某地下清水池抗浮稳定性设计与分析

陈令才 崔 云

(中机国际工程设计研究院有限责任公司华东分院，江苏 南京 210023)



某地下清水池抗浮稳定性设计与分析

陈令才 崔 云

(中机国际工程设计研究院有限责任公司华东分院，江苏 南京 210023)

介绍了水池整体抗浮和局部抗浮的验算方法，阐述了目前工程中常用的抗浮措施，并结合工程实例，详细论述了地下清水池通过混凝土管桩实现水池抗浮稳定的设计过程，为类似工程设计提供了思路。

清水池，抗浮设计，抗拔桩，水浮力

0 引言

在市政工程项目中，存在大量的地下式水池结构。此类水池承受了较大的地下水浮力，由于设计者对水浮力估算不足或采取的抗浮措施不当，在水池施工和使用阶段，经常出现水池上浮引起池体倾斜、漂移、底板向上挠度增大等，进而导致结构出现裂缝、管道被拉坏，影响项目正常运营。因此，对于地下式水池，尤其是在雨量充沛、地下水位高的地区，应特别重视水池抗浮设计。本文以某供水增压站7 500 m3全地下式清水池为例，对地下水池结构抗浮设计方法进行探讨，以便合理进行水池的抗浮设计。

1 抗浮验算

水浮力对水池的破坏形式有两种，大多数情况下为整体破坏，即水池整体上浮导致结构失稳并出现裂缝；部分较大水池还会发生局部破坏，即当水池内设置中间支撑结构时，因抗浮力分布不均，底板下的地下水浮力可能导致单独的支撑结构发生轴向上移[1]，造成底板和顶板开裂。工程中采用抗浮系数表示结构的抗浮能力，根据CECS 138：2002给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[1]中规定，水池的抗浮系数Kf≥1.05。

1.1 整体抗浮

整体抗浮计算公式：

(1)

其中，G为水池结构自重标准值，kN；F为底板外挑覆土及顶板覆土重标准值，kN；γ为地下水重度，取10 kN/m3；A为水池底板平面面积，m2；H为底板在地下水位下的埋深，m。

1.2 局部抗浮

清水池为无梁楼盖结构体系，内部设置立柱，应验算局部抗浮，以保证安全。

局部抗浮计算公式：

(2)

其中，q1为顶板自重及顶板上覆土单位面积重标准值，kPa；q2为底板单位面积重标准值，kPa；Lx为x向柱间距或柱心到池壁中心距离，m；Ly为y向柱间距或柱心到池壁中心距离，m；G1为单根柱重标准值，kN；γ为地下水重度，取10 kN/m3；H为底板在地下水位下的埋深，m。

2 抗浮措施

从以上抗浮公式看出，影响水池抗浮能力的因素有水池结构自重、地下水位、水池埋置深度、底板平面面积等[2]几方面。一般情况下，为防止水池上浮破坏，工程中可通过增加配重、设置抗拔桩、降排截水等措施增加水池抗浮能力。

1)配重法：通过增加水池重量抵抗水浮力。具体为增加水池底板、壁板、顶板等结构自重；通过增加底板挑耳宽度加大挑耳以上覆土重量；增加顶板以上覆土高度增大土重；在不影响工艺运行的情况下，尽量减小水池平面尺寸及水池高度。

2)抗拔桩：利用桩与土的摩擦力抵抗浮力。其与抗压桩在性能上有所不同，抗压桩承受的是基础传来的向下压力，力为自桩顶至桩底部向下传递；抗拔桩承受水的浮力，力为自桩底至顶部向上传递，荷载大小随地下水位变化而变化。抗拔桩的桩型通常有钻孔灌注桩、预应力抗拔管桩等。

3)降排截水法：主要是在施工中通过降排水系统及排水沟使地下水保持在较低水位，以此降低水浮力实现结构抗浮目的。

3 工程案例分析

3.1 工程概况

某供水增压站7 500 m3全地下式清水池，平面尺寸39.1 m×51.7 m，高度4.95 m，埋深5.45 m，底板厚450 mm，壁板厚300 mm，顶板厚200 mm，底板飞边长度300 mm。清水池为无梁楼盖体系，柱网间距3.5 m×3.5 m，内部设置砌体导流墙。场地类别Ⅳ类，抗震设防烈度7度，地震加速度0.15g，抗震设防标准丙类，基础设计等级丙级。清水池平面布置图如图1所示。

3.2 地质条件

场地自上而下存在杂填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、砂质粉土、粉砂等土层。其中杂填土土质不均匀，淤泥质土呈流塑状，含水率高，压缩性大，重度小，工程力学性质差。场地地下水类型主要为潜水及弱承压水，地下水位埋深较小，根据地区经验，水位变幅1.5 m左右，历史最高水位在地表附近，抗浮设计水位取地面。

3.3 设计流程

结构抗浮设计一般按以下流程进行：结构自重计算→地下水浮力计算→确定是否满足抗浮要求→选择抗浮措施→技术比较确定抗浮措施→施工图设计。

3.4 抗浮设计

1)抗浮验算。

整体抗浮计算：水池结构自重G=G底板+G壁板+G顶板+G柱子+G导流墙=47 325 kN；覆土重F=F顶板+F底板=23 128 kN；水浮力F浮=γAH=113 159 kN；由式(1)计算得整体抗浮系数Kf=0.623<1.05。

