地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)討論

劉發(fā)前

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院，上海200092）

1 抗浮措施評(píng)述

隨著城市化進(jìn)程的開展，地下空間開發(fā)越來(lái)越受到重視，且規(guī)模也越來(lái)越大。高層建筑的多層地下室、地下鐵道及隧道、地下停車場(chǎng)、地下商場(chǎng)、地下倉(cāng)庫(kù)和地下市政設(shè)施都面臨著抗浮設(shè)計(jì)的難題。目前采用的抗浮措施主要有加重法、降截排水法、抗浮錨桿和抗浮樁等[1]，各種方法及聯(lián)合方法均有很多成功案例。加重法的機(jī)理比較明確，即通過增加結(jié)構(gòu)尺寸（自重）來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗浮能力。但是結(jié)構(gòu)自重增加的同時(shí)浮力也增加，且有文獻(xiàn)[2]認(rèn)為抗浮計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)自重應(yīng)乘以0.9的分項(xiàng)系數(shù)，因此該法的效果不佳。降截排水法是通過對(duì)地下水的處理降低壓力水頭，從而達(dá)到減小浮力的目的。該法效果比較明顯，但降水措施須持續(xù)進(jìn)行且需經(jīng)常檢修，經(jīng)濟(jì)性較差，在修復(fù)工程中用得比較多，或作為臨時(shí)措施采用。抗浮錨桿利用錨桿與砂漿組成的錨固體與巖土層的結(jié)合力作為抗浮力，造價(jià)低廉、施工方便，是近年應(yīng)用較多的抗浮措施[3][4]。但是，該法中鋼筋或鋼絞線容易受到腐蝕，勢(shì)必限制了抗浮錨桿的應(yīng)用。抗浮樁法應(yīng)用最多，與抗浮錨桿作用機(jī)理類似，依靠側(cè)摩阻力和重力抵抗水浮力。目前對(duì)抗浮樁的研究較多[5-7]，應(yīng)用擴(kuò)底樁也大大增加了抗拔力并成功應(yīng)用于諸如上海鐵路南站等多項(xiàng)工程中。抗拔樁之所以得到廣泛應(yīng)用，不僅因?yàn)槠淇垢∽饔眯Ч^好，而且在非浮力工況下可起到控制調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)沉降的作用。另外，在結(jié)構(gòu)下臥層為液化土?xí)r，還起到抗液化的作用，保證結(jié)構(gòu)安全。

2 抗浮機(jī)理分析

根據(jù)工程特點(diǎn)和地質(zhì)情況選擇抗浮措施只是抗浮設(shè)計(jì)的一部分。抗浮設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地確定浮托力，這也是近年來(lái)專家學(xué)者研究和討論的熱點(diǎn)，主要表現(xiàn)在抗浮設(shè)防水位的確定和粘土浮力計(jì)算折減問題。理論上說(shuō)，地下工程的抗浮設(shè)防水位，應(yīng)為工程使用期內(nèi)工程所處位置的最高水位。文獻(xiàn)[4]對(duì)上層滯水、潛水和承壓水分別給出了設(shè)防水位的取值，即潛水應(yīng)取至潛水位或地面；承壓水取承壓水頭；底板穿透潛水層位于隔水層中時(shí)，取潛水位并作折減。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為抗浮設(shè)防水位最高只為工程地面，這也被工程設(shè)計(jì)普遍接受，畢竟其簡(jiǎn)單易確定，且在多數(shù)情況下是偏于安全的。存在這種簡(jiǎn)化的另一個(gè)原因是，目前勘察設(shè)計(jì)報(bào)告中一般只給出：（1）勘察期間的水位；（2）歷史最高水位；（3）歷史最低水位；（4）設(shè)防水位建議值。這些結(jié)果尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足于抗浮設(shè)計(jì)。因此，在條件允許的情況下，應(yīng)對(duì)工程場(chǎng)地的含水層分布、各含水層的水力關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)勘測(cè)，給出更有針對(duì)性的結(jié)果。

