地下水池在施工期间的抗浮计算

　　摘要：地下水池在施工期间的抗浮是困扰技术人员的一个难题，笔者首先介绍了水池抗浮方案的比较分析，结合实际工程，详细介绍了水池的抗浮设计及计算，同时，对设计方案进行了优化比选，可供相关技术人员参考。
　　关键词：地下水池、抗浮、设计
　　
　　
　　1引文
　　在市政、环境、水利和工业项目建设工程中，有大量的埋地式水池构筑物。当构筑物建设在地下水位较高地区时，埋地式水池构筑物的抗浮措施是设计中必须解决的重要问题之一。因建设场地的不同，或是结构体型的不同，埋地式水池构筑物的抗浮设计方案可有不同的选择。选用的抗浮设计方案合理与否，对结构受力和工程造价会产生较大的影响。
　　本文基于抗浮稳定性的设计验算要求，介绍目前在抗浮设计中常用的自重抗浮、压重抗浮、基
　　底配重抗浮、打抗拔桩抗浮或打锚杆抗浮等方法的施工技术与适用条件，以及对结构设计的影响。在此基础上，结合工程实例对抗浮设计方案的合理选择作进一步的讨论。
　　2抗浮设计方案的分析与比较
　　水池抗浮设计时，其整体抗浮稳定性验算公式为:
　　G≥1.05F
　　式中，G为水池内不盛水时水池自重等永久作用荷载，当构筑物为沉井等侧壁与土体紧密接触的结构，可计人侧壁上的摩擦力；F为地下水浮力。图1为考虑水池整体抗浮时的抗浮力示意图。图中，G1为池体自重；G2为池内压重；G3为池顶压重；G4为池壁外挑墙址上压重；G5为池底板下部配重；N1为池底抗浮桩或锚杆的抗拔力。
　　对设置有中问支柱的封闭式水池，除验算整体抗浮稳定性外还需验算局部抗浮。验算时，局部抗浮力按图2考虑。图中，各抗浮力均为每一支承单元内的值。
　　                            
　　
　　                图1整体抗浮时的水池抗浮力                                                                          图2局部抗浮时的水池抗浮力
　　
　　2.1自重抗浮
　　自重抗浮即通过提高池体结构自重G1来达到抗浮的目的。此法一般适用于水池自重与地下水浮力相差不大的情况。
　　自重的增加一般通过加大水池池壁或底板来实现，这样做虽然会增加混凝土用量，但由于结构厚度的增加，可以降低池壁与底板的配筋率，减小钢筋用量，所以适当地增加结构构件的截面，对造价的增加幅度并不很大。同时，构件截面的加大，相应也提高了水池结构的刚度。
　　采用自重抗浮对于原设计水池截面配筋率相对较大的水池最为经济适用。但若原水池截面配筋率不大，增大截面后，有可能使结构构件为满足最小配筋率而增加钢筋用量，池体造价会因此上升，这时宜考虑采用其他的抗浮措施。
　　2.2压重抗浮
　　压重抗浮是通过在池内、池顶或池底外挑墙趾上压重来抗浮。
　　池内压重即增加G2抗浮，一般需将池体落深，在池内填筑压重混凝土或浆砌块石等其他材料来达到抗浮的目的。此法增加了池壁高度和基坑深度，但一般不会增加池底所受的不均匀地基反力，故对底板的内力影响较小。
　　池顶压重即增加G3，常用于埋地式或半埋地式水池，如自来水厂的清水池、吸水井和一些污水处理构筑物等。采用此法，可充分利用池顶覆土种植绿化或作为活动场地，但池顶压重会大大增加池顶板和底板的荷载，使顶、底板的结构厚度和配筋都相应增加。
　　外挑墙趾上压重即增加G4，这样做不需增加基坑深度，但一般均需将底板外挑较大范围，以增加基坑面积，并且可能对相邻的建筑物、构筑物或管线等造成一定的影响，另外会增加池底所受的不均匀地基反力，使池底板的内力增大。此法可直接利用外挑墙趾上的回填土或填筑毛石等自重
　　较大的材料抗浮。若直接利用回填土，考虑到回填土的不均匀性及填挖的不确定性，一般应乘0.8~0.9的折减系数。此法常用于一般中小型水池的抗浮，但不宜用在平面尺寸较大的水池，对需考虑局部抗浮的水池也不适用。
　　2.3池底配重抗浮
　　池底配重抗浮即增加G5，是在水池底板以下设配重混凝土，通过底板与配重混凝土的可靠连接来满足抗浮要求。其典型例子就是在沉井结构设计中，如果井体的自重不足以满足抗浮要求，可在底板与封底混凝土问设置拉结短筋，利用封底混凝土的自重抗浮。此法用于一般水池时，其受力情况近似池内压重抗浮，不需增加池壁高度，但要保证底板与配重混凝土的可靠连接，并且其配重材料一般应采用强度等级不小于C15的混凝土。基底配重抗浮一般比池内压重抗浮更为经济，但若池内压重可在工程所在地就地取用块石等，则池内压重抗浮的造价可能比基底配重抗浮更低。
　　2.4打抗拔桩抗浮或打锚杆抗浮
　　打抗拔桩抗浮与打土层锚杆抗浮的方法相似，分别是通过桩或锚杆的抗拔力N1来抗浮，即利用桩或锚杆对池体的锚固力来抗浮。此类方法对大体积埋地水池的抗浮相当有效，不仅能满足池体的整体抗浮，还能通过桩或锚杆的合理布置，很好地解决大型水池的局部抗浮问题。
