全地下式污水處理廠抗浮體系承載機理研究

高小龍 左永亮 龐春燕

摘 要：為了研究及全地下式污水處理廠群樁抗拔體系承載模式，從群樁體系抗拔承載模式入手，分析了樁間距對群樁抗拔承載力及土體應力的影響規(guī)律，并對某大型全地下式污水處理廠抗拔體系進行了設計。采用有限元分析方法，建立樁間距為5d、4d、3d和2d四種群樁及周圍土體模型，分析樁間距對群樁整體上拔承載力及樁間土破壞模式的影響;并建立某大型全地下式污水處理廠有無抗拔樁的整體模型，研究主體結(jié)構(gòu)整體受力及抗拔體系合理性。研究結(jié)果表明：在上拔荷載作用下，群樁基礎(chǔ)與單樁基礎(chǔ)的破壞模式不同，群樁基礎(chǔ)上拔承載力及破壞模式主要受樁間距的影響;群樁基礎(chǔ)樁間距小于3d后，其上拔承載力有著明顯的降低;全地下式污水處理廠抗拔承載力計算及其重要，大型地下結(jié)構(gòu)自身抗浮能力有限，不能滿足主體結(jié)構(gòu)受力及后期正常使用的要求，需要進行抗浮體系設計，抗拔樁體系能夠較好的滿足基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗浮要求。

關(guān)鍵詞：群樁;全地下式;污水處理廠;抗浮

中圖分類號：TP393.08 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）10-0009-04

0 引言

伴隨著我國城市化建設速度的不斷加快，“人”和“地”之間的矛盾問題尤為突出，其中污水處理廠等常常面臨著被城市擴張所包圍的問題。污水處理廠等一些公用設施，其本身有些對周圍環(huán)境不太友好的方面。傳統(tǒng)的污水處理廠均建設在地上，但是其自身所具有的視覺上的不雅、聽覺上的噪音、嗅覺上的臭味，與城市中密集的人口形成了較大的不協(xié)調(diào)和矛盾，將諸多大型公用設施往地下發(fā)展是一個很好的解決辦法[1-2]。

將污水處理廠建設到地下，可以充分利用的利用城市里的地下空間，地上建設成的綠色休閑公園又可將其對周圍環(huán)境的影響降到最低。芬蘭于1932年在其首都建設了全球第一個地下污水處理廠，瑞典于1942年建設了全球第一座現(xiàn)代化的地下污水處理廠，其他國家也陸續(xù)的建成了一些地下污水處理廠，在經(jīng)濟和環(huán)境上取得了較好的效益[3-4]。我國近些年在北京、廣州、青島等地也建成了一些污水處理廠，在此方面隨起步較晚，但是發(fā)展勢頭迅猛。

隨著技術(shù)水平的進步和向地下要空間的需求，地下污水處理廠越做越大、越做越深，此時就面臨著地下結(jié)構(gòu)抗浮設計的問題。對于地下“深”“大”結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體抗浮是一個不容忽視的問題。本文擬從地下結(jié)構(gòu)群樁抗拔體系的承載模式入手，結(jié)合某大型地下污水處理廠具體工程實例，對此全地下污水處理廠的抗拔體系進行研究。

1 地下污水處理廠結(jié)構(gòu)形式

地下污水處理廠從整體布置形式上分，可分為半地上式、半地上加蓋式、全地下式三種類型[5-6]，如圖1所示。半地上式污水處理廠，在空間有限的前提下充分的利用了土地空間，同時也有效的利用到了地下保溫效果。但是由于并未封口，所以沒有解決處理廠的環(huán)境影響問題。半地上加蓋式污水處理廠是在半地上式增加了一個頂蓋，由于頂蓋的增加，形成一個可以封閉的空間，較好的解決了污水處理廠與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)的問題，同時將其頂蓋部分綠化后，形成了綠色公園等休閑場地，在有效提升公共資源利用率的同時，增加了土地的經(jīng)濟價值。同時，半地上加蓋式污水處理廠，在采光和通風上可以充分利用到自然光和自然風，具有較好的經(jīng)濟性。全地下式結(jié)構(gòu)對于底部空間和頂層空間利用率最高，對周圍環(huán)境影響最小，能夠與周圍環(huán)境完全融為一體，但是施工、通風、照明等成本較高。

2 群樁抗拔體系承載模式分析

對于大型地下結(jié)構(gòu)工程，由于跨度較大，埋置深度較深，單根抗拔樁很難滿足結(jié)構(gòu)抗浮的需要，群樁抗拔體系是一種很好的選擇。群樁抗拔體系與單樁抗拔體系基本原理一致，但是群樁基礎(chǔ)在上拔荷載作用存在著相互之間的影響，進而影響到群樁的整體承載力[7-9]。為了深入的研究抗拔樁樁間距對群樁抗拔體系承載模式的影響，取抗拔樁直徑，埋深6m，縱向和橫向等間距布置根抗拔樁，按照樁間距的不同分為四種工況，建立樁體和周圍土體有限元模型，如圖2所示。其中土質(zhì)參數(shù)取某濱海地下結(jié)構(gòu)抗拔樁所處的地質(zhì)條件，抗拔樁頂部以下2.2m為中粗砂土層，2.2m以下為強風化巖。