浮力計(jì)算上，對(duì)于砂土、碎石土和節(jié)理較發(fā)育的巖石地基，按設(shè)防水位100%計(jì)算浮力[4]是沒有疑議的。粘土地基上浮力與孔隙連通性較好的砂土、碎石相比偏小，亦是目前廣為接受的。但文獻(xiàn)只是簡(jiǎn)單說(shuō)明進(jìn)行折減，并未從理論上進(jìn)行解釋，筆者認(rèn)為不妥，因此斗膽對(duì)該問題發(fā)起討論，寄望于尋求問題的本質(zhì)。文中錯(cuò)誤之處，請(qǐng)同行專家指正。對(duì)于粘土地基上浮力偏小的認(rèn)識(shí)可分為兩派，一派是根據(jù)實(shí)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種規(guī)律，在設(shè)計(jì)中按照靜水壓力公式計(jì)算，并采用系數(shù)進(jìn)行折減。如文獻(xiàn)[8]通過模型試驗(yàn)確定結(jié)構(gòu)位于粘土層中的折減系數(shù)取0.7左右，且結(jié)構(gòu)位于粘土層表面和伸入粘土層中差異不大；《巖土工程手冊(cè)》和《巖土工程勘察規(guī)范》也采用該種方法。另一派認(rèn)為地下水浮力不存在折減[9],其主要觀點(diǎn)是粘土中水壓力也可以有效傳遞。李廣信教授在《巖土工程20講——巖壇漫話》第13講中分析了粘土中浮力偏小的原因可能是飽和度和負(fù)孔壓的影響。筆者認(rèn)為，由于土體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，地下水浮力呈現(xiàn)出多樣性是正常的，但簡(jiǎn)單地考慮一個(gè)折減系數(shù)顯然是比較粗糙的。

李廣信教授在《巖土工程20講——巖壇漫話》第19講中詳細(xì)地分析了地下結(jié)構(gòu)底部處于不同土層中時(shí)浮力計(jì)算的模式，認(rèn)為當(dāng)結(jié)構(gòu)底位于粘土層，而粘土層被兩個(gè)含水層所夾時(shí)，應(yīng)考慮含水層的水頭差引起的滲流。即浮力計(jì)算水頭不應(yīng)單純考慮某個(gè)含水層，而應(yīng)當(dāng)采用較高水頭并考慮滲流引起的水頭損失。

浮力計(jì)算均以經(jīng)典力學(xué)的阿基米德定律為基礎(chǔ)，筆者認(rèn)為在粘土中浮力計(jì)算中也是正確和適用的。阿基米德定律表述為：“浸在液體（氣體）里的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于物體排開的液體（氣體）的重力”。究其根本，浮力是液體（氣體）作用于物體各個(gè)面上壓力的矢量和，是作用在各個(gè)面上的壓力水頭確定的。因此，對(duì)于地下結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，地下水浮力的大小直接決定于結(jié)構(gòu)底板下的壓力水頭，它是一個(gè)綜合量，可能受多個(gè)含水層的影響。若單純以某個(gè)水位值，按靜水壓力計(jì)算浮力顯然與實(shí)際情況存在差異，若真實(shí)壓力水頭低于該水位值，實(shí)測(cè)浮力即偏小，存在所謂的“折減”。由此看來(lái)，對(duì)浮力進(jìn)行折減或許只是因?yàn)榈装逑碌膲毫λ^選取不合適，因此可認(rèn)為抗浮設(shè)防水位與粘土浮力折減問題的實(shí)質(zhì)是相同的，即結(jié)構(gòu)底板下的真實(shí)壓力水頭的確定。

3 海八路隧道工程抗浮設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

海八路隧道工程位于佛山市南海區(qū)，是連接廣州和佛山的交通咽喉。為了實(shí)現(xiàn)海八路上縱橫行使無(wú)延遲，將現(xiàn)有海八路改造為下穿隧道。海八路隧道全長(zhǎng)1 500 m，其中敞開段長(zhǎng)度為170 m(西段)加175 m（東段），采用U型塢式結(jié)構(gòu)；暗埋段為1 155 m，采用單箱雙室的矩形箱涵結(jié)構(gòu)。隧道全線標(biāo)準(zhǔn)段為雙向8車道，部分區(qū)域由于功能需求加寬至雙向10車道。

3.2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)

擬建工程位于佛山市南海區(qū)桂城鎮(zhèn)北部的海八路上。根據(jù)鉆孔揭露，該場(chǎng)地區(qū)巖土層按成因可劃分為：（1）人工填筑土層；（2）第四系海陸交互相沖積層；（3）第四系殘積層；（4）白堊系（K）風(fēng)化基巖4個(gè)成因?qū)印Ｍ翆釉敿?xì)分布及相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所列。

表1 土層分布及物理力學(xué)參數(shù)表

地下水主要有第四系沖淤積松散層中賦存的孔隙潛水，含水層主要有（3）、（5）層粉細(xì)砂層及（7）層中(粗)礫砂層；淤泥、淤泥質(zhì)土層上部中賦存有上層滯水；基巖裂隙水含水微弱。場(chǎng)地東部及西端，含水層由（3）、（5）層粉細(xì)砂層及（7）層中(粗)礫砂層構(gòu)成，厚度大，屬弱～中等透水，水量較豐富；場(chǎng)地中部含水層由（3）、（5）層粉細(xì)砂層構(gòu)成，厚度薄，水量不豐富。該場(chǎng)地含水層之上覆土層多為極微透水性的淤泥、淤泥質(zhì)土層及少量的粉質(zhì)粘土、粉土層，其具有相對(duì)隔水作用，故該場(chǎng)地地下水局部具微承壓性。據(jù)部分代表性鉆孔測(cè)得地下水埋深為0.95～1.55 m，水位高程1.08～1.51 m。地下水主要靠地下水循環(huán)補(bǔ)給，其次靠大氣降水滲入補(bǔ)給及附近河涌向下滲入補(bǔ)給。地下水對(duì)鋼筋混凝土內(nèi)鋼筋不具腐蝕性，但對(duì)外露的鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。

