城市明挖法地下工程抗浮計(jì)算與安全系數(shù)取值探討

吳 崗，楊偉良

（1.深圳市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518000；2.深圳百勤建設(shè)工程有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

地下水對(duì)地下工程的浮力作用是最明顯的一種力學(xué)作用。由于水浮力作用，導(dǎo)致地下空間結(jié)構(gòu)發(fā)生整體上浮破壞或結(jié)構(gòu)局部破壞的事故常有發(fā)生，關(guān)于抗浮穩(wěn)定性計(jì)算以及穩(wěn)定安全系數(shù)取值計(jì)算缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算規(guī)定都不全面，沒有明確的設(shè)計(jì)表達(dá)式，或者沒有系數(shù)取值的規(guī)定，給抗浮設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的困難。國(guó)內(nèi)不少學(xué)者開展了關(guān)于抗浮穩(wěn)設(shè)計(jì)相關(guān)方面研究，劉海燕等[1]通過(guò)地下糧倉(cāng)室內(nèi)縮尺模型注水模擬上浮試驗(yàn)，提出了回填灰土中地下糧倉(cāng)浮力折減系數(shù)為0.86。劉海龍[2]從工程實(shí)例出發(fā)，分析了地下室抗浮設(shè)防水位的確定、抗浮設(shè)計(jì)及抗浮錨桿使用效果。劉博懷等[3]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了黏土地基滲水引起的建筑物基底浮力折減問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)了滲流對(duì)浮力折減的影響規(guī)律：浮力折減系數(shù)隨著滲流水位的升高逐漸增大并趨于穩(wěn)定。

上述學(xué)者提出的抗浮計(jì)算方法，部分可實(shí)施性有待進(jìn)一步研究，簡(jiǎn)單抗浮計(jì)算復(fù)雜化，一定程度增加抗浮設(shè)計(jì)難度。本文討論現(xiàn)行規(guī)范地下工程抗浮穩(wěn)定性的計(jì)算公式及系數(shù)取值，結(jié)合工程案例提出城市明挖法地下結(jié)構(gòu)工程抗浮穩(wěn)定性的綜合計(jì)算式及抗浮安全系數(shù)建議值。

1 抗浮穩(wěn)定性計(jì)算現(xiàn)狀

近年來(lái)，有不少地下建筑因地下水的作用而造成工程事故，有的造成了較大安全隱患，有的造成不同程度的財(cái)產(chǎn)損失，引起社會(huì)各界關(guān)注和專業(yè)部門的研究，相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)也在補(bǔ)充和完善之中[5]。

《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ476—2019）第6.4.1條規(guī)定：計(jì)算區(qū)域地下結(jié)構(gòu)底板剛性時(shí)，各區(qū)抗浮穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)按式（1）進(jìn)行計(jì)算確定。

式中：Kf——計(jì)算區(qū)域整體的抗浮穩(wěn)定性系數(shù)；ΣW——計(jì)算區(qū)域總抗浮力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；A——計(jì)算區(qū)域的底板面積，m2；ΣFf——計(jì)算區(qū)域地下結(jié)構(gòu)底板所承受的浮力標(biāo)準(zhǔn)值總和，kN/m2。

《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10025—2019）第8.2.8條規(guī)定：抗浮設(shè)防水位應(yīng)考慮地下水補(bǔ)給和排泄條件、設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)歷史地下最高水位并結(jié)合地方經(jīng)驗(yàn)確定。抗浮穩(wěn)定性可按式（2）計(jì)算。

式中：ΣW——槽型擋土墻自重、槽內(nèi)靜荷載、作用在踵板上的有效配重以及抗拔措施提供的抗浮力之和（kN），計(jì)算土體配重時(shí)，地下水位以下部分應(yīng)采用飽和重度；Nw——地下水作用在槽型擋土墻上的浮力（kN），地下水位應(yīng)采用抗浮設(shè)計(jì)水位；Kf——抗浮安全系數(shù)。

《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DGJ08-11—2018）第12.3.2條規(guī)定：采用自重或樁基抗浮的地下建筑抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算。

