為抗壓抗浮兩用樁；對(duì)于上部荷載差異較大的主裙樓、高底層結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮地下水處于低水位時(shí)，重力荷載效應(yīng)控制時(shí)的情況；抗浮樁優(yōu)先推薦采用單節(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，當(dāng)單節(jié)長度不足采用多節(jié)管樁時(shí)，應(yīng)注意節(jié)頭端板的焊接質(zhì)量及樁身的垂直度，并應(yīng)對(duì)抗浮力進(jìn)行折減；當(dāng)采用混凝土灌注樁作為抗拔樁時(shí)，應(yīng)注意樁身裂縫的控制，鼓勵(lì)采用預(yù)應(yīng)力混凝土灌注樁，其裂縫控制及經(jīng)濟(jì)效益均較好。

當(dāng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)型式為天然地基或復(fù)合地基時(shí)，采用抗浮錨桿是較為合理的抗浮措施，其具有施工簡單、構(gòu)造簡單、單位造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程中應(yīng)用最為廣泛；抗浮錨桿設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意，在水浮力作用下，由于地下結(jié)構(gòu)底板的位移及各錨桿承受水浮力的不均勻，應(yīng)充分考慮上部結(jié)構(gòu)荷載分布、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)型式、底板剛度等對(duì)抗浮錨桿的影響[8]，并建議采用跨中均勻布置(受力較均勻)或跨中非均勻布置(受力最均勻)的方式，不要將其集中布置在上部結(jié)構(gòu)荷載直接影響范圍內(nèi)；錨桿合理布置方式示意圖見圖2。無論采用何種抗浮技術(shù)方案，均應(yīng)注意地下結(jié)構(gòu)基坑的回填處理，基坑回填應(yīng)采用黏性土、灰土等弱透水材料分層夯實(shí)回填，如肥槽寬度過窄，不能保證回填質(zhì)量時(shí)，應(yīng)采用素混凝土回填，另外，建議在地下結(jié)構(gòu)基坑肥槽邊緣外不小于1 m范圍內(nèi)，設(shè)置混凝土封閉帶，減小地表水下滲影響[5]。

圖2 錨桿合理布置方式示意圖

5 結(jié)論

(1)抗浮設(shè)防水位與多種因素有關(guān)，如何確定經(jīng)濟(jì)合理的抗浮設(shè)防水位是個(gè)十分復(fù)雜的問題，由于勘察階段工作工期短，很難滿足一個(gè)完整水文年的地下水位監(jiān)測要求，且大部分勘察單位無長期的、系統(tǒng)的區(qū)域水文觀測資料，為保證建筑物的結(jié)構(gòu)安全，抗浮設(shè)防水位的確定不能僅依靠勘察單位，應(yīng)根據(jù)建筑使用功能、勘察報(bào)告建議、工程經(jīng)驗(yàn)綜合分析后確定。

(2)抗浮設(shè)防水位依賴于各地區(qū)長期、完整的水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測記錄,我國地域廣闊，且各地區(qū)水文地質(zhì)情況千差萬別，大部分勘察單位受水位觀測資料不足的限制，很難對(duì)抗浮設(shè)防水位提出合理的建議，建議國家有關(guān)部門能夠整合各方力量，聯(lián)合編制，建立區(qū)域級(jí)乃至國家級(jí)的水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，為工程建設(shè)提供基礎(chǔ)信息支持。

(3)在地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，建議保證每根框架柱均能滿足局部抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算；否則，在水浮力作用下，局部框架柱上浮，還須驗(yàn)算抗浮穩(wěn)定不足處的局部次結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度;大部分的局部次結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連接區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，計(jì)算模型邊界條件難以準(zhǔn)確模擬，具體設(shè)計(jì)中如果設(shè)計(jì)人員對(duì)其定義錯(cuò)誤，或應(yīng)用軟件錯(cuò)誤，就會(huì)造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，存在安全問題。

(4)地下結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮施工期間的抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算；驗(yàn)算時(shí)，抗浮設(shè)防水位可根據(jù)勘察期間場地穩(wěn)定地下水位并考慮季節(jié)變化影響的最不利工況水位確定，并應(yīng)根據(jù)降水停止時(shí)的施工進(jìn)度決定是否計(jì)入結(jié)構(gòu)上的建筑面層及覆土重量；實(shí)際工程中，建議施工期間的抗浮穩(wěn)定性采用臨時(shí)抗浮措施解決。

(5)抗浮技術(shù)方案涉及因素多，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟(jì)性影響巨大，建議結(jié)構(gòu)工程師在前期方案設(shè)計(jì)階段即參與分析比較。

(6)當(dāng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)型式為樁基礎(chǔ)時(shí)，采用抗浮樁是比較安全可靠的抗浮措施，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意基礎(chǔ)間的協(xié)調(diào)變形。

(7)當(dāng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)型式為天然地基或復(fù)合地基時(shí)，采用抗浮錨桿是較為合理的抗浮措施，抗浮錨桿設(shè)計(jì)時(shí)建議采用跨中均勻布置(受力較均勻)或跨中非均勻布置(受力最均勻)的方式，不要將其集中布置在上部結(jié)構(gòu)荷載直接影響范圍內(nèi)。