3.3 抗浮方案選擇

該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限為100 a，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)大部位于地下水位以下，采用自重抗浮效果較差。由于地下水對(duì)于外露鋼筋和鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性，抗浮不能采用錨桿。綜合考慮，為檢修方便并保證結(jié)構(gòu)的安全性，設(shè)計(jì)采用直徑1 000 mm的鉆孔灌注樁抗浮。

3.4 抗浮樁設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，由于暗埋結(jié)構(gòu)上覆土重力可有效抵抗浮力，塢式敞開結(jié)構(gòu)較暗埋結(jié)構(gòu)受到更大的抗浮威脅。本節(jié)即對(duì)該工程一遮光段（塢式加橫撐結(jié)構(gòu)）進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)計(jì)算(其余節(jié)段類似)，其斷面形狀及埋深、地質(zhì)條件等如圖1所示。可見，結(jié)構(gòu)底板位于粉砂層（7）中，粉砂層（7）含水豐富，具有微承壓特性。根據(jù)本文分析，結(jié)構(gòu)浮力應(yīng)為底板面積與粉砂層水壓之積。但是，詳勘報(bào)告中只給出地下水位，并未給出各含水層的壓力水頭和水力聯(lián)系，因而無(wú)法按本文推薦方法精確確定浮力值。同時(shí)，考慮到工程所在地夏季經(jīng)常發(fā)生持續(xù)強(qiáng)降雨，盡管測(cè)得地下水埋深為0.95～1.55 m，設(shè)計(jì)抗浮水位仍取至地面。

對(duì)圖1中遮光段，側(cè)墻高度為8.46～9.30 m，底板及側(cè)墻厚1.1 m，節(jié)段長(zhǎng)度為25 m。

考慮到結(jié)構(gòu)的受力均衡性，抗拔樁數(shù)量及樁長(zhǎng)應(yīng)盡量滿足布置均勻的原則。根據(jù)地質(zhì)資料，確定抗拔樁長(zhǎng)約為13 m，樁底標(biāo)高控制為-20 m。根據(jù)規(guī)范公式，計(jì)算所得單樁抗拔承載力為2 840 kN。

根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和埋深等參數(shù)，可確定結(jié)構(gòu)自重和浮力，由于計(jì)算較簡(jiǎn)單，本文不再列出詳細(xì)計(jì)算公式，只給出計(jì)算結(jié)果。

結(jié)構(gòu)自重，包括底板、側(cè)墻、鋪裝等，總重力為4 3347 kN。

浮力為94 857.5 kN。

根據(jù)規(guī)范要求，“不考慮結(jié)構(gòu)側(cè)壁摩阻力，抗浮安全系數(shù)應(yīng)不小于1.05”。由此確定樁數(shù)為20根，橫向每排5根，共4排，抗浮安全系數(shù)為1.056。

4 結(jié)論與建議

4.1 主要結(jié)論

（1）抗浮設(shè)防水位與粘土中浮力折減問題可歸為一個(gè)問題，均是確定結(jié)構(gòu)底板下含水層壓力水頭的問題，壓力水頭的確定應(yīng)綜合考慮底板附近若干含水層的共同影響，這需要充分的水文勘測(cè)資料作支持。

（2）地下水浮力計(jì)算同樣滿足阿基米德定律，只是壓力水頭的選取要適合。

4.2 建議

按照本文方法，即精確確定底板下壓力水頭進(jìn)而確定浮力，顯然能有效降低抗浮措施費(fèi)用。盡管詳細(xì)勘察工程場(chǎng)地的水文條件亦將耗費(fèi)不少，但對(duì)該范圍內(nèi)的工程均可采用，攤銷費(fèi)用亦有限。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)水文地質(zhì)的勘測(cè)，建立健全完整的水文地質(zhì)系統(tǒng)，優(yōu)化抗浮設(shè)計(jì)，使得抗浮設(shè)計(jì)既保證在結(jié)構(gòu)服務(wù)期間持續(xù)有效，又能達(dá)到經(jīng)濟(jì)性最佳效果。

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