高水位下U 型槽抗浮優化設計

欒兆健

[濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，山東 濟南 250003]

0 引言

隨著城市交通的不斷發展，下穿通道U 型槽[1]等市政設施得以大量修建。對于水系發達、地下水位較高的地區，這些設施的抗浮問題日益顯現。鑒于設計人員很少對抗浮措施進行仔細研究，取值過于保守，抗浮措施過于簡單，因而造成較大浪費。現在投資方越來越重視建設成本，希望從解決工程實際問題角度出發，根據規范及工程實際經驗，解決工程的抗浮穩定問題，減少工程抗浮的投資。

合理的抗浮設計對整個工程的安全和造價影響較大。合理制定抗浮措施，為以后的抗浮設計做好準備，是迫在眉睫的問題。

1 浮力計算

1.1 抗浮設計水位確定

抗浮設防水位應包括施工期抗浮設防水位和使用期抗浮設防水位，可按施工期、使用期分別或統一確定。應根據設計使用年限、抗浮設計等級、抗浮工程勘察抗浮設防水位建議值和抗浮設防水位預測結果并結合地方經驗綜合確定。

1.2 浮力標準值計算

地下結構底板底面上的浮力應取下列地下水狀態計算水壓力的組合值（見圖1）。

（1）抗浮設防水位高程與地下結構底板底面高程水位差產生的靜水壓力（見圖1（a））。

（2）承壓水壓力扣減承壓水層頂面與地下結構底板間隔水層浮重度自重差壓力（見圖1（b））。

（3）穩態滲流在滲流反方向上地下結構對應外墻之間水位差形成的靜壓力（見圖1（c））。

圖1 浮力值計算簡圖

1.3 抗浮安全穩定系數確定

抗浮穩定性是指建筑工程范圍內的抗浮設防水位條件下抗浮總荷載與總浮力的比較，其前提必須是各組成區域在浮力出現時，其“整體”、“局部”、“錨固體系和構件”均滿足抗浮強度和變形的要求。因采用的荷載及其組合方式的不同而采用不同的安全系數，目前不同標準對抗浮穩定性安全系數尚沒有統一的規定。不同規范的抗浮安全系數見表1。

表1 各規范抗浮安全系數

對于全埋式地下建筑物，在不記外墻與其背后填土層之間摩擦力的前提下，抗浮安全系數取1.05是公認安全可靠的，其主要理由在于：首先，大量的實際工程證明其安全性；其次，抗浮驗算中將外墻與土層之間的摩擦力作為安全儲備；再次，由于勘察報告提供的抗浮設防水位已經綜合考慮了各種不利因素，同樣具有一定的安全儲備。

2 主要抗浮措施

地下結構抗浮措施宜按預防、減壓和結構抗浮的順序進行比較選擇。抗浮措施可分抵抗地下水浮力法（主動抗浮）和減小地下水浮力法（被動抗浮）2大類（見表2）。

表2 主要抗浮措施表

3 U 型槽抗浮措施細化分析

3.1 模型簡介及條件假定

依據實際工程中遇到的常規U 型槽斷面，本次U 型槽計算模型按照雙向6 車道，兩側各留1.5 m 的檢修斷面設置，具體斷面尺寸見圖2。

圖2 U 型槽計算模型斷面（單位：cm）

通過對實際工程的梳理，抗浮設防水位高于8.0 m 的情況比較少見，所以此次計算模型最小水位采用0.5 m，最大水位采用8.0 m，按照0.5 m 一個間隔進行建模計算，抗浮設防水位采用與地面標高一致的最不利情況；地質情況按照基礎底土層為黏性土（m=3 000 kN/m4）考慮，造價對比中按照以下材料單價計算：鋼筋混凝土1 000 元/m3，挖土方50 元/m3，回填土方70 元/m3，抗拔樁1 500 元/m；考慮到U型槽基坑開挖及模板支護時也需要往外擴，所以兩側抗浮腳趾的最大設置長度定為3 m。

3.2 結構分析計算

采用橋梁博士4.3 建模計算，每一個抗浮水位下分別建立2 個模型：一個為考慮車輛荷載，不考慮底板受浮力荷載影響；另一個不考慮車輛荷載，考慮底板受浮力荷載影響。

縱向取寬1 m U 型槽長度進行建模，在底板底加設具有彈性系數的土彈簧，以此模擬地基對U 型槽底板的彈性支撐作用。結構分析模型見圖3。

圖3 結構分析模型

荷載輸入情況：

荷載考慮：側墻土壓力，挑臂所受的垂直土壓力，U 型槽內鋪裝，車輛荷載采用車輛橫向加載，底板所受的水浮力。考慮車輛荷載的荷載圖和考慮底板浮力的荷載圖見圖4 和圖5。

圖4 考慮車輛荷載的荷載圖

圖5 考慮底板浮力的荷載圖

通過建立有限元模型，計算得出U 型槽在不同抗浮設計水位下滿足承載能力要求的最小結構尺寸，然后根據規范及構造要求確定合理的U 型槽底板厚度、側墻底厚度以及抗拔樁[2]數量。

