高水位下U 型槽抗浮優(yōu)化設(shè)計(jì)

欒兆健

[濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250003]

0 引言

隨著城市交通的不斷發(fā)展，下穿通道U 型槽[1]等市政設(shè)施得以大量修建。對(duì)于水系發(fā)達(dá)、地下水位較高的地區(qū)，這些設(shè)施的抗浮問題日益顯現(xiàn)。鑒于設(shè)計(jì)人員很少對(duì)抗浮措施進(jìn)行仔細(xì)研究，取值過于保守，抗浮措施過于簡(jiǎn)單，因而造成較大浪費(fèi)。現(xiàn)在投資方越來越重視建設(shè)成本，希望從解決工程實(shí)際問題角度出發(fā)，根據(jù)規(guī)范及工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，解決工程的抗浮穩(wěn)定問題，減少工程抗浮的投資。

合理的抗浮設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)工程的安全和造價(jià)影響較大。合理制定抗浮措施，為以后的抗浮設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備，是迫在眉睫的問題。

1 浮力計(jì)算

1.1 抗浮設(shè)計(jì)水位確定

抗浮設(shè)防水位應(yīng)包括施工期抗浮設(shè)防水位和使用期抗浮設(shè)防水位，可按施工期、使用期分別或統(tǒng)一確定。應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)使用年限、抗浮設(shè)計(jì)等級(jí)、抗浮工程勘察抗浮設(shè)防水位建議值和抗浮設(shè)防水位預(yù)測(cè)結(jié)果并結(jié)合地方經(jīng)驗(yàn)綜合確定。

1.2 浮力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

地下結(jié)構(gòu)底板底面上的浮力應(yīng)取下列地下水狀態(tài)計(jì)算水壓力的組合值（見圖1）。

（1）抗浮設(shè)防水位高程與地下結(jié)構(gòu)底板底面高程水位差產(chǎn)生的靜水壓力（見圖1（a））。

（2）承壓水壓力扣減承壓水層頂面與地下結(jié)構(gòu)底板間隔水層浮重度自重差壓力（見圖1（b））。

（3）穩(wěn)態(tài)滲流在滲流反方向上地下結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)外墻之間水位差形成的靜壓力（見圖1（c））。

圖1 浮力值計(jì)算簡(jiǎn)圖

1.3 抗浮安全穩(wěn)定系數(shù)確定

抗浮穩(wěn)定性是指建筑工程范圍內(nèi)的抗浮設(shè)防水位條件下抗浮總荷載與總浮力的比較，其前提必須是各組成區(qū)域在浮力出現(xiàn)時(shí)，其“整體”、“局部”、“錨固體系和構(gòu)件”均滿足抗浮強(qiáng)度和變形的要求。因采用的荷載及其組合方式的不同而采用不同的安全系數(shù)，目前不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)抗浮穩(wěn)定性安全系數(shù)尚沒有統(tǒng)一的規(guī)定。不同規(guī)范的抗浮安全系數(shù)見表1。

表1 各規(guī)范抗浮安全系數(shù)

對(duì)于全埋式地下建筑物，在不記外墻與其背后填土層之間摩擦力的前提下，抗浮安全系數(shù)取1.05是公認(rèn)安全可靠的，其主要理由在于：首先，大量的實(shí)際工程證明其安全性；其次，抗浮驗(yàn)算中將外墻與土層之間的摩擦力作為安全儲(chǔ)備；再次，由于勘察報(bào)告提供的抗浮設(shè)防水位已經(jīng)綜合考慮了各種不利因素，同樣具有一定的安全儲(chǔ)備。

2 主要抗浮措施

地下結(jié)構(gòu)抗浮措施宜按預(yù)防、減壓和結(jié)構(gòu)抗浮的順序進(jìn)行比較選擇。抗浮措施可分抵抗地下水浮力法（主動(dòng)抗浮）和減小地下水浮力法（被動(dòng)抗浮）2大類（見表2）。

表2 主要抗浮措施表

3 U 型槽抗浮措施細(xì)化分析

3.1 模型簡(jiǎn)介及條件假定

依據(jù)實(shí)際工程中遇到的常規(guī)U 型槽斷面，本次U 型槽計(jì)算模型按照雙向6 車道，兩側(cè)各留1.5 m 的檢修斷面設(shè)置，具體斷面尺寸見圖2。