由以上计算可知，该清水池抗浮系数远小于规范允许值1.05，水池整体抗浮及局部抗浮均不满足要求，因此该清水池需要增加抗浮措施抵抗水浮力。

2)方案分析。

该水池整体抗浮与局部抗浮计算时，抗浮重量与水浮力相差分别达到40%，50%左右，差距较大。通过增加自重抗浮会导致结构截面尺寸过大，由于混凝土结构需要满足最小配筋率使得钢筋量增加，同时过厚的板也不利于水池的裂缝控制；通过增加顶板覆土抵抗浮力，较高的覆土不仅增加顶板配筋量，也影响厂区整体布局及工艺运行；通过增加底板外延长度，极大增加了占地面积，由于厂区面积限制，挤占其他构筑物及管线的空间。因此通过单纯增加结构自重及覆土抵抗水浮力既不经济也不合理。

本工程场地地质条件差，底板以下存在较厚的软弱土层，地基承载力及沉降不满足要求，应进行地基处理或采用桩基础。考虑该特点，通过工程桩抵抗水浮力，合理利用该工程桩作为抗拔桩使用，提高水池抗浮能力，且正常情况下，桩长由抗压承载力控制，不会增加桩长。因此本清水池采用直径400预应力高强混凝土管桩来抵抗水池竖向压力及水浮力，结构经济且安全可靠。

3)抗拔桩设计。

桩基设计时，应分别进行抗压和抗拔设计，取其最不利结果。

抗压计算：④-2层粉砂，桩端极限端阻力标准值3 200kPa，工程力学性质较好，选择该土层作为桩端持力层，桩端进入该土层不小于0.8m，桩长20m，经计算单桩竖向承载力特征值Ra=840kN。考虑活载及贮水重量等，水池总重标准值∑G=153 600kN，计算桩基数量时不考虑地下水浮力的有利影响，桩总数n=183，实际取192根。

抗拔计算：桩基的抗拔承载力破坏可能呈单桩拔出或群桩整体拔出，即呈非整体破坏或整体破坏模式，对两种形式破坏的承载力均应进行验算。按照桩长20m计算基桩的抗拔承载力特征值，抗拔系数取0.7。

a.根据JGJ94—2008建筑桩基技术规范[3]，整体破坏时基桩抗拔承载力应满足：

Nk≤Tgk/2+Ggp

(3)

(4)

其中，Nk为按荷载效应标准组合计算的基桩拔力，kN；Tgk为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桩土总重除以总桩数，水位以下取浮重度，kN。

由式(4)计算得Tgk=660 kN，桩土自重Ggp=2 067 kN；整体抗浮计算时的桩基承受的拔力：n总Nk=Kf×F浮-(G+F)=1.05×113 159-(47 325+23 128)=48 364 kN；由式(3)计算得Nk=48 364 kN/192=252 kN≤Tgk/2+Ggp=2 397 kN，桩基不会发生整体破坏，水池抗浮满足要求。

b.根据JGJ 94—2008建筑桩基技术规范[3]，非整体破坏时基桩抗拔承载力应满足：

Nk≤(Tuk/2+Gp)

(5)

Tuk=∑λiqsikuili

(6)

其中，Tuk为非整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值，kN；Gp为基桩自重，地下水位以下取浮重度，kN。

由式(6)计算得Tuk=890 kN，基桩自重Gp=37.7 kN；局部抗浮计算时的桩基承受的拔力：Nk=Kf×F浮-F=1.05×667.6-334.3=366.68 kN；由式(5)计算得：Nk=366.68 kN≤(Tuk/2+Gp)=482.7 kN，桩基不会发生非整体破坏，水池抗浮满足要求。

4 结语

水池抗浮设计应根据水文地质、水池自身结构特点、施工场地环境等因素选择合理的抗浮措施。对于抗浮系数与规范允许值相差较大且场地存在较厚软弱土层时，通过工程桩实现水池的抗浮，是一种经济合理的措施。采用抗拔桩时，不仅应验算桩基的整体稳定性，将桩土作为整体的抗浮体系，避免群桩效应导致整体抗浮承载力小于水浮力而发生整体破坏[4]；此外还应验算中间支撑区域内抗拔桩承载力与水浮力的大小关系，从而避免发生单桩拔出的非整体破坏。同时采用预应力高强混凝土管桩作为抗拔桩使用时，还应注意加强桩与承台的连接并确保管桩接头的有效性，避免出现抗拔失效。

[1] CECS 138：2002，给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].

[2] 李增涛.半地下式水池抗浮稳定性分析与研究[J].工程建设，2016，48(4)：40-43.

[3] JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[4] 王 浩.地下室结构的抗浮设计与分析[D].合肥：合肥工业大学，2013.

Design and analysis on anti-floating stability of an underground clean-water tank

Chen Lingcai Cui Yun

(ChinaMachineryInternationalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,EastChinaBranch,Nanjing210023，China)

The paper introduces the calculation methods for the whole and partial anti-floating of the pool, illustrates the common anti-floating measures in the current projects, combined with engineering example, and indicates the design process for the pool anti-floating stability with the concrete pipe piles of the clean-water pool, so as to provide some ideas for similar engineering design.

clean-water pool, anti-floating design, uplift pile, water buoyance

1009-6825(2017)07-0051-02

2016-12-13

陈令才(1986- )，男，工程师； 崔 云(1988- )，男，工程师

TU462

A