3.3 抗浮措施對比

滿足規范及結構受力要求以后，進行抗浮措施[2]的對比分析（抗浮安全系數按照1.05 計算），抗浮措施主要為：

（1）調整底板及側墻厚度。

（2）增設挑臂并調整挑臂長度。

（3）增設抗拔樁。

根據對比分析結果，可針對抗浮設防水位h 分別為h＜2 m、h=2～4 m、h=4～8 m 這3 種情況采取抗浮措施。

3.3.1 抗浮設防水位h＜2 m

抗浮設防水位h＜2 m 的造價對比見表3。

表3 抗浮設防水位h＜2 m 的造價對比

分析表3 可知，對于U 型槽在抗浮設計水位h＜2 m 的情況下，結構受力主要控制因素為車輛荷載、鋪裝及土壓力，水的浮力不起決定性作用，結構計算可以僅計算車輛荷載、鋪裝及土壓力下的承載能力即可。此時抗浮不需要增加其他措施，僅靠結構自重就能滿足抗浮設計要求。

3.3.2 抗浮設防水位h=2～4 m

抗浮設防水位h=2～4 m 的抗浮措施造價對比見表4。

表4 抗浮設防水位h=2～4 m 抗浮措施造價對比

由表4 可見，在抗浮設防水位h=2～4 m 的情況下，3 種抗浮措施中增設挑臂的造價最低。因此，在不考慮其他工程條件約束的情況下，建議先考慮增加挑臂長度來滿足抗浮設計要求。

3.3.3 抗浮設防水位h=4～8 m

抗浮設防水位h=4～8 m 的抗浮措施造價對比見表5。

表5 抗浮設防水位h=4～8 m 抗浮措施造價對比

由表5 可見，在抗浮設防水位h=4～8 m 情況下，3 種抗浮措施中增設抗拔樁[4]+ 挑臂的造價最低。因此，在不考慮其他工程條件約束的情況下，建議優先考慮增設抗拔樁+ 挑臂來滿足抗浮設計要求。

4 工程實例分析

4.1 工程概況

臨沂市雙月園路通道全長439 m，暗埋段為雙孔箱涵結構，敞開段為U 型槽結構+ 擋墻結構。工程地質主要以雜填土、黏土、全風化泥巖、強風化泥巖、中風化泥巖和中風化石灰巖為主；地下水類型為潛水，以巖溶裂隙為主，抗浮水位位于地表以下約2.5 m。結構施工采用大開挖形式。雙月園路下穿通道立面圖見圖6。

圖6 雙月園路下穿通道立面圖

抗浮水位確定：按照地勘抗浮水位取值。

浮力計算：根據地勘描述，該位置處地下水為潛水，未提及隔水層及承壓水，浮力計算按照完全排開水的體積計算，不考慮弱透水層的浮力折減。

4.2 抗浮設計思路

本工程主要從工程經濟性及工期的合理性確定抗浮措施。本工程主要制約因素：

（1）施工工期，由于本項目為現狀道路改建，施工工期要求較嚴格。

（2）本工程兩側用地受限，開挖斷面不宜過大。

（3）本工程局部位于中風化巖層上，開挖斷面不宜太深。

（4）根據當地建設經驗，不推薦采用主動抗浮措施。綜合以上因素，確定結構抗浮以壓重為主，局部位置為減小斷面開挖，采用抗拔樁。

4.3 抗浮措施選用

根據抗浮水位位置、抗浮措施、受力情況，U 型槽段共劃分為4 段，每段長度約27 m。第1 段U 型槽（見圖7）水浮力較小，結構尺寸根據受力計算確定；第2 段（見圖7）適當增加底板及U 型槽厚度，通過增加結構自重來抗浮；第3 段（見圖8）通過增加板厚及采用抗浮腳趾進行抗浮，主要通過增加結構自重及兩側壓重來抗浮；第4 段（見圖9）是在第3 段基礎上通過增加抗拔樁進行聯合抗浮。箱涵段抗浮通過覆土完成。

圖7 第1、第2 段U 型槽圖（單位：cm）

圖8 第3 段U 型槽圖（單位：cm）

圖9 第4 段U 型槽圖（單位：cm）

該U 型槽設計斷面與上述理論計算吻合，且該項目施工已基本完成。按照設計斷面施工后，施工單位和建設方均反映無問題，且從結構及經濟造價上均滿足要求，證明該理論計算滿足施工及設計要求，可以用于實際施工中。

5 結語

（1）使用期抗浮水位采用與設計使用年限相同時限期內觀測到的最高水位和勘察單位預測水位，取兩者之中大者。

（2）浮力標準值取用靜水壓力、滲流壓力及承壓水頭壓力三者之和。

（3）通過對不同規范抗浮安全系數的對比，常規地下結構通道、U 型槽等抗浮安全系數按照《建筑工程抗浮技術標準》（JGJ 476—2019）選用，施工期抗浮穩定系數不小于1.00，使用期抗浮穩定系數不小于1.05。

（4）總抗浮力組合系數選用：結構自重、結構和構件提供的抗拔力采用1.0，結構內部固定設備、永久堆積物采用0.95，結構上部填筑體、結構內部填筑體采用0.9。

（5）對U 型槽抗浮措施進行細化分析和造價對比后得出：抗浮設計水位h＜2 m 的情況下，僅靠結構自重就能滿足抗浮設計要求；h=2～4 m 情況下，優先選擇增設挑臂抗浮措施；h=4～8 m 情況下，優先考慮增設抗拔樁+ 挑臂來滿足抗浮設計要求。