埋置式矩形結構局部抗浮在抗浮計算中重要性的探討

陳小剛，馬忠武

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430010）

埋置式矩形結構局部抗浮在抗浮計算中重要性的探討

陳小剛，馬忠武

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430010）

隨著社會的發展，城鎮公共配套建設用地資源越來越稀少，對綠化的要求也相應提高，許多水廠構筑物、車庫選擇埋置式結構形式。埋置式結構的抗浮工程造價在構筑物總造價中占比例較高，因此，經濟可靠的抗浮設計顯得十分重要。論文結合湖北省某項目實際工程，對埋置式矩形結構的局部抗浮與整體抗浮進行計算，并將計算結果對比分析，結果表明,埋置式矩形結構抗浮計算中局部抗浮的計算分析不容忽視。該研究可為類似工程的計算與分析提供參考。

埋置式矩形結構；整體抗浮；局部抗浮；抗浮設計水位；抗浮方法

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.001

1　概述

隨著社會的發展，越來越多的水廠生產構筑物、工業與民用建筑的地下室和地下車庫選擇埋置式矩形結構，該結構在占地面積降低、綠地率增加的同時，結構設計中必須重點考慮抗浮穩定安全。

通常埋置式構筑物設計中，小型構筑物一般考慮整體抗浮即可，但中大型構筑物的局部抗浮也是不容忽視的關鍵問題。整體抗浮即保證構筑物在地下水(包括上層滯水)或地表水浮力作用下結構整體不發生整體上浮或傾斜。局部抗浮是指保證在地下水(包括上層滯水)或地表水浮力作用下結構構件不產生超出允許的位移。一般工程中結構整體上浮較少見，多發生于尺度較小且構件強度較大的矩形結構。局部抗浮出問題的較多，常見于尺度較大的矩形結構，多表現在視為向下支承點處出現向上的位移，造成頂底板破壞，立柱破壞，壁板出現豎向裂縫等。

本文結合湖北省某水廠工程實踐經驗，通過對結構的整體抗浮及局部抗浮分別計算與對比，分析局部抗浮對結構內力的影響，為類似工程提供設計參考。

2　抗浮設計的水位確定

《給水排水工程構筑物結構設計規范》（GB 50069—2002）[2]中4.3.3條[1]明確的規定抗浮設計水位：原則上根據勘察部門和水文部門提供的數據采用，對于地表水宜按百年一遇洪水位考慮，對于地下水位應綜合考慮近期內變化及構筑物設計基準期內可能的發展趨勢確定。

大量工程實例表明，對于不透水或弱透水地質環境下，則必須考慮上層滯水、場內管道和構筑物漏水的可能性，這樣的地質情況下，進入基坑范圍內的水不易滲出，使池外水位具有累積性，對于這種情況，應充分考慮上層滯水對構筑物的浮托作用，若有條件時，可采取疏導措施，來消除或消減上層滯水、管道和構筑物漏水的影響，據此確定較合理的設計抗浮水位，否則抗浮水位應該考慮至設計地面。

如陜西省某污水處理廠的氧化溝的地基為不透水的膨脹土，地質勘察報告中的結論是：“地表以下36m范圍內無地下水，設計按無地下水考慮”，僅在說明中有一句“在雨季不得放空”。設計時按照無地下水進行抗浮設計計算，結果在枯水季放空檢查積泥時，因局部抗浮不足，造成底板開裂，池壁在變形縫處錯位近40mm。

3　抗浮方法概述

抗浮方法主要從兩個方向考慮，即增加結構抗力和減少浮力。本文僅介紹幾種常見的抗浮方法及適用條件。

1）增加結構抗力措施有兩種比較常用：第一種是結構自重抗浮，以底板、壁板、頂板等結構自重來抵抗浮力，這種方式只適合于抗浮地下水位較低或建筑物平面尺度較小的情況；另一種自重加配重抗浮，通常有頂板配重和底板配重兩種方式，也有在底板下吊混凝土的做法，但此時應注意混凝土強度等級應滿足結構耐久性要求，結構底板與所吊混凝土間傳力要可靠。

2)減少浮力措施：采取永久或短期降水措施，減少地下水水頭，從而減輕結構抗浮壓力。這是比較經濟的措施，但在設計中必須考慮水位監測（控）措施。

（1）導滲自流降水

本方法屬于永久降水措施，適用于各類用途的構筑物。設計時在構筑物基坑下部或底板下部設置盲溝集滲，再設置專用管道排到水面較低的水體里，要求廠區內或廠區附近有穩定的排水出路。

設計時需要注意的是：專用排水管應繪制在廠區管道布置圖中，詳細標注管道各節點標高；采取措施防止專用排水管倒灌，并在構筑物基坑里布置地下水位監測井。

（2）集滲強排降水

本方法為短期降水措施，適用于地下水為上層滯水的情況。在設計基準期內，內部水位經常連續處于較高水位，僅用于構筑物土建施工、設備安裝、清理、檢查維修期需要短時的抗浮。在構筑物基坑下部或底板下部設置盲溝集滲，在適當的位置設集滲井，在需要抗浮期間，可通過集滲井抽排原基坑內的地下水，使地下水位降至設計抗浮水位以下，這種方式通常稱之為管理抗浮。