　　抗拔桩的抗拔力设计按桩体与土的摩擦力和桩身抗拉承载力的较小值取用，一般情况下由桩体与土的摩擦力控制。桩径越小，同体积桩体的表面积越大，则摩擦力也越大。另外，由于大部分水池为平板基础，若单桩抗拔力过大，对底板的集中荷载作用明显，此时为承受此抗拔力而必须采取的底板的局部加强或改变底板的结构形式，会使造价进一步增加。所以，抗拔桩一般宜选用桩径较小、单桩抗拔力相应较小的桩进行密布。抗拔桩的桩长宜尽量控制在单节桩的长度范围内，这样可以减少接桩费用以及避免由于接桩不牢固造成的抗拔力损失。由于桩端承载力对抗拔力无帮助，所以抗拔桩一般无需打入硬土层。
　　3工程设计实例
　　以广东省佛山市某污水处理厂工程中二沉池设计为例，选择几种不同的抗浮方案进行比较。
　　本工程地质土层情况：1层，粉质黏土层，=160kPa，厚1.2m；2层，黏土混姜石层，=180kPa，厚2m；3层，黏土层，=200kPa，=28kPa，厚度大于10m；地下水抗浮设计水位为场地设计地面下1.3m。
　　二沉池为内径42m圆形锥底水池，水池底面埋深3.4～4.5m，地上部分高1.6m。池体自重G=27508kN；浮力F=39285kN。
　　关于二沉池的抗浮设计，以下就分别采用压重抗浮、打抗拔桩抗浮和打土层锚杆抗浮的方案进行作分析比较。
　　(1)压重抗浮。采用池内压重与池周外挑墙址上压重结合的方式。将原锥形池底做成平底后在池内填筑毛石混凝土形成锥底，另外在底板外挑墙址上填土分层压实。
　　经计算，此法需增加的工程量如下：
　　池壁增加钢筋混凝土重=1096kN；
　　池内填筑毛石混凝土重G2=25386kN：
　　池壁外挑墙址上土重G4=2436×0.8=1949kN；
　　总浮力F=53048kN；
　　总抗浮力ΣG=G1++G2+G4=55939kN；
　　抗浮稳定性验算ΣG／F’=55939／53048=1.054>1.05，满足。
　　(2)打抗拔桩抗浮。采用D400预应力混凝土管桩，壁厚95mm，桩长10m。单桩抗拔力设计值N=200kN。
　　共需桩数=(1.05F—G)=(39285×1.05一27508)=69根；经布桩后取72根。
　　总抗浮力为ΣG：G1+72N1=41908kN；
　　抗浮稳定性验算ΣG／F=41908／39285=1.07>1.05，满足。
　　(3)打土层锚杆抗浮。采用锚杆长8m，直径150，锚固体为M30水泥砂浆，杆体采用125螺纹钢筋。
　　锚杆抗拔力设计值N1=πd／1.3=(28×π×0.15×8)／1.3=81kN：
　　共需锚杆数=(1.05F—G)/81
　　=(39285×1.05—27508)/81=170根；
　　总抗浮力ΣG=G1+170N=41278kN；抗浮稳定性验算ΣG／F=41278／39285=1.051>1.05，满足。
　　本池由于平面尺寸及浮力较大，自重较轻，其自重与地下水浮力相差30%，所以采用压重抗浮将使造价大大增加，明显不经济。采用打抗拔桩或土层锚杆抗浮较为合适，其中尤以土层锚杆更为经济，但土层锚杆对施工队伍的要求较高。本工程考虑到土层锚杆抗浮在当地尚缺乏经验，所以未予采用；另外，考虑到若单独为本池的抗浮采用打抗拔桩，则桩基施工将对整个工程的管理和工期有所影响。最后，经工艺调整后将水池整体抬高0.5m后采用压重抗浮。
　　4结论
　　(1)抗浮设计的验算要求看似简单，但抗浮设计方案可有不同选择。常用的抗浮设计措施在方法上各有特点。抗浮设计方案选用的合理与否，对结构受力和工程造价会产生较大的影响。
　　(2)抗浮设计方案的选择必需考虑工程所在地的具体情况，做到就地取材，因地制宜，并尽量符合当地的施工力量现状和习惯做法，以便在确保质量的前提下做到既经济又合理。另外，为了达到经济、可靠、易操作的目的，抗浮设计方案也可选择由几种不同的措施组合而成。
　　(3)为使抗浮设计更为合理、经济，设计抗浮方案时应注意根据工程的具体情况，基于对各种
　　方案的分析比较，综合考虑后判断选择。
　　
　　参考文献：
　　[1]北京市市政工程设计研究总院．GB50069-2002给水排水工程构筑物结构设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2003．
　　[2]中国工程建设标准化协会．CECS138—2002给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S]．北京：中国建筑工业出版社，2003．
　　[3]重庆市设计院．GB50330—2002建筑边坡工程技术规范[S]．北京：中国建筑工业出版社．