地下水池在施工期間的抗浮計算

　　摘要：地下水池在施工期間的抗浮是困擾技術(shù)人員的一個難題，筆者首先介紹了水池抗浮方案的比較分析，結(jié)合實際工程，詳細(xì)介紹了水池的抗浮設(shè)計及計算，同時，對設(shè)計方案進(jìn)行了優(yōu)化比選，可供相關(guān)技術(shù)人員參考。

　　關(guān)鍵詞：地下水池、抗浮、設(shè)計　

　　1引文

　　在市政、環(huán)境、水利和工業(yè)項目建設(shè)工程中，有大量的埋地式水池構(gòu)筑物。當(dāng)構(gòu)筑物建設(shè)在地下水位較高地區(qū)時，埋地式水池構(gòu)筑物的抗浮措施是設(shè)計中必須解決的重要問題之一。因建設(shè)場地的不同，或是結(jié)構(gòu)體型的不同，埋地式水池構(gòu)筑物的抗浮設(shè)計方案可有不同的選擇。選用的抗浮設(shè)計方案合理與否，對結(jié)構(gòu)受力和工程造價會產(chǎn)生較大的影響。

　　本文基于抗浮穩(wěn)定性的設(shè)計驗算要求，介紹目前在抗浮設(shè)計中常用的自重抗浮、壓重抗浮、基底配重抗浮、打抗拔樁抗浮或打錨桿抗浮等方法的施工技術(shù)與適用條件，以及對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實例對抗浮設(shè)計方案的合理選擇作進(jìn)一步的討論。

　　2抗浮設(shè)計方案的分析與比較

　　水池抗浮設(shè)計時，其整體抗浮穩(wěn)定性驗算公式為:

　　G≥1.05F

　　式中，G為水池內(nèi)不盛水時水池自重等永久作用荷載，當(dāng)構(gòu)筑物為沉井等側(cè)壁與土體緊密接觸的結(jié)構(gòu)，可計人側(cè)壁上的摩擦力；F為地下水浮力。圖1為考慮水池整體抗浮時的抗浮力示意圖。圖中，G1為池體自重；G2為池內(nèi)壓重；G3為池頂壓重；G4為池壁外挑墻址上壓重；G5為池底板下部配重；N1為池底抗浮樁或錨桿的抗拔力。

　　對設(shè)置有中問支柱的封閉式水池，除驗算整體抗浮穩(wěn)定性外還需驗算局部抗浮。驗算時，局部抗浮力按圖2考慮。圖中，各抗浮力均為每一支承單元內(nèi)的值。

　　2.1自重抗浮

　　自重抗浮即通過提高池體結(jié)構(gòu)自重G1來達(dá)到抗浮的目的。此法一般適用于水池自重與地下水浮力相差不大的情況。

　　自重的增加一般通過加大水池池壁或底板來實現(xiàn)，這樣做雖然會增加混凝土用量，但由于結(jié)構(gòu)厚度的增加，可以降低池壁與底板的配筋率，減小鋼筋用量，所以適當(dāng)?shù)卦黾咏Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面，對造價的增加幅度并不很大。同時，構(gòu)件截面的加大，相應(yīng)也提高了水池結(jié)構(gòu)的剛度。

　　采用自重抗浮對于原設(shè)計水池截面配筋率相對較大的水池最為經(jīng)濟(jì)適用。但若原水池截面配筋率不大，增大截面后，有可能使結(jié)構(gòu)構(gòu)件為滿足最小配筋率而增加鋼筋用量，池體造價會因此上升，這時宜考慮采用其他的抗浮措施。

　　2.2壓重抗浮

　　壓重抗浮是通過在池內(nèi)、池頂或池底外挑墻趾上壓重來抗浮。

　　池內(nèi)壓重即增加G2抗浮，一般需將池體落深，在池內(nèi)填筑壓重混凝土或漿砌塊石等其他材料來達(dá)到抗浮的目的。此法增加了池壁高度和基坑深度，但一般不會增加池底所受的不均勻地基反力，故對底板的內(nèi)力影響較小。

