某地下清水池抗浮穩定性設計與分析

陳令才 崔 云

(中機國際工程設計研究院有限責任公司華東分院，江蘇 南京 210023)

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某地下清水池抗浮穩定性設計與分析

陳令才 崔 云

(中機國際工程設計研究院有限責任公司華東分院，江蘇 南京 210023)

介紹了水池整體抗浮和局部抗浮的驗算方法，闡述了目前工程中常用的抗浮措施，并結合工程實例，詳細論述了地下清水池通過混凝土管樁實現水池抗浮穩定的設計過程，為類似工程設計提供了思路。

清水池，抗浮設計，抗拔樁，水浮力

0 引言

在市政工程項目中，存在大量的地下式水池結構。此類水池承受了較大的地下水浮力，由于設計者對水浮力估算不足或采取的抗浮措施不當，在水池施工和使用階段，經常出現水池上浮引起池體傾斜、漂移、底板向上撓度增大等，進而導致結構出現裂縫、管道被拉壞，影響項目正常運營。因此，對于地下式水池，尤其是在雨量充沛、地下水位高的地區，應特別重視水池抗浮設計。本文以某供水增壓站7 500 m3全地下式清水池為例，對地下水池結構抗浮設計方法進行探討，以便合理進行水池的抗浮設計。

1 抗浮驗算

水浮力對水池的破壞形式有兩種，大多數情況下為整體破壞，即水池整體上浮導致結構失穩并出現裂縫；部分較大水池還會發生局部破壞，即當水池內設置中間支撐結構時，因抗浮力分布不均，底板下的地下水浮力可能導致單獨的支撐結構發生軸向上移[1]，造成底板和頂板開裂。工程中采用抗浮系數表示結構的抗浮能力，根據CECS 138：2002給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程[1]中規定，水池的抗浮系數Kf≥1.05。

1.1 整體抗浮

整體抗浮計算公式：

(1)

其中，G為水池結構自重標準值，kN；F為底板外挑覆土及頂板覆土重標準值，kN；γ為地下水重度，取10 kN/m3；A為水池底板平面面積，m2；H為底板在地下水位下的埋深，m。

1.2 局部抗浮

清水池為無梁樓蓋結構體系，內部設置立柱，應驗算局部抗浮，以保證安全。

局部抗浮計算公式：

(2)

其中，q1為頂板自重及頂板上覆土單位面積重標準值，kPa；q2為底板單位面積重標準值，kPa；Lx為x向柱間距或柱心到池壁中心距離，m；Ly為y向柱間距或柱心到池壁中心距離，m；G1為單根柱重標準值，kN；γ為地下水重度，取10 kN/m3；H為底板在地下水位下的埋深，m。

2 抗浮措施

從以上抗浮公式看出，影響水池抗浮能力的因素有水池結構自重、地下水位、水池埋置深度、底板平面面積等[2]幾方面。一般情況下，為防止水池上浮破壞，工程中可通過增加配重、設置抗拔樁、降排截水等措施增加水池抗浮能力。

1)配重法：通過增加水池重量抵抗水浮力。具體為增加水池底板、壁板、頂板等結構自重；通過增加底板挑耳寬度加大挑耳以上覆土重量；增加頂板以上覆土高度增大土重；在不影響工藝運行的情況下，盡量減小水池平面尺寸及水池高度。

2)抗拔樁：利用樁與土的摩擦力抵抗浮力。其與抗壓樁在性能上有所不同，抗壓樁承受的是基礎傳來的向下壓力，力為自樁頂至樁底部向下傳遞；抗拔樁承受水的浮力，力為自樁底至頂部向上傳遞，荷載大小隨地下水位變化而變化。抗拔樁的樁型通常有鉆孔灌注樁、預應力抗拔管樁等。

3)降排截水法：主要是在施工中通過降排水系統及排水溝使地下水保持在較低水位，以此降低水浮力實現結構抗浮目的。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

某供水增壓站7 500 m3全地下式清水池，平面尺寸39.1 m×51.7 m，高度4.95 m，埋深5.45 m，底板厚450 mm，壁板厚300 mm，頂板厚200 mm，底板飛邊長度300 mm。清水池為無梁樓蓋體系，柱網間距3.5 m×3.5 m，內部設置砌體導流墻。場地類別Ⅳ類，抗震設防烈度7度，地震加速度0.15g，抗震設防標準丙類，基礎設計等級丙級。清水池平面布置圖如圖1所示。

3.2 地質條件

場地自上而下存在雜填土、粉質粘土、淤泥質粉質粘土、砂質粉土、粉砂等土層。其中雜填土土質不均勻，淤泥質土呈流塑狀，含水率高，壓縮性大，重度小，工程力學性質差。場地地下水類型主要為潛水及弱承壓水，地下水位埋深較小，根據地區經驗，水位變幅1.5 m左右，歷史最高水位在地表附近，抗浮設計水位取地面。

3.3 設計流程

結構抗浮設計一般按以下流程進行：結構自重計算→地下水浮力計算→確定是否滿足抗浮要求→選擇抗浮措施→技術比較確定抗浮措施→施工圖設計。

3.4 抗浮設計

1)抗浮驗算。

整體抗浮計算：水池結構自重G=G底板+G壁板+G頂板+G柱子+G導流墻=47 325 kN；覆土重F=F頂板+F底板=23 128 kN；水浮力F浮=γAH=113 159 kN；由式(1)計算得整體抗浮系數Kf=0.623<1.05。