式中：Ff——浮力設(shè)計(jì)值，kN；G——地下建筑物自重標(biāo)準(zhǔn)值及其上作用的永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值之和，kN，不包括可變荷載；γf——自重抗浮分項(xiàng)系數(shù)可取1.05～1.1，當(dāng)僅采用自重進(jìn)行抗浮時(shí)不宜小于1.1；n——抗拔樁樁數(shù)；Rtd——單樁抗拔承載力設(shè)計(jì)值，kN；γb——浮力作用分項(xiàng)系數(shù)，取1.0；γw——水的重度，kN/m2，可按10kN/m2采用；Vw——地下建筑物排開水的體積，m3。

《市域快速軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》（TCCES2—2017）第12.3.4條規(guī)定：結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、埋深、施工方法、環(huán)境影響等條件，在必要時(shí)進(jìn)行抗浮、整體滑移及地基穩(wěn)定性驗(yàn)算。

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DBJ15-31—2016）第5.2.1條規(guī)定：地下室抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。

當(dāng)?shù)叵率易灾丶暗孛嫔献饔玫挠谰煤奢d標(biāo)準(zhǔn)值的總和不滿足式上式的要求時(shí)，應(yīng)有抗浮措施。

《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL266—2014）第5.2.3條規(guī)定：廠房整體抗浮穩(wěn)定應(yīng)按式（6）計(jì)算。

式中：γ0——抗浮穩(wěn)定結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)的廠房宜分別取1.1、1.05；ψ——抗浮穩(wěn)定設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，宜取1.0；Ufd——浮托力作用設(shè)計(jì)值，kN；Usd——滲透壓力作用設(shè)計(jì)值，kN；γd——抗浮穩(wěn)定結(jié)構(gòu)系數(shù)，宜取1.1；ΣW—含水重力的全部重力設(shè)計(jì)值之和，kN。

《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50086—2015）第11.2.4條規(guī)定：抗浮錨桿應(yīng)進(jìn)行整體抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)可按式（7）計(jì)算。

《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》（GB50838—2015）第8.1.9條規(guī)定：對(duì)埋設(shè)在歷史最高水位以下的綜合管廊，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)條件計(jì)算結(jié)構(gòu)的抗浮穩(wěn)定。計(jì)算時(shí)不應(yīng)計(jì)入綜合管廊內(nèi)管線和設(shè)備的自重，其他各項(xiàng)作用應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值，并應(yīng)滿足抗浮穩(wěn)定性抗力系數(shù)不低于1.05。

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157—2013）第11.6.1條規(guī)定：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)按最不利情況進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。抗浮安全系數(shù)當(dāng)不計(jì)地層側(cè)摩阻力時(shí)不應(yīng)小于1.05；當(dāng)計(jì)及地層側(cè)摩阻力時(shí)，根據(jù)不同地區(qū)的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，可采用1.10～1.15的抗浮安全系數(shù)。

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007—2011）第5.4.3條規(guī)定：建筑物基礎(chǔ)存在浮力作用時(shí)應(yīng)進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算，并應(yīng)符合下列規(guī)定：對(duì)于簡(jiǎn)單的浮力作用情況，基礎(chǔ)抗浮穩(wěn)定性應(yīng)符合式（8）要求。

《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50265—2010）第6.3.7條規(guī)定：泵房抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值，不分泵站級(jí)別和地基類別，基本荷載組合下不應(yīng)小于1.10，特殊荷載組合下不應(yīng)小于1.05。

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94—2008）第5.4.5條規(guī)定：承受拔力的樁基，應(yīng)按式（9）、式（10）同時(shí)驗(yàn)算群樁基礎(chǔ)呈整體破壞和呈非整體破壞時(shí)基樁的抗拔承載力。

地下水浮力的確定以及地下結(jié)構(gòu)的抗浮計(jì)算缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算中水浮力計(jì)算、抗浮荷載計(jì)算、抗浮計(jì)算公式的規(guī)定不全面，不明確。抗浮計(jì)算不統(tǒng)一，給抗浮設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的困擾。

