地下工程的抗浮优化设计

2022-09-12

随着我国城市化进程的不断加快, 城市地下空间的开发利用日益引起政府的重视, 许多城市结合城市建设, 利用广场、绿地等建设各类地下工程。对于地下工程, 特别在高水位地区, 往往存在着工程的抗浮问题。因地下水浮力引起的地下工程结构的破坏事故时有发生, 破坏的形式主要有:地下程底板隆起破坏;工程的整体浮起导致梁柱节点处开裂及底板的破坏。因此, 工程的抗浮设计是否正确合理, 直接关系到工程的安全可靠和工程造价, 应引起设计者的高度重视。本文结合多年设计经验, 对地下室抗浮设计中应该注意的问题做更归纳总结, 供设计人员参考。

1 工程抗浮措施的选择

为防止地下工程的浮起破坏, 目前, 工程上通常采用配重法、设置抗浮桩或抗浮锚杆来解决地下工程的抗浮问题。配重法即通过增加工程的自重来抵御水浮力的作用, 抗浮桩和抗浮锚杆则主要利用桩侧阻力和锚杆提供的拉力平衡浮力。配重法适用于各类工程条件, 配重的部位主要在底板。通常根据工程配重要求, 在底板上设回填层, 用土、砂、石、混凝土等材料压实回填, 利用回填物的重量增加工程自重, 达到平衡浮力的目的。有时也利用底板外挑部分的回填物作为配重的一部分。对于底板为板柱或梁板结构, 利用底板柱帽或梁至地坪之间的空间设置回填配重层, 既解决了工程的抗浮问题, 又便于底板的防水处理, 不失为一种较为理想的方法。但是, 也应看到, 因设回填层增加了工程埋深而使浮力增大, 配重提供的抗浮力自身也“消耗”了约一半。配重法受地质条件、施工环境的影响相对较少, 造价低, 因此, 常作为基本方法予以采用。抗浮桩利用桩侧阻力起抗浮作用, 其抗浮能力与桩型、桩径、桩长及周围地质条件有关。抗浮桩的单桩承载力较大, 一般布置在柱、墙下, 其抗浮面积较大, 受环境条件、施工条件影响较大, 造价较高。抗浮锚杆则利用锚杆与砂浆组成的锚固体与岩土层的结合力作为抗浮力。因其造价低廉、施工方便、受力合理等优点而被广泛应用。在实际工程中, 应根据地下工程的结构形式、地质条件、浮力大小、施工条件和工期要求等因素确定采用何种抗浮措施, 也可以根据工程特点, 采取多种抗浮措施。

2 地下工程的抗浮设计

2.1 设计流程

地下工程的抗浮设计, 采用安全系数法, 公式表示为:Ⅳ+F≥KV (1)

式中:N为结构白重;

F为抗浮力:

V为静水浮力;

l为抗浮安全系数, 一般取1.05为1.10。

抗浮设计流程见图l。

2.2 水浮力计算

水浮力计算是抗浮设计的前提, 对地下工程而言, 应正确合理确定工程的设防水位。因此要求工程勘察单位提供用于计算地下水浮力的设计水位。它不是工程所在位置的常年最高水位, 更不是勘察期内的当前水位, 而应综合分析历年水位地质资料, 根据工程重要性以及工程建成后地下水位变化的可能性确定抗浮设计的设防水位。从有关资料看, 地下水的作用相当复杂, 要准确地确定地下水的压力是比较困难的。实际上在不同的地基环境中地下水浮力是变化的。当地下工程位于粉土、粘土、砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基时, 地下水浮力计算可不折减, 而位于节理裂隙不发育的岩石地基时, 可对地下水浮力予以折减, 甚至在地下工程底板与岩石地基紧密结合时, 可不考虑浮力的作用。因此, 在实际工程中, 对符合条件的, 可考虑对浮力进行折减, 或作为工程抗浮的安全储备, 这一点设计人员应胸中有数。

2.3 抗浮设计

在确定了结构形式、尺寸、埋深等条件后, 根据设防水位, 分别计算工程自重和净水浮力, 并判断是否需要采取抗浮措施。如需要采取抗浮措施, 应根据前述原则选择抗浮措施, 进行工程抗浮设计。 (1) 配重法。用配重解决抗浮问题, 设计和计算比较简单, 根据抗浮力大小, 确定回填材料和深度。常用的回填材料有土、砂石、混凝土等, 必须保证回填物的密实, 达到对回填物的容重要求, 采取措施对回填层进行处理。 (2) 抗浮桩设计。抗浮桩的桩型选择, 一般主要根据工程地质情况、施工条件和周围环境等因素综合确定。常用桩型为预制桩、沉管灌注桩和钻孔灌注桩。布桩时应力求使各桩受荷均匀, 一般将抗浮桩布置在柱下、纵横墙交叉处、沿外墙均匀布置。抗浮桩设计的基础是单桩抗拔承载力的确定, 由于目前对抗浮桩的研究成果还比较少, 相对抗压柱而言, 其荷载作用机理及设计方法还不够成熟, 仍处于套用抗压桩设计方法的阶段。单桩抗拔承载力一般采用静载试验法或经验参数法。用静载试验法确定桩的抗拔力比较接近工程实际, 但由于往往缺少条件进行抗拔试验, 因此, 工程设计中较多地采用经验参数法。目前规范采用的方法, 都是利用桩的侧阻力值导入抗拔系数后作为抗拔桩侧阻力值, 抗拔系数一般取0.5～0.8。抗浮桩按轴心受拉构件进行承载力计算, 桩的配筋由计算确定, 并满足各类桩的最小配筋率要求。抗浮桩的主筋沿桩通长布置, 桩与柱的连接可参考抗压桩的要求。

3 地下工程抗浮优化设计中应重视的问题

地质资料提供的抗浮设计水位和实际建筑的布置有无偏差, 和城市洪峰水位是否有对比。抗浮设计水位是地下工程抗浮设计的基础, 一般地质勘探在建筑设计之前完成, 而建筑设计会在方案深化过程做一些调整, 特别对建筑场地标高的调整, 会影响到地下水头相对值的选取, 对重要的工程设计, 还要考虑自然排水条件是否通畅, 是否会出现超越抗浮水位的工况发生。

注意地下工程抗浮设计的一些有利荷栽的利用。和平常建筑结构设坟不同, 抗浮的利用。和平常建筑结构设计不同, 抗浮设计时一般恒荷载为有利荷载, 设计过程中应该充分昨用这些“有利”荷载, 如常见的高层建筑下的地下室, 做底析设计时, 往往是浮力大于自重, 如果适当增加底析的恒载和浮力的合力与考虑枯水期时 (即不考虑浮力) 合力比较接近。这样板的受力峰值就大为降低。增加底板怛载最常用的方式是结合建筑上排水沟及排水坡度的要求, 采用素混凝土或者砂石回填, 增加结构底板的自重。对促出建投影范围以外较少的建筑, 适当增加外挑, 利用土的自重增加抗浮效应。

抗浮桩的选用。当结构自重不足以满足抗浮要求时, 最有效的方法是设置抗浮桩。抗浮桩一般采用藻注桩, 但随着建筑业的发展, 预应力管桩因其施工速度快, 质量稳定, 越来越多的在工程上取代灌注桩。当采用预应力管桩作为抗浮桩使, 应注意验算桩按头及桩的端板与桩身连接处强度验算, 这是设计人员最容易忽视的问题。