　　池頂壓重即增加G3，常用于埋地式或半埋地式水池，如自來水廠的清水池、吸水井和一些污水處理構(gòu)筑物等。采用此法，可充分利用池頂覆土種植綠化或作為活動場地，但池頂壓重會大大增加池頂板和底板的荷載，使頂、底板的結(jié)構(gòu)厚度和配筋都相應(yīng)增加。

　　外挑墻趾上壓重即增加G4，這樣做不需增加基坑深度，但一般均需將底板外挑較大范圍，以增加基坑面積，并且可能對相鄰的建筑物、構(gòu)筑物或管線等造成一定的影響，另外會增加池底所受的不均勻地基反力，使池底板的內(nèi)力增大。此法可直接利用外挑墻趾上的回填土或填筑毛石等自重

　　較大的材料抗浮。若直接利用回填土，考慮到回填土的不均勻性及填挖的不確定性，一般應(yīng)乘0.8~0.9的折減系數(shù)。此法常用于一般中小型水池的抗浮，但不宜用在平面尺寸較大的水池，對需考慮局部抗浮的水池也不適用。

　　2.3池底配重抗浮

　　池底配重抗浮即增加G5，是在水池底板以下設(shè)配重混凝土，通過底板與配重混凝土的可靠連接來滿足抗浮要求。其典型例子就是在沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如果井體的自重不足以滿足抗浮要求，可在底板與封底混凝土問設(shè)置拉結(jié)短筋，利用封底混凝土的自重抗浮。此法用于一般水池時，其受力情況近似池內(nèi)壓重抗浮，不需增加池壁高度，但要保證底板與配重混凝土的可靠連接，并且其配重材料一般應(yīng)采用強(qiáng)度等級不小于C15的混凝土�；�底配重抗浮一般比池內(nèi)壓重抗浮更為經(jīng)濟(jì)，但若池內(nèi)壓重可在工程所在地就地取用塊石等，則池內(nèi)壓重抗浮的造價可能比基底配重抗浮更低。

　　2.4打抗拔樁抗浮或打錨桿抗浮

　　打抗拔樁抗浮與打土層錨桿抗浮的方法相似，分別是通過樁或錨桿的抗拔力N1來抗浮，即利用樁或錨桿對池體的錨固力來抗浮。此類方法對大體積埋地水池的抗浮相當(dāng)有效，不僅能滿足池體的整體抗浮，還能通過樁或錨桿的合理布置，很好地解決大型水池的局部抗浮問題。

　　抗拔樁的抗拔力設(shè)計按樁體與土的摩擦力和樁身抗拉承載力的較小值取用，一般情況下由樁體與土的摩擦力控制。樁徑越小，同體積樁體的表面積越大，則摩擦力也越大。另外，由于大部分水池為平板基礎(chǔ)，若單樁抗拔力過大，對底板的集中荷載作用明顯，此時為承受此抗拔力而必須采取的底板的局部加強(qiáng)或改變底板的結(jié)構(gòu)形式，會使造價進(jìn)一步增加。所以，抗拔樁一般宜選用樁徑較小、單樁抗拔力相應(yīng)較小的樁進(jìn)行密布�？拱螛兜臉堕L宜盡量控制在單節(jié)樁的長度范圍內(nèi)，這樣可以減少接樁費用以及避免由于接樁不牢固造成的抗拔力損失。由于樁端承載力對抗拔力無幫助，所以抗拔樁一般無需打入硬土層。

　　3工程設(shè)計實例

　　以廣東省佛山市某污水處理廠工程中二沉池設(shè)計為例，選擇幾種不同的抗浮方案進(jìn)行比較。

　　本工程地質(zhì)土層情況：1層，粉質(zhì)黏土層，=160kPa，厚1.2m；2層，黏土混姜石層，=180kPa，厚2m；3層，黏土層，=200kPa，=28kPa，厚度大于10m；地下水抗浮設(shè)計水位為場地設(shè)計地面下1.3m。