2 地下工程浮力和抗浮力的確定

近幾年由抗浮引起的幾起工程事故，引發(fā)設(shè)計(jì)人員再次審視抗浮設(shè)計(jì)問(wèn)題，如何做到抗浮設(shè)計(jì)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理是抗浮設(shè)計(jì)中難以把握的尺度。對(duì)浮力、抗浮力的取值須慎重。

水浮力和結(jié)構(gòu)抗浮力是抗浮設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵因素。抗浮設(shè)防水位應(yīng)該是住建局及相關(guān)部門在搜集該地區(qū)水文地質(zhì)資料，具有代表性區(qū)域設(shè)置觀測(cè)井，綜合城市規(guī)劃情況（城市水景、江河湖海等防滲處理措施等人為因素）的基礎(chǔ)上給定[2]。

當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)處于滲透性很低的黏土層時(shí)，由于滲透過(guò)程的復(fù)雜性，黏土中基礎(chǔ)所受到的浮托力往往小于水柱高度，浮力可作一定折減，但尚缺乏必要理論依據(jù)，很難確切定量[6]。

運(yùn)營(yíng)期間，抗浮設(shè)計(jì)水位要根據(jù)地下水補(bǔ)給和排泄條件、設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)歷史最高水位并結(jié)合地方經(jīng)驗(yàn)確定，不要直接采用勘察期間實(shí)測(cè)地下水位[7]。

由于抗浮設(shè)計(jì)貫穿項(xiàng)目全壽命周期，期間地下水環(huán)境是在不斷變化中，為了確保使用年限期間抗浮安全，計(jì)算仍以經(jīng)典的阿基米德定律為基礎(chǔ)[2]，即地下結(jié)構(gòu)工程的浮力等于設(shè)計(jì)抗浮水位以下工程部分的排水體積乘以水的重度［或者等于設(shè)防水位以下地下建（構(gòu)）筑物底板底的設(shè)防水頭乘以設(shè)防水位以下底板面積］。

抗浮水位的設(shè)定具有一定的經(jīng)驗(yàn)性，施工期間應(yīng)按常水位或施工期可能預(yù)見的最大水位考慮，正常使用期間的抗浮設(shè)防水位應(yīng)結(jié)合城市防洪標(biāo)準(zhǔn)、工程區(qū)域水文地質(zhì)及建構(gòu)筑物重要性等級(jí)分級(jí)設(shè)定。地鐵工程設(shè)防水位可同出入口防洪設(shè)防高程一致。

抗浮力除了包含結(jié)構(gòu)自重、頂板壓重之外，尚應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)部在使用階段的永久荷載、抗浮措施荷載。

3 各規(guī)范的抗浮穩(wěn)定系數(shù)規(guī)定

國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范中，抗浮穩(wěn)定性穩(wěn)定驗(yàn)算一般采用單一安全系數(shù)法，抗浮安全系數(shù)取值不同規(guī)范存在差別，取值范圍一般為1.0～1.2，如表1所示。

表1 各規(guī)范抗浮穩(wěn)定系數(shù)取值

抗浮安全系數(shù)取值大小不僅涉及工程的經(jīng)濟(jì)合理性，更涉及工程安全可靠性。抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)允許值的確定，以泵房不浮起為原則[8]。對(duì)管道的上浮穩(wěn)定，因?yàn)闊o(wú)論是地表水或地下水的水位，變異性大，設(shè)計(jì)中很難精確計(jì)算，因此條文給予了適當(dāng)提高，穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)控制在不低于1.10[9]。

結(jié)合以往工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，工程所處水文地質(zhì)條件一般時(shí)，抗浮安全系數(shù)可取1.05，以確保地下結(jié)構(gòu)不浮起，工程所處水文地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，抗浮安全系數(shù)可提高至1.1，并應(yīng)開展抗浮專項(xiàng)設(shè)計(jì)及審查。

4 抗浮穩(wěn)定綜合計(jì)算式

現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算公式不全面、不統(tǒng)一，抗浮抵抗力只計(jì)入永久作用，可變作用和側(cè)壁上的摩擦力不需計(jì)入[9]。結(jié)合抗浮穩(wěn)定性原理建議地下工程僅考慮自重和同時(shí)考慮抗拔措施情況下的抗浮綜合計(jì)算式。