圖2 U 型槽計(jì)算模型斷面（單位：cm）

通過對(duì)實(shí)際工程的梳理，抗浮設(shè)防水位高于8.0 m 的情況比較少見，所以此次計(jì)算模型最小水位采用0.5 m，最大水位采用8.0 m，按照0.5 m 一個(gè)間隔進(jìn)行建模計(jì)算，抗浮設(shè)防水位采用與地面標(biāo)高一致的最不利情況；地質(zhì)情況按照基礎(chǔ)底土層為黏性土（m=3 000 kN/m4）考慮，造價(jià)對(duì)比中按照以下材料單價(jià)計(jì)算：鋼筋混凝土1 000 元/m3，挖土方50 元/m3，回填土方70 元/m3，抗拔樁1 500 元/m；考慮到U型槽基坑開挖及模板支護(hù)時(shí)也需要往外擴(kuò)，所以兩側(cè)抗浮腳趾的最大設(shè)置長(zhǎng)度定為3 m。

3.2 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

采用橋梁博士4.3 建模計(jì)算，每一個(gè)抗浮水位下分別建立2 個(gè)模型：一個(gè)為考慮車輛荷載，不考慮底板受浮力荷載影響；另一個(gè)不考慮車輛荷載，考慮底板受浮力荷載影響。

縱向取寬1 m U 型槽長(zhǎng)度進(jìn)行建模，在底板底加設(shè)具有彈性系數(shù)的土彈簧，以此模擬地基對(duì)U 型槽底板的彈性支撐作用。結(jié)構(gòu)分析模型見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)分析模型

荷載輸入情況：

荷載考慮：側(cè)墻土壓力，挑臂所受的垂直土壓力，U 型槽內(nèi)鋪裝，車輛荷載采用車輛橫向加載，底板所受的水浮力。考慮車輛荷載的荷載圖和考慮底板浮力的荷載圖見圖4 和圖5。

圖4 考慮車輛荷載的荷載圖

圖5 考慮底板浮力的荷載圖

通過建立有限元模型，計(jì)算得出U 型槽在不同抗浮設(shè)計(jì)水位下滿足承載能力要求的最小結(jié)構(gòu)尺寸，然后根據(jù)規(guī)范及構(gòu)造要求確定合理的U 型槽底板厚度、側(cè)墻底厚度以及抗拔樁[2]數(shù)量。

3.3 抗浮措施對(duì)比

滿足規(guī)范及結(jié)構(gòu)受力要求以后，進(jìn)行抗浮措施[2]的對(duì)比分析（抗浮安全系數(shù)按照1.05 計(jì)算），抗浮措施主要為：

（1）調(diào)整底板及側(cè)墻厚度。

（2）增設(shè)挑臂并調(diào)整挑臂長(zhǎng)度。

（3）增設(shè)抗拔樁。

根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果，可針對(duì)抗浮設(shè)防水位h 分別為h＜2 m、h=2～4 m、h=4～8 m 這3 種情況采取抗浮措施。

3.3.1 抗浮設(shè)防水位h＜2 m

抗浮設(shè)防水位h＜2 m 的造價(jià)對(duì)比見表3。

表3 抗浮設(shè)防水位h＜2 m 的造價(jià)對(duì)比

分析表3 可知，對(duì)于U 型槽在抗浮設(shè)計(jì)水位h＜2 m 的情況下，結(jié)構(gòu)受力主要控制因素為車輛荷載、鋪裝及土壓力，水的浮力不起決定性作用，結(jié)構(gòu)計(jì)算可以僅計(jì)算車輛荷載、鋪裝及土壓力下的承載能力即可。此時(shí)抗浮不需要增加其他措施，僅靠結(jié)構(gòu)自重就能滿足抗浮設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 抗浮設(shè)防水位h=2～4 m

抗浮設(shè)防水位h=2～4 m 的抗浮措施造價(jià)對(duì)比見表4。

表4 抗浮設(shè)防水位h=2～4 m 抗浮措施造價(jià)對(duì)比

由表4 可見，在抗浮設(shè)防水位h=2～4 m 的情況下，3 種抗浮措施中增設(shè)挑臂的造價(jià)最低。因此，在不考慮其他工程條件約束的情況下，建議先考慮增加挑臂長(zhǎng)度來滿足抗浮設(shè)計(jì)要求。

3.3.3 抗浮設(shè)防水位h=4～8 m

抗浮設(shè)防水位h=4～8 m 的抗浮措施造價(jià)對(duì)比見表5。

表5 抗浮設(shè)防水位h=4～8 m 抗浮措施造價(jià)對(duì)比

由表5 可見，在抗浮設(shè)防水位h=4～8 m 情況下，3 種抗浮措施中增設(shè)抗拔樁[4]+ 挑臂的造價(jià)最低。因此，在不考慮其他工程條件約束的情況下，建議優(yōu)先考慮增設(shè)抗拔樁+ 挑臂來滿足抗浮設(shè)計(jì)要求。