由以上計算可知，該清水池抗浮系數遠小于規范允許值1.05，水池整體抗浮及局部抗浮均不滿足要求，因此該清水池需要增加抗浮措施抵抗水浮力。

2)方案分析。

該水池整體抗浮與局部抗浮計算時，抗浮重量與水浮力相差分別達到40%，50%左右，差距較大。通過增加自重抗浮會導致結構截面尺寸過大，由于混凝土結構需要滿足最小配筋率使得鋼筋量增加，同時過厚的板也不利于水池的裂縫控制；通過增加頂板覆土抵抗浮力，較高的覆土不僅增加頂板配筋量，也影響廠區整體布局及工藝運行；通過增加底板外延長度，極大增加了占地面積，由于廠區面積限制，擠占其他構筑物及管線的空間。因此通過單純增加結構自重及覆土抵抗水浮力既不經濟也不合理。

本工程場地地質條件差，底板以下存在較厚的軟弱土層，地基承載力及沉降不滿足要求，應進行地基處理或采用樁基礎。考慮該特點，通過工程樁抵抗水浮力，合理利用該工程樁作為抗拔樁使用，提高水池抗浮能力，且正常情況下，樁長由抗壓承載力控制，不會增加樁長。因此本清水池采用直徑400預應力高強混凝土管樁來抵抗水池豎向壓力及水浮力，結構經濟且安全可靠。

3)抗拔樁設計。

樁基設計時，應分別進行抗壓和抗拔設計，取其最不利結果。

抗壓計算：④-2層粉砂，樁端極限端阻力標準值3 200kPa，工程力學性質較好，選擇該土層作為樁端持力層，樁端進入該土層不小于0.8m，樁長20m，經計算單樁豎向承載力特征值Ra=840kN。考慮活載及貯水重量等，水池總重標準值∑G=153 600kN，計算樁基數量時不考慮地下水浮力的有利影響，樁總數n=183，實際取192根。

抗拔計算：樁基的抗拔承載力破壞可能呈單樁拔出或群樁整體拔出，即呈非整體破壞或整體破壞模式，對兩種形式破壞的承載力均應進行驗算。按照樁長20m計算基樁的抗拔承載力特征值，抗拔系數取0.7。

a.根據JGJ94—2008建筑樁基技術規范[3]，整體破壞時基樁抗拔承載力應滿足：

Nk≤Tgk/2+Ggp

(3)

(4)

其中，Nk為按荷載效應標準組合計算的基樁拔力，kN；Tgk為整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標準值，kN；Ggp為群樁基礎所包圍體積樁土總重除以總樁數，水位以下取浮重度，kN。

由式(4)計算得Tgk=660 kN，樁土自重Ggp=2 067 kN；整體抗浮計算時的樁基承受的拔力：n總Nk=Kf×F浮-(G+F)=1.05×113 159-(47 325+23 128)=48 364 kN；由式(3)計算得Nk=48 364 kN/192=252 kN≤Tgk/2+Ggp=2 397 kN，樁基不會發生整體破壞，水池抗浮滿足要求。

b.根據JGJ 94—2008建筑樁基技術規范[3]，非整體破壞時基樁抗拔承載力應滿足：

Nk≤(Tuk/2+Gp)

(5)

Tuk=∑λiqsikuili

(6)

其中，Tuk為非整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標準值，kN；Gp為基樁自重，地下水位以下取浮重度，kN。

由式(6)計算得Tuk=890 kN，基樁自重Gp=37.7 kN；局部抗浮計算時的樁基承受的拔力：Nk=Kf×F浮-F=1.05×667.6-334.3=366.68 kN；由式(5)計算得：Nk=366.68 kN≤(Tuk/2+Gp)=482.7 kN，樁基不會發生非整體破壞，水池抗浮滿足要求。

4 結語

水池抗浮設計應根據水文地質、水池自身結構特點、施工場地環境等因素選擇合理的抗浮措施。對于抗浮系數與規范允許值相差較大且場地存在較厚軟弱土層時，通過工程樁實現水池的抗浮，是一種經濟合理的措施。采用抗拔樁時，不僅應驗算樁基的整體穩定性，將樁土作為整體的抗浮體系，避免群樁效應導致整體抗浮承載力小于水浮力而發生整體破壞[4]；此外還應驗算中間支撐區域內抗拔樁承載力與水浮力的大小關系，從而避免發生單樁拔出的非整體破壞。同時采用預應力高強混凝土管樁作為抗拔樁使用時，還應注意加強樁與承臺的連接并確保管樁接頭的有效性，避免出現抗拔失效。

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

[2] 李增濤.半地下式水池抗浮穩定性分析與研究[J].工程建設，2016，48(4)：40-43.

[3] JGJ 94—2008，建筑樁基技術規范[S].

[4] 王 浩.地下室結構的抗浮設計與分析[D].合肥：合肥工業大學，2013.

Design and analysis on anti-floating stability of an underground clean-water tank

Chen Lingcai Cui Yun

(ChinaMachineryInternationalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,EastChinaBranch,Nanjing210023，China)

The paper introduces the calculation methods for the whole and partial anti-floating of the pool, illustrates the common anti-floating measures in the current projects, combined with engineering example, and indicates the design process for the pool anti-floating stability with the concrete pipe piles of the clean-water pool, so as to provide some ideas for similar engineering design.

clean-water pool, anti-floating design, uplift pile, water buoyance

1009-6825(2017)07-0051-02

2016-12-13

陳令才(1986- )，男，工程師； 崔 云(1988- )，男，工程師

TU462

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