設計時需要注意的是：圖紙中應明確土建施工期和設備安裝期的抗浮管理要求，還必須在運營后將"運行管理要求"納入日常管理。

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（3）提高構筑物底板標高，減小浮托力

當場區地下水位高，為解決施工困難和抗浮等問題，條件允許時可采用提高底板標高，減少池深，同時加大平面尺寸，保證有效容積，修正后效果很好。

（4）無底抗浮

僅適于不透水的巖石地基，實際意義不大，本文不做詳細講解。

4　工程計算與分析

本算例為某水廠大型埋置式矩形敞口水池，如圖1所示，結構形式為板殼式結構，水池長30m，寬20m，高3.5m。

圖1　敞口水池效果圖

該水池選擇自重抗浮，按照《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》(CECS138:2002)[2]第6.1.3條、第6.1.6條進行計算，水池具體參數見表1。

表1　水池參數表

表2是該矩形敞口結構按照規范計算其在地下水作用下的內力結果，雖然整體抗浮滿足規范要求，但局部抗浮不夠，按照整體抗浮結果計算及配筋，導致該水池在投入使用1a后出現豎向裂縫。

表2　矩形敞口構筑物局部抗浮不足時的縱向彎矩

通過計算結果可以看出，本構筑物整體抗浮可以勉強過關，而局部抗浮不夠，這樣的結構在地下水揚壓力的作用下往往會因縱墻（梁）抗彎強度不足而出現豎向裂縫。

本算例為某水廠大型埋置式矩形水池，如圖2所示，結構形式為無梁樓蓋，水池長24m，寬24m，高4m。

圖2　無梁樓蓋效果圖

該水池選擇自重抗浮及配重抗浮(頂板覆土0.3m)兩種方式，按照《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》(CECS 138:2002)第6.1.8條計算其在地下水作用下的內力，水池具體參數見表3。

表3　水池參數表

結構計算時，采用理正計算軟件，按照規范選取有代表性的4m寬的截條計算結果如下：圖3a為自重抗浮，圖3b為配重抗浮（頂板覆土0.3m）。兩種方式計算水池在地下水作用下的內力結果（此結果未作空間調整）見表4，可以看出局部抗浮不足給結構內力造成的巨大影響。

圖3　水池內力圖

表4　不同覆土厚度空池時的計算結果比較(覆土重度=16kN/m3)

通過以上計算，不難看出內力的巨大差別。其中，池頂無覆土的局部抗浮系數為0.88，不滿足規范要求，池頂覆土0.3m的局部抗浮系數為1.20，滿足規范要求。通過以上計算及分析，可以看出，局部抗浮設計的作用是保證計算簡圖中向下的支承點不產生向上的位移，從而保證大跨度底板及較長的壁板在地下水作用下有足夠的安全度。

5　小結

在水廠和地下構筑物施工、安裝、運行、檢修中出現“浮池”事例較多，危害較大；其中，多數發生于被“認定”為無地下水或地下水位在池底以下的場地的事實，由于無法準確衡量，因此要謹慎地確定設計抗浮水位。

構筑物抗浮工程造價，在水廠和地下構筑物的結構工程造價中占有相當比例，在抗浮措施上，宜從多方面考慮，經過技術、經濟比較后確定抗浮方案，以期達到安全可靠，經濟合理的效果。

嚴格地講，構筑物抗浮是個系統工程，對于大型埋置式箱型構筑物在滿足整體抗浮的前提下，必須考慮局部抗浮，在設計的過程中只有多方面配合，才能做到安全可靠，經濟合理。

【1】GB50069—2002給水排水工程構筑物結構設計規范[S].

【2】CECS 138:2002給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程[S].

Discussion on the Importance of Local Anti-floating of Embedded Type Rectangular Structure in Anti-floating Calculation

CHEN Xiao-gang，MA Zhong-wu
(Central and Southern China Municipal Engineering Design&Research Institute Co.Ltd.,Wuhan 430010,China)

With the development of society,the land resouces for public construction in city and town are less and less.The requirement of greening increases.The embeded type structure is widely used in structures of water works and garages.The project cost for anti-floating of embeded type structure takes large proportion in the total project cost.So economical design for anti-floating is very important.The local and whole anti-floating calculations of embeded type rectangular structure are conducted in this paper,combining one project in Hubei province. Comparison of the calculation results is analyzed.The results show that the local anti-floating calculation cannot be ignored in anti-floating calculation of embeded type rectangular structure.The study can provide references for design of similar engineering.

embeded type rectangular structure;whole anti-floating;local anti-floating;groundwater elevation in anti-floating design;anti-floating method

TU359

A

1007-9467（2016）05-0019-03

陳小剛（1971～），男，湖北江陵人，高級工程師，從事結構工程設計與研究，（電子信箱）172319660@qq.com。

2015-11-19