地下水池抗浮设计

作者：秦克 　宋娟茹

来源：《建筑建材装饰》2014年第10期

        摘要：本文将阐述地下水池的抗浮设计原理并结合工程实例给出抗浮处理措施。

        关键词：地下水池；抗浮设计；抗拔锚杆

        前言

        随着我国城市化进程的加快，城市地下空间的开发利用已成趋势，许多城市结合本地城建特点，综合利用广场、绿地等建设各类地下工程。对于地下工程，特别在高水位地区，往往存在着工程的抗浮问题。这是结构设计师在进行结构设计时所不能忽略的。近期做的几个南方工程，都遇到了地下水池的抗浮问题，有些不明白的人就会问，那么大的一个钢筋混凝土水池，怎么会浮起来甚至漂走呢？本文将阐述地下水池的抗浮设计原理并结合工程实例给出抗浮处理措施。

        1抗浮设计原理

        地下水池是否需要做抗浮设计，首先要了解当地的地下水位、历史最高地下水位、近3～5年最高地下水位、水位变化趋势和主要影响因素，综合分析后得出适用于工程的设防水位。也可要求工程勘察单位提供用于计算地下水浮力的设计水位。目前，对设防水位的选定没有明确的规定，作者认为应选取工程场地最高洪水位作为工程抗浮设计设防水位。得到这些数据后，我们就可以进一步来分析是否需要做抗浮设计。

        1.1水池自重荷载

        水池自重荷载主要包括水池顶板、侧壁以及底板的结构重量。防水层做法的重量可忽略不计。

        1.2池顶荷载

        池顶荷载主要包括池顶覆土及地面活荷载。其中地面活荷载考虑的因素是人、车及堆料。在抗浮设计中忽略不计。

        1.3水浮力

        地下水池所受的水浮力即为作用在水池基础底板上的静水压强与底板面积的乘积。

        Fwk=γhA （1）

        式中：Fwk—地下水浮力标准值；

        γ—基底以上水的密度；

        h—计算浮力时水头高差；

        A—基底面积。

        1.4抗浮验算

        有了结构自重、池顶覆土重量和水浮力，我们就可以按下式进行抗浮验算了：

        KFwk≤0.9G （2）

        式中：Fwk—地下水浮力标准值；

        G—建筑物自重及压重之和；

        K—水浮力调整系数（其值应根据实际情况确定）。

        地下水池产生上浮现象的原因就是水池在无水状态时，结构自重和池顶覆土重量之和小于水浮力所引起。当不满足上式（2）时，须进行抗浮设计。

        目前构筑物通常采用的抗浮措施有两大类：一是抗力平衡型，其中运用较多的技术措施有：配重法、设置抗浮桩或抗浮锚杆。二是浮力消除型，主要是采用在构筑物周边设置盲沟、降水井等方法，将地下水位人为的降低，以达到抗浮的目的。目前，抗力平衡性技术措施施工工艺成熟，多年来被广泛应用。

        配重法即通过增加工程的自重来抵御水浮力的作用。用配重解决抗浮问题简单、可靠，相对比较经济，适用于各类地下工程。配重的部位主要在底板。通常根据工程配重要求，在底板上设回填层，用土、砂、石、混凝土等材料压实回填，利用回填物的重量增加工程自重，达到平衡浮力的目的。

        抗浮桩和抗浮锚杆则主要利用桩侧阻力和锚杆提供的拉力平衡浮力。抗浮桩利用桩侧阻力起抗浮作用，其抗浮能力与桩型、桩径、桩长及周围地质条件有关。抗浮桩的单桩承载力较大，一般布置在柱、墙下，其抗浮面积较大，受环境条件、施工条件影响较大，造价较高。抗浮锚杆则利用锚杆与砂浆组成的锚固体与岩土层的结合力作为抗浮力。因其造价低廉、施工方便、受力合理等优点而被广泛应用。

        在实际工程中，应根据地下工程的结构形式、地质条件、浮力大小、施工条件和工期要求等因素确定采用何种抗浮措施，也可以根据工程特点，采取多种抗浮措施。

        3工程实例

        3.1杭州某封闭式800t地下消防水池工程

        基本资料：水池尺寸（外壁尺寸）19.3m（长）×11.7m（宽）×4.5m（高）

        水池顶板厚150mm；池壁厚400mm；底板厚500mm；顶板覆土厚度500mm，消防水池基坑开挖深度约为5.0m左右，基坑开挖面积240m2左右，池底土层为淤泥、粉质粘土及粘土。池底主要土层为淤泥，容易引起基坑隆起等现象。整个水池均在地下水位以下，地下水浮力较大（地下水位几乎与地面持平），设计必须验算抗浮稳定。