基于上述有限元模型，研究各工況下抗拔樁的極限承載力，得到如圖3所示的結(jié)果。從圖3中可以看出，在的工況下群樁的極限抗拔承載力為3265.91kN，而當樁間距減小至時，抗拔承載力已降低至2900.71kN，群樁極限抗拔承載力隨著樁間距的減小而呈現(xiàn)出較為明顯的降低趨勢。

為了量化分析樁間距對群樁抗拔承載力的影響程度，以樁間距的抗拔極限承載力為基準，對四種工況的抗拔樁承載力進行歸一化計算，得到如圖4所示結(jié)果。從圖4中可以看出，樁間距從減小至、、后，抗拔樁承載力分別降低了2%、5%、11%。

進一步分析不同工況下群樁基礎(chǔ)上拔破壞模式，取不同工況下土體第三主應力云圖進行分析，如圖5所示。群樁基礎(chǔ)與單樁基礎(chǔ)不同，存在著樁間土，由于樁體與周圍土體摩擦力的作用，使得樁間土承受著周圍多個樁體的共同作用，進而影響到基礎(chǔ)承載模式的變化。從圖5中可以看出，樁間距的減小，使得樁間土體應力之間相互交叉和影響，有可能使得抗拔樁的破壞模式由單獨拔出破壞轉(zhuǎn)變?yōu)闃?樁間土整體破壞。

3 地下污水處理廠抗拔體系研究

3.1 工程概況

某濱海城市擬建設一座全地下式污水處理廠，主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土箱體，占地約201.4m×204m。主體結(jié)構(gòu)分上下兩層，負二層為設備層，負一層為操作層，結(jié)構(gòu)頂板上覆蓋有1.5m的上覆土，其上設置景觀層，如圖6所示。

此全地下式污水處理廠地處近海，上具有較多的淤泥質(zhì)土層，且地下水位較高，地下水位維持在2m標高左右。所處位置具體土質(zhì)從上至下分布為：5m的吹填淤泥，4m淤泥質(zhì)粘土，9m中粗砂質(zhì)土層，以下即為基巖。

3.2 無抗拔體系時結(jié)構(gòu)受力分析

由于此地下污水處理廠所處位置地下水位較高，結(jié)構(gòu)埋置深度達到15.8m，且整體跨度較大，結(jié)構(gòu)所承受的上浮力較大。首先基于結(jié)構(gòu)原型尺寸，建立結(jié)構(gòu)及周圍土體的整體有限元模型，如圖7所示，進而研究結(jié)構(gòu)在無抗拔體系協(xié)助抗浮情況下結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

無抗拔體系的地下污水處理廠主體結(jié)構(gòu)在地下水浮力作用下整體位移結(jié)構(gòu)如圖8所示，從圖8中可以看出，由于主題結(jié)構(gòu)跨度較大，浮力作用下最大豎向位移位于結(jié)構(gòu)中部位置，發(fā)生了中部隆起，中部最大豎向位移達到了0.2924m;由于沒有抗拔體系，主題結(jié)構(gòu)只能依靠自身及上覆土自重抵抗地下水浮力作用，從分析結(jié)構(gòu)來看，其結(jié)構(gòu)自身抗浮能力有限，不能滿足主體結(jié)構(gòu)受力及后期正常使用的要求。

無抗拔體系時主體結(jié)構(gòu)周圍土體剪應力結(jié)果如圖9所示，從圖中可以看出，由于主體結(jié)構(gòu)側(cè)壁與土體具有較大的摩擦力，在浮力作用下主體結(jié)構(gòu)上浮，最大剪應力位于主體結(jié)構(gòu)兩個側(cè)壁倒角部位。

3.3 抗拔體系設計

從上述分析可以看出，此全地下式污水處理廠在無抗拔體系時，單獨依靠自身及上覆土重量不足以抵抗地下水的上浮作用，會引起主題結(jié)構(gòu)的破壞?；谌簶犊拱纬休d力的分析結(jié)果，擬對此結(jié)構(gòu)設置抗拔樁，抗拔樁直徑為0.5m，間距為2.5m，樁長6m?；谕瑯拥姆治龇椒?，采用有限元軟件建立帶有抗拔樁體系的結(jié)構(gòu)及周圍土體整體模型，如圖10所示。

設置抗拔樁后結(jié)構(gòu)整體豎向位移和土體剪應力結(jié)果如圖11所示，從圖11中可以看出，結(jié)構(gòu)整體豎向位移降低到了4.239mm，遠小于無抗拔樁時的0.2924m;土體最大剪應力分布區(qū)域依舊分布在上下倒角部位，但是由于抗拔樁的存在，使得底部倒角部位最大剪應力下移到了抗拔樁底部。

4 結(jié)語

（1）群樁基礎(chǔ)樁在上拔荷載作用下的破壞模式與單樁基礎(chǔ)不同，主要是由于群樁基礎(chǔ)樁間土受力的差異所造成，群樁基礎(chǔ)上拔破壞模式主要受樁間距的影響;（2）群樁基礎(chǔ)樁間距小于3d后，各樁之間相互影響較大，使得樁間土承載能力不足，進而使得樁間土與樁體整體上拔破壞，也即過小的樁間距影響到了群樁基礎(chǔ)的整體抗拔能力;（3）全地下式污水處理廠抗拔問題不可忽略，大型地下結(jié)構(gòu)自身抗浮能力有限，不能滿足主體結(jié)構(gòu)受力及后期正常使用的要求，需要進行抗浮體系設計，抗拔樁體系能夠較好的滿足基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗浮要求。

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