某大空间地下建筑物在高水位地区的抗浮设计研究

徐静蓉，郝晨东

(1.北京市水利规划设计研究院，北京100048;2.延庆县水务局，北京102100)

在水利、建筑、市政、交通等行业地下建筑物设计时，为满足工艺布置或使用功能的需要，结构布置时一般要求空间大、埋深深。如惠南庄泵站，是南水北调中线工程总干渠上唯一的一座加压泵站，是重要的控制性、标志性建筑物[1]。泵站主厂房设在进水池下游，为保证水泵运行环境为干室型，主厂房地下结构由上下游侧墙、两岸山墙基础和底板构成用钢筋混凝土围成的一个不透水的整体结构。主厂房跨度30 m，纵向跨长102 m，下部基础净高15.5 m。而在场址内地下高水位地区，大空间地下建筑物自重小于设计水位下的浮力，抗浮问题突出，需进行抗浮方案设计研究。

1 大空间地下建筑物抗浮措施方案比较分析

惠南庄泵站主厂房地下部分尺寸见图1。

图1 惠南庄泵站主厂房地下部分体型图(单位:m)

由于设计洪水位高于泵房基础底面18.12 m，主厂房内除设备外，基本为一个空腔，抗浮问题突出。经计算，各联在设计洪水及校核洪水期运行时其抗浮稳定安全系数为 0.83 ～0.98，小于规范[2]要求的1.05或1.10。同时抗滑稳定计算由于没有足够的竖向力提供摩擦力，也不能满足要求。

为保证各级建筑物在各种设计工况都能安全稳定运行，工程设计时，需采取技术措施进行处理。以两台机组厂房长度作为一个比较计算单元，拟采用的可行抗浮处理措施有:

(1)底板加厚方案

根据抗浮稳定验算，底板加厚至5.8 m后，主泵房的抗浮稳定安全系数为1.1，满足抗滑稳定要求则需将底板加厚至8.7 m。

底板加厚是在设计底板顶高程以下增加，不仅混凝土浇筑方量大，相应开挖深度加大，整个基坑的开挖量也会相应增大许多，投资较大。经初步计算，主厂房混凝土量共增加近19 763 m3，不考虑土方的增加和特殊施工的费用，投资加大632万元。底板加厚即属大体积混凝土，需采取技术措施。

(2)换填废钢料方案

废钢料的重度是混凝土重度的3.14倍，利用废钢料来压重是解决抗浮稳定比较有效的工程措施，国外一些工程采用过这种措施。

在主厂房底板上平铺厚度1.25 m废钢料时，其抗浮、抗滑稳定才能满足要求。

本方案共使用废钢料4 334 m3，折合重量34 022 t，以500元/t计，不考虑土方的增加，投资增加1 700万元。

(3)增加脚趾宽度方案

解决结构抗浮、抗滑稳定的另一个措施是将底板向上游伸出去形成脚趾，通过脚趾上的土重力来增加抗浮力。

脚趾长度为5.8 m时，可以满足抗浮稳定，但若满足抗滑稳定还需加长至12.4 m。本方案增加混凝土方量11 474 m3，不考虑土方的增加，投资加大368万元。这个方案造成主厂房顺水流向的结构超长。

(4)主副厂房基础整体浇筑方案

如前所述如在主泵房和副厂房中间设永久缝，侧向压力不平衡。若主、副厂房的底板联为一体，单一受力结构设计。这时主、副厂房的两侧侧向压力平衡，抗滑稳定应无问题。此时，主要解决厂房的抗浮问题。

将副厂房基础底板加厚至3.0 m，并与主厂房底板同高程，同时在两侧各伸出0.4 m脚趾，底板总长达54 m，抗浮、抗滑可满足要求。主副厂房底板整体浇筑方案增加混凝土方量4 420 m3，不考虑土方的增加，投资加大141万元。

(5)基础灌浆方案

将渗透系数为0.2 cm/s的卵石层，通过灌浆可使其渗透系数降低到1×10－4cm/s量级，减轻基础底面所受扬压力。基础灌浆方案也是解决泵站主厂房稳定的工程措施之一。基础灌浆的范围为主厂房全部基础，在灌浆区周围使用灌浆孔在水平方向封闭灌浆区，进而实施内部灌浆。为减少工程量，在垂直断面上灌浆区可做成倒梯形。设灌浆深度为 H，为延长渗径宜将灌浆区沿基础周边向外扩大H/2。尽管进行了基础灌浆，但并未彻底消除基底扬压力，底板还应进行基础排水，洪水期的渗水应收集至主泵房集水井，集中排出。为使灌浆切实能将卵石层的渗透系数降至1×10－4cm/s量级，使用上述方案需要首先通过现场试验以确定灌浆工艺。