式中：Gk——建（構(gòu)）筑物自重、壓重及其他永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值之和，kN；Ff——按照使用階段抗浮設(shè)防水位或施工期臨時(shí)水位計(jì)算的浮力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Tk——基樁、錨桿或結(jié)構(gòu)側(cè)壁的側(cè)摩阻力抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Gt——基樁自重、群樁或群錨基礎(chǔ)中單樁（錨）等效樁（錨）土自重，地下水位以下取浮重度；n——抗拔樁或抗拔錨桿樁數(shù)；γf——靜水壓環(huán)境下水浮力分項(xiàng)系數(shù)，宜取1.0，水文地質(zhì)條件復(fù)雜環(huán)境宜取1.1；γgf——自重、壓重及其他永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，宜取1.0～1.05；當(dāng)僅采用自重進(jìn)行抗浮時(shí)，不宜小于1.05～1.10；γtf——基樁、錨桿或結(jié)構(gòu)側(cè)壁的側(cè)摩阻力抗拔安全系數(shù)，宜取2.0。

5 工程案例

某地下道路結(jié)構(gòu)橫斷面尺寸10.5m×8.16m，頂板覆土1m，回填土飽和重度按照18kN/m3，抗浮水位取設(shè)計(jì)地面高程，采用樁徑0.8m，長(zhǎng)6.0m的鉆孔灌注樁做抗浮樁，縱橫向按6m等間距布樁，樁中心線與通道結(jié)構(gòu)內(nèi)墻重合，橫斷面上樁數(shù)為2根@6m，土層分布及樁側(cè)土的極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值見圖1，抗浮穩(wěn)定計(jì)算見表2。

圖1 某地下道路橫斷面（含地質(zhì)）

表2 抗浮穩(wěn)定計(jì)算

本文提出的公式統(tǒng)籌抗浮作用中自重、覆土壓重、抗拔樁等措施（其中道路鋪裝層可作為抗浮安全儲(chǔ)備），明確各抗浮因素作用安全系數(shù)，具有綜合性，可為工程技術(shù)人員參考。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)透水性地層，建議抗浮計(jì)算中的水壓力采用靜水環(huán)境中水浮力。當(dāng)有承壓水或滲流作用發(fā)生時(shí)，應(yīng)考慮上述壓力水頭作用，適當(dāng)提高或降低抗浮安全系數(shù)，開展抗浮專項(xiàng)設(shè)計(jì)論證。

（2）地下水作用作為地下工程的永久荷載，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，其作用分項(xiàng)系數(shù)γf≤1.0。

（3）由于地下結(jié)構(gòu)外側(cè)地層的擾動(dòng)，地層側(cè)摩阻力發(fā)揮需要一定時(shí)間，且具體抗浮貢獻(xiàn)值不可準(zhǔn)確度量，發(fā)揮程度因不同環(huán)境變化較大，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可不考慮結(jié)構(gòu)側(cè)墻外側(cè)地層側(cè)摩阻力貢獻(xiàn)值，僅作為地下工程抗浮的安全儲(chǔ)備。

（4）施工期間應(yīng)按常水位或施工期可能預(yù)見的最大水位考慮，正常使用期間的抗浮設(shè)防水位應(yīng)結(jié)合城市防洪標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)設(shè)定。地鐵工程設(shè)防水位可同出入口設(shè)防高程一致。

（5）抗浮穩(wěn)定系數(shù)根據(jù)建構(gòu)筑物重要性等級(jí)匹配抗浮設(shè)防等級(jí)，正常使用階段取值范圍1.05～1.1，施工期間抗浮穩(wěn)定系數(shù)≥1.0，且整個(gè)施工期不應(yīng)停止坑內(nèi)降水作業(yè)以保障抗浮穩(wěn)定，尤其是雨季。

（6）增加抗浮儲(chǔ)備的措施選擇應(yīng)綜合比較增加壓重、自重及抗拔樁（錨）等技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，并結(jié)合工程地質(zhì)及工程自身特點(diǎn)擇優(yōu)選擇。

（7）整體抗浮滿足上述規(guī)定，但局部抗浮不滿足時(shí)，可考慮提高結(jié)構(gòu)剛度措施。