　　二沉池為內(nèi)徑42m圓形錐底水池，水池底面埋深3.4～4.5m，地上部分高1.6m。池體自重G=27508kN；浮力F=39285kN。

　　關(guān)于二沉池的抗浮設(shè)計，以下就分別采用壓重抗浮、打抗拔樁抗浮和打土層錨桿抗浮的方案進(jìn)行作分析比較。

　　(1)壓重抗浮。采用池內(nèi)壓重與池周外挑墻址上壓重結(jié)合的方式。將原錐形池底做成平底后在池內(nèi)填筑毛石混凝土形成錐底，另外在底板外挑墻址上填土分層壓實。

　　經(jīng)計算，此法需增加的工程量如下：

　　池壁增加鋼筋混凝土重=1096kN；

　　池內(nèi)填筑毛石混凝土重G2=25386kN：

　　池壁外挑墻址上土重G4=2436×0.8=1949kN；

　　總浮力F=53048kN；

　　總抗浮力ΣG=G1++G2+G4=55939kN；

　　抗浮穩(wěn)定性驗算ΣG／F’=55939／53048=1.054>1.05，滿足。

　　(2)打抗拔樁抗浮。采用D400預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，壁厚95mm，樁長10m。單樁抗拔力設(shè)計值N=200kN。

　　共需樁數(shù)=(1.05F—G)=(39285×1.05一27508)=69根；經(jīng)布樁后取72根。

　　總抗浮力為ΣG：G1+72N1=41908kN；

　　抗浮穩(wěn)定性驗算ΣG／F=41908／39285=1.07>1.05，滿足。

　　(3)打土層錨桿抗浮。采用錨桿長8m，直徑150，錨固體為M30水泥砂漿，桿體采用125螺紋鋼筋。

　　錨桿抗拔力設(shè)計值N1=πd／1.3=(28×π×0.15×8)／1.3=81kN：

　　共需錨桿數(shù)=(1.05F—G)/81

　　=(39285×1.05—27508)/81=170根；

　　總抗浮力ΣG=G1+170N=41278kN；抗浮穩(wěn)定性驗算ΣG／F=41278／39285=1.051>1.05，滿足。

　　本池由于平面尺寸及浮力較大，自重較輕，其自重與地下水浮力相差30%，所以采用壓重抗浮將使造價大大增加，明顯不經(jīng)濟(jì)。采用打抗拔樁或土層錨桿抗浮較為合適，其中尤以土層錨桿更為經(jīng)濟(jì)，但土層錨桿對施工隊伍的要求較高。本工程考慮到土層錨桿抗浮在當(dāng)?shù)厣腥狈��?jīng)驗，所以未予采用；另外，考慮到若單獨為本池的抗浮采用打抗拔樁，則樁基施工將對整個工程的管理和工期有所影響。最后，經(jīng)工藝調(diào)整后將水池整體抬高0.5m后采用壓重抗浮。

　　4結(jié)論

　　(1)抗浮設(shè)計的驗算要求看似簡單，但抗浮設(shè)計方案可有不同選擇。常用的抗浮設(shè)計措施在方法上各有特點�？垢≡O(shè)計方案選用的合理與否，對結(jié)構(gòu)受力和工程造價會產(chǎn)生較大的影響。

　　(2)抗浮設(shè)計方案的選擇必需考慮工程所在地的具體情況，做到就地取材，因地制宜，并盡量符合當(dāng)?shù)氐氖┕ちα楷F(xiàn)狀和習(xí)慣做法，以便在確保質(zhì)量的前提下做到既經(jīng)濟(jì)又合理。另外，為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)、可靠、易操作的目的，抗浮設(shè)計方案也可選擇由幾種不同的措施組合而成。

　　(3)為使抗浮設(shè)計更為合理、經(jīng)濟(jì)，設(shè)計抗浮方案時應(yīng)注意根據(jù)工程的具體情況，基于對各種

　　方案的分析比較，綜合考慮后判斷選擇。　

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