按孔距4 m，孔深8 m布置，主厂房部分总进尺约2 808 m。不考虑排水设施费用及管理费用，投资加大93万元。

(6)基础防渗墙方案

由于主厂房稳定主要在发生设计及校核洪水时，地下水位升高导致建筑物抗浮、抗滑稳定不能满足要求。若在主泵房和副厂房周围建造一圈封闭并深至基岩的防渗墙，彻底隔断洪水期厂房基础地下水位的上升，根本消除基础扬压力。因地质钻探孔未探到基岩面，根据物探资料，基岩埋深按泵房基础底20 m计，嵌入基岩5 m，防渗墙深25 m，主厂房部分防渗墙总面积6 776 m2，投资加大540万元。

(7)抗浮抗滑复合受荷桩方案

在泵房底板下设复合桩基，利用桩侧摩阻力抵抗基底扬压力，使得泵房抗浮稳定满足要求。同时利用桩及桩间土抵抗水平荷载，满足抗滑稳定要求[3]。

抗浮抗滑复合受荷桩基在完建和正常运行期承受竖向承压和水平荷载，洪水期主要承受竖向抗拔和水平荷载。经计算主厂房基础在加设桩基后，各联在完建期、无地下水正常运行、设计洪水正常运行、校核洪水期及地震等工况下，其抗浮、抗滑稳定及基底应力均能满足规范要求。

根据计算结果，21.5 m长的结构单元内布置35根直径1.0 m，桩深8 m，即可满足抗浮抗滑稳定要求。主厂房底板下共需布置约168根抗拔桩，总计桩长1 344 m，投资加大125万元。

(8)方案比较

各方案比较结果见表1。

表1 泵站主厂房基础抗浮抗滑工程措施方案比较表

由表1比较得知:底板加厚、加填废钢料、增加脚趾宽度及主副厂房底板整体浇筑方案均为增加自重或配重抗浮设计，计算简单，但同时引起超长、超厚结构的技术问题，受力比较复杂，投资效果不经济;基础灌浆方案和基础防渗墙方案是比较成熟可靠的水工防水措施，但防渗效果难以验证，作为安全保障措施，还需设置抽排地下水的工程设施，管理维护复杂，同时灌浆施工控制较难，浆液容易影响周围土体，基础防渗墙工程费用高。

因此，从安全性、经济性、技术成熟性、对环境的影响等综合分析比较，抗浮抗滑灌注桩方案技术成熟可靠，运行管理简单安全，对周边环境影响较小，且投资省，明显优于其它方案。惠南庄泵站主厂房的抗浮稳定处理措施采用抗浮、抗滑复合受荷桩方案。

2 抗拔桩基设计问题及讨论分析

桩的抗拔承载力同时受两方面因素的制约:第一:桩身材料的抗拉强度;第二:桩周表面特性(即桩－土侧壁界面的几何特征)和土的物理力学特性。

桩基计算分别按单桩和群桩两种情况，对桩基抗拔承载力进行计算。并对截面进行抗裂、抗剪验算，对竖向抗压承载力、水平承载力、桩基沉降进行复核计算，同时考虑桩与承台协同作用进行桩基内力与变位计算。

由于抗拔桩基计算理论包含了一些经验性的参数，参考不同行业的习惯，针对设计时遇到的一些问题，采取相应措施解决。

2.1 计算依据

对于桩基计算所依据的规范，国内外不同行业有不同的规范，有《建筑桩基技术规范》[4](JGJ94－2008)、《公路桥涵地基与基础设计规范》[5](JTG D63 －2007)、《水运工程混凝土施工规范》[6](GB/T50265－2010)及美国国家标准《输电线路杆塔基础设计导则》[7]等，以上规范都提到了桩基计算的公式及各参数建议值，由于各行业经验、习惯及设计条件不同，各规范标准略有差异。