        3.1.1水池抗浮计算：

        池底面积为A=19.3×11.7=226m2

        本工程最高抗浮水位标高基本与室外地面持平为-0.450，相应的水池底板板底标高为-5.600m。则计算抗浮水头高度H=5.6-0.45=5.15m。

        水浮力Fwk=5.15×226×10=11639KN

        结构自重：

        顶板：G1=0.15×226×25=848KN

        底板：G2=0.5×226×25=2825KN

        池壁：G3=62×0.4×3.85×25=2387KN

        覆土重：G4=0.5×226×18=2034KN

        综合以上G=G1+G2+G3+G4=8094KN

        Fwk=11639>0.9G=7285KN

        经以上分析计算可知：地下水池光凭借结构自重不能满足抗浮计算的要求，需要采取抗浮处理措施。由于水池所处位置，大型机械无法进入，与甲方以及地勘单位协商，决定采用当地应用比较普遍的树根桩作为抗拔桩。抗拔桩直径300mm，有效桩长16m，桩的抗拔承载力特征值Ra'=up∑λiqsiali+Gpk，取抗拔系数λi=0.7

        根据地堪资料提供的数据资料计算得出：单桩抗拔力特征值为120KN，实配5Φ12。

        如图所示布置44根抗拔桩44×120=5280KN>1.2（Fwk-0.9G）=5223KN满足抗拔要求。

        3.1.2深圳某封闭式500t地下消防水池工程

        基本资料：水池尺寸（外壁尺寸）17.7m（长）×8.4m（宽）×5m（高）

        水池顶板厚200mm；池壁厚350mm；底板厚400mm；底板挑出450mm；顶板覆土厚度300mm。消防水池基坑开挖深度约为6.0m左右，基坑开挖面积180m2左右，池底土层为砾质粘性土，强～中风化岩。整个水池均在地下水位以下，地下水浮力较大（地下水位几乎与地面持平），设计必须验算抗浮稳定。

        （1）水池抗浮计算：

        池底面积为A=18.6×9.3=173m2

        本工程最高抗浮水位标高基本与室外地面持平为-0.250，相应的水池底板板底标高为-6.150m。则计算抗浮水头高度H=6.15-0.25=5.9m。

        水浮力Fwk=5.9×173×10=10207KN

        结构自重：

        顶板： G1=0.2×149×25=745KN

        底板： G2=0.4×173×25=1730KN

        池壁： G3=57×0.35×5×25=2494KN

        覆土重：G4=0.3×149×18+54×0.45×5.5×18=3211KN

        （横线为底板挑板上部覆土重量）

        综合以上G=G1+G2+G3+G4=8180KN

        Fwk=10207>0.9G=7362KN

        经以上分析计算可知：地下水池光凭借结构自重不能满足抗浮计算的要求，需要采取抗浮处理措施。与甲方以及地勘单位协商，决定采用当地应用比较普遍的抗拔锚杆。

        抗拔锚杆直径 130mm，有效桩长9m，

        单根锚杆抗拔承载力特征值Rta=up∑λiqsiali/γs+0.9Go，取抗拔系数λi=0.7

        根据地堪资料提供的数据资料计算得出：锚杆进入中风化岩不小于2.9m，单桩抗拔力特征值为132KN，实配1Φ25。

        如图所示布置36根抗拔桩36×132=4752KN>1.2（Fwk-0.9G）=3414KN

        满足抗拔要求。

        上述计算中没有考虑水池外壁与土壤接触所产生的摩擦力的有利影响。这里可作为结构工程师的安全储备。

        4结束语

        地下工程的抗浮设计是结构设计的重要部分组成。应根据工程结构特点、地质条件、施工环境等因素，选择抗浮措施。在设计过程中，选择合理的设计参数，重视地区经验做好构造处理，使工程的抗浮设计更加合理可靠。

        参考文献：

        [1]GB50007―2011建筑地基基础设计规范[S]

        [2]JGJ94―2008建筑桩基技术规范[S]