4 工程實(shí)例分析

4.1 工程概況

臨沂市雙月園路通道全長(zhǎng)439 m，暗埋段為雙孔箱涵結(jié)構(gòu)，敞開段為U 型槽結(jié)構(gòu)+ 擋墻結(jié)構(gòu)。工程地質(zhì)主要以雜填土、黏土、全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化石灰?guī)r為主；地下水類型為潛水，以巖溶裂隙為主，抗浮水位位于地表以下約2.5 m。結(jié)構(gòu)施工采用大開挖形式。雙月園路下穿通道立面圖見圖6。

圖6 雙月園路下穿通道立面圖

抗浮水位確定：按照地勘抗浮水位取值。

浮力計(jì)算：根據(jù)地勘描述，該位置處地下水為潛水，未提及隔水層及承壓水，浮力計(jì)算按照完全排開水的體積計(jì)算，不考慮弱透水層的浮力折減。

4.2 抗浮設(shè)計(jì)思路

本工程主要從工程經(jīng)濟(jì)性及工期的合理性確定抗浮措施。本工程主要制約因素：

（1）施工工期，由于本項(xiàng)目為現(xiàn)狀道路改建，施工工期要求較嚴(yán)格。

（2）本工程兩側(cè)用地受限，開挖斷面不宜過大。

（3）本工程局部位于中風(fēng)化巖層上，開挖斷面不宜太深。

（4）根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)經(jīng)驗(yàn)，不推薦采用主動(dòng)抗浮措施。綜合以上因素，確定結(jié)構(gòu)抗浮以壓重為主，局部位置為減小斷面開挖，采用抗拔樁。

4.3 抗浮措施選用

根據(jù)抗浮水位位置、抗浮措施、受力情況，U 型槽段共劃分為4 段，每段長(zhǎng)度約27 m。第1 段U 型槽（見圖7）水浮力較小，結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)受力計(jì)算確定；第2 段（見圖7）適當(dāng)增加底板及U 型槽厚度，通過增加結(jié)構(gòu)自重來抗浮；第3 段（見圖8）通過增加板厚及采用抗浮腳趾進(jìn)行抗浮，主要通過增加結(jié)構(gòu)自重及兩側(cè)壓重來抗浮；第4 段（見圖9）是在第3 段基礎(chǔ)上通過增加抗拔樁進(jìn)行聯(lián)合抗浮。箱涵段抗浮通過覆土完成。

圖7 第1、第2 段U 型槽圖（單位：cm）

圖8 第3 段U 型槽圖（單位：cm）

圖9 第4 段U 型槽圖（單位：cm）

該U 型槽設(shè)計(jì)斷面與上述理論計(jì)算吻合，且該項(xiàng)目施工已基本完成。按照設(shè)計(jì)斷面施工后，施工單位和建設(shè)方均反映無問題，且從結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)造價(jià)上均滿足要求，證明該理論計(jì)算滿足施工及設(shè)計(jì)要求，可以用于實(shí)際施工中。

5 結(jié)語

（1）使用期抗浮水位采用與設(shè)計(jì)使用年限相同時(shí)限期內(nèi)觀測(cè)到的最高水位和勘察單位預(yù)測(cè)水位，取兩者之中大者。

（2）浮力標(biāo)準(zhǔn)值取用靜水壓力、滲流壓力及承壓水頭壓力三者之和。

（3）通過對(duì)不同規(guī)范抗浮安全系數(shù)的對(duì)比，常規(guī)地下結(jié)構(gòu)通道、U 型槽等抗浮安全系數(shù)按照《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 476—2019）選用，施工期抗浮穩(wěn)定系數(shù)不小于1.00，使用期抗浮穩(wěn)定系數(shù)不小于1.05。

（4）總抗浮力組合系數(shù)選用：結(jié)構(gòu)自重、結(jié)構(gòu)和構(gòu)件提供的抗拔力采用1.0，結(jié)構(gòu)內(nèi)部固定設(shè)備、永久堆積物采用0.95，結(jié)構(gòu)上部填筑體、結(jié)構(gòu)內(nèi)部填筑體采用0.9。

（5）對(duì)U 型槽抗浮措施進(jìn)行細(xì)化分析和造價(jià)對(duì)比后得出：抗浮設(shè)計(jì)水位h＜2 m 的情況下，僅靠結(jié)構(gòu)自重就能滿足抗浮設(shè)計(jì)要求；h=2～4 m 情況下，優(yōu)先選擇增設(shè)挑臂抗浮措施；h=4～8 m 情況下，優(yōu)先考慮增設(shè)抗拔樁+ 挑臂來滿足抗浮設(shè)計(jì)要求。