水利行业暂无桩基设计规范，由于惠南庄泵站厂房属水工建筑物，可归于建筑行业，本次计算以《建筑桩基技术规范》为设计依据，同时参考了公路、铁路、港口等行业规范及国家标准。

2.2 抗拔承载力计算公式的选取

(1)根据规范《建筑桩基技术规范》[4](JGJ94－2008)，承受拔力的桩基，按下列公式同时验算群桩基础呈整体破坏和呈非整体破坏时基桩的抗拔承载力:

式中:Nk为按荷载效应标准组合计算的基桩拔力，kN;Tgk为群桩呈整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值，kN;Tuk为群桩呈非整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值，kN;Ggp为群桩基础所包围体积的桩土总自重除以总桩数(地下水位以下取浮重度)，kN;Gp为基桩自重(地下水位以下取浮重度)，kN;λi为抗拔系数，取0.5;qsik为桩侧表面第 i层土的抗压极限侧阻力标准值，取120 kPa;ui为破坏表面周长，等直径桩取πd，m;ul为群桩外围周长，m;li为桩穿越第i层土的厚度，m。

计算结果:桩长为8 m，桩径为1 m时，设计洪水位时的基桩极限抗拔承载力设计值为969 kN，计入群桩作用的抗拔承载力设计值为1 625 kN。

(2)我国《公路桥涵地基与基础设计规范》[5](JTG D63－2007)所提出的桩抗拔承载力公式是建立在经验及相关统计的基础之上的，对灌注桩所建议的公式为:

其中:[Rt]为抗拔桩容许上拔荷载，kN;u为桩身周长，m;αi为振动沉桩对各土层桩侧摩阻力的影响系数;li为各土层的厚度，m;qik为桩侧第i层土的侧摩阻力标准值，kPa;W为桩自重，kN。

计算结果:采用同样的参数，抗拔桩容许上拔荷载计算值为716 kN。

(3)我国规范采用的抗拔承载力的计算公式，都是按照沿桩—土界面滑移破坏的机理确定的。但是美国柯哈威(Kulhawy)等[8]人研究证实灌注桩实际破坏面一般出现在界面以外附近的土体内，而并非直接在界面上，因此只需要知道土的抗剪强度即可。

美国国家标准《输电线路杆塔基础设计导则》[7]中，砂性土(排水状态)的极限抗拔力Pu可用下式表示:

其中:πd为桩周长，m;σv为土有效上覆压力，kN;ΔL为桩段的长度，m;K为土侧向压力系数，取0.33;δ为桩材与周围土之间的外摩擦角，取30度;Wc为桩的有效重量，kN。

计算结果:采用同样的参数，抗拔桩容许上拔荷载计算值为710 kN。

(4)计算结果分析

上述式(1)～式(3)都是在缺乏拔桩试验资料的情况下，采用下压桩的静力计算公式先算出下压桩侧壁摩阻力计算值，然后乘上一个拔桩折减系数λi，即得等截面桩的上拔承载力。式(3)只是单桩计算公式，是在经验及相关统计的基础下，直接引入折减系数 0.3。

公式(4)为美国规范，没有提到侧摩阻力，而是通过土侧向压力系数及桩—土周围的外摩擦角确定的，同时引入了土的有效上覆压力。因此桩基承受拔力时周围土体对桩体的作用是计算抗拔承载力的决定性因素。

采用建筑桩基计算公式的极限抗拔承载力结果值较大，群桩比基桩效果较好，而采用公路桥涵与美国标准计算公式的结果较为接近。因此，最终确定将按照建筑桩基计算所得的桩基数量适当增加。

2.3 土体性质的确定

理论上讲，分布于全桩长的地基反力系数对桩的计算分析都有影响，实际上，对水平承载桩计算最具影响的则是地面以下3～4倍桩直径的深度范围内的土层。

由于筏板基础同时受浮力作用，所以合力向上。那么桩间土上部部分的受力状态变得相对复杂，分析比较困难。目前基本上有两种观点:

(1)观点一:

基底下3 m范围内的土体由于承受总体向上的浮力作用，土粒处于漂浮状态，土粒间有效应力为0，形成广义的“液化”，导致桩基计算时，桩的水平承载及竖向承载能力效果折减。

计算公式为[9]

式中:σ为土和水的重量所产生的应力，称总应力;σ'为土粒传递的有效应力;u为静水压力，土力学中称孔隙水压力。

即:基底下某点h处的总应力为基底应力加h高的饱和土重。

由计算可知:

当0＜h＜3 m时，u＞σ，向上的浮托力，大于向下的应力，土粒将处于浮动状态，土粒间将不再传递有效应力，此时σ'=0，处于广义的“液化”状态，如图2所示。

(2)观点二:

卵石土体是一种多孔介质，虽然总应力向上，但是土体并不会因浮力而存在悬浮的，土体还是固结在一起并有一定的抗剪强度的，土体的总应力计算仍采用浮重度。

以上两种观点究竟那种符合实际受力情况，需通过试验来验证。在没有试验资料的情况下，为工程安全计，基底下承受总体向上浮力作用的土体厚度，不应计入抗拔承载力计算时的桩身长度。第一种观点与美国规范公式(4)提到的土有效上覆压力σv是一致的。

2.4 m 值的确定

在桩基水平承载力估算公式中，引出了重要参数，即群桩基础的基桩水平承载力计算时采用的承台侧向土水平抗力系数的比例系数m值。

对于m值的选取，不同的行业规范有不同的取值范围。对于地基土为卵石的m值，《公路桥涵地基与基础设计规范》[5](JTG D63 －2007)规定:地面处位移最大值不超过6 mm时取30 MN/m4～80 MN/m4，铁路部门及港口工程采用的m值基本与此相同[10];《建筑桩基技术规范》[4](JGJ94 － 2008)中规定:m值取100 MN/m4～300 MN/m4，相应单桩在地面处的水平位移为1.5 mm～3 mm，当水平荷载为长期或经常出现的荷载时，应将表列m值乘以0.4降低采用，当地基土为可液化土层时，应乘以土层液化折减系数。此次计算m值依据《建筑桩基技术规范》[4](JGJ94－2008)选取，不同的 m 值有不同的计算结果，见表2。

图2 抗拔桩基受力示意图

表2 不同m值的水平承载力及内力变位计算结果汇总表

m值和地基反力系数一样，都是一个计算参数，它随着土类及其性质，桩的材料和刚度、桩的水平位移值大小和荷载作用方式(静力、动力或循环反复)及荷载水平等因素而变化。一般来说，很难规定一个包罗所有这些因素影响的m值。较为恰当的途径是通过桩的现场水平荷载实验来确定。

3 结论

通过多方案比选优化，确定某实际工程泵站采用抗浮抗滑复合受荷桩方案，并结合国内外不同行业规范，对桩基承载力计算的几个关键参数进一步进行探讨分析，可以得出如下结论:

(1)大空间地下建筑物包括地铁车站、机场停车楼、广场地下工程等建筑物进行抗浮设计时，可以参考国内外不同行业标准规范，相互对比分析，选择较为安全的结果;

(2)抗浮抗滑复合受荷桩方案是一种技术成熟、安全可靠、经济可行的抗浮措施，适用于侧阻力较大的砂卵石地基。地质条件不同的地下建筑物有不同的最优抗浮方案，经综合比较后方可确定;

(3)桩身计算长度和侧向土水平抗力系数的比例系数m值是桩基承载力计算的重要参数，在规范比较分析的基础上，建议通过桩基的现场试验来验证完善设计。

[1]北京市水利规划设计研究院.南水北调中线京石段应急供水工程(北京段)惠南庄泵站初步设计报告[R].北京:北京市水利规划设计研究院，2004.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T50265－2010泵站设计规范[S].北京:中国计划出版社，2010.

[3]史佩栋.实用桩基工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2000.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ94－2008建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2008.

[5]中华人民共和国交通部.JTG D63－2007公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京:人民交通出版社，2007.

[6]中华人民共和国交通运输部.JTS202－2011水运工程混凝土施工规范[S].北京:人民交通出版社，2011.

[7]美国电气电子工程师协会，美国土木工程学会.输电线路杆塔基础设计导则(试行)[M].岑阿毛译.兰州:甘肃省电力设计院，1988.

[8]Fred H. Kulhawy. Foundation Engineering Current Principles and Practice[M]. American Society of Civil Engineering，1989.

[9]冯国栋.土力学[M].北京:水利电力出版社，1986.

[10]石振华.桩基工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1995.