全地下式污水处理厂抗浮体系承载机理研究

高小龙 左永亮 庞春燕

摘 要：为了研究及全地下式污水处理厂群桩抗拔体系承载模式，从群桩体系抗拔承载模式入手，分析了桩间距对群桩抗拔承载力及土体应力的影响规律，并对某大型全地下式污水处理厂抗拔体系进行了设计。采用有限元分析方法，建立桩间距为5d、4d、3d和2d四种群桩及周围土体模型，分析桩间距对群桩整体上拔承载力及桩间土破坏模式的影响;并建立某大型全地下式污水处理厂有无抗拔桩的整体模型，研究主体结构整体受力及抗拔体系合理性。研究结果表明：在上拔荷载作用下，群桩基础与单桩基础的破坏模式不同，群桩基础上拔承载力及破坏模式主要受桩间距的影响;群桩基础桩间距小于3d后，其上拔承载力有着明显的降低;全地下式污水处理厂抗拔承载力计算及其重要，大型地下结构自身抗浮能力有限，不能满足主体结构受力及后期正常使用的要求，需要进行抗浮体系设计，抗拔桩体系能够较好的满足基础结构的抗浮要求。

关键词：群桩;全地下式;污水处理厂;抗浮

中图分类号：TP393.08 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）10-0009-04

0 引言

伴随着我国城市化建设速度的不断加快，“人”和“地”之间的矛盾问题尤为突出，其中污水处理厂等常常面临着被城市扩张所包围的问题。污水处理厂等一些公用设施，其本身有些对周围环境不太友好的方面。传统的污水处理厂均建设在地上，但是其自身所具有的视觉上的不雅、听觉上的噪音、嗅觉上的臭味，与城市中密集的人口形成了较大的不协调和矛盾，将诸多大型公用设施往地下发展是一个很好的解决办法[1-2]。

将污水处理厂建设到地下，可以充分利用的利用城市里的地下空间，地上建设成的绿色休闲公园又可将其对周围环境的影响降到最低。芬兰于1932年在其首都建设了全球第一个地下污水处理厂，瑞典于1942年建设了全球第一座现代化的地下污水处理厂，其他国家也陆续的建成了一些地下污水处理厂，在经济和环境上取得了较好的效益[3-4]。我国近些年在北京、广州、青岛等地也建成了一些污水处理厂，在此方面随起步较晚，但是发展势头迅猛。

随着技术水平的进步和向地下要空间的需求，地下污水处理厂越做越大、越做越深，此时就面临着地下结构抗浮设计的问题。对于地下“深”“大”结构，结构整体抗浮是一个不容忽视的问题。本文拟从地下结构群桩抗拔体系的承载模式入手，结合某大型地下污水处理厂具体工程实例，对此全地下污水处理厂的抗拔体系进行研究。

1 地下污水处理厂结构形式

地下污水处理厂从整体布置形式上分，可分为半地上式、半地上加盖式、全地下式三种类型[5-6]，如图1所示。半地上式污水处理厂，在空间有限的前提下充分的利用了土地空间，同时也有效的利用到了地下保温效果。但是由于并未封口，所以没有解决处理厂的环境影响问题。半地上加盖式污水处理厂是在半地上式增加了一个顶盖，由于顶盖的增加，形成一个可以封闭的空间，较好的解决了污水处理厂与周围环境协调的问题，同时将其顶盖部分绿化后，形成了绿色公园等休闲场地，在有效提升公共资源利用率的同时，增加了土地的经济价值。同时，半地上加盖式污水处理厂，在采光和通风上可以充分利用到自然光和自然风，具有较好的经济性。全地下式结构对于底部空间和顶层空间利用率最高，对周围环境影响最小，能够与周围环境完全融为一体，但是施工、通风、照明等成本较高。

2 群桩抗拔体系承载模式分析

对于大型地下结构工程，由于跨度较大，埋置深度较深，单根抗拔桩很难满足结构抗浮的需要，群桩抗拔体系是一种很好的选择。群桩抗拔体系与单桩抗拔体系基本原理一致，但是群桩基础在上拔荷载作用存在着相互之间的影响，进而影响到群桩的整体承载力[7-9]。为了深入的研究抗拔桩桩间距对群桩抗拔体系承载模式的影响，取抗拔桩直径，埋深6m，纵向和横向等间距布置根抗拔桩，按照桩间距的不同分为四种工况，建立桩体和周围土体有限元模型，如图2所示。其中土质参数取某滨海地下结构抗拔桩所处的地质条件，抗拔桩顶部以下2.2m为中粗砂土层，2.2m以下为强风化岩。

基于上述有限元模型，研究各工况下抗拔桩的极限承载力，得到如图3所示的结果。从图3中可以看出，在的工况下群桩的极限抗拔承载力为3265.91kN，而當桩间距减小至时，抗拔承载力已降低至2900.71kN，群桩极限抗拔承载力随着桩间距的减小而呈现出较为明显的降低趋势。

为了量化分析桩间距对群桩抗拔承载力的影响程度，以桩间距的抗拔极限承载力为基准，对四种工况的抗拔桩承载力进行归一化计算，得到如图4所示结果。从图4中可以看出，桩间距从减小至、、后，抗拔桩承载力分别降低了2%、5%、11%。

进一步分析不同工况下群桩基础上拔破坏模式，取不同工况下土体第三主应力云图进行分析，如图5所示。群桩基础与单桩基础不同，存在着桩间土，由于桩体与周围土体摩擦力的作用，使得桩间土承受着周围多个桩体的共同作用，进而影响到基础承载模式的变化。从图5中可以看出，桩间距的减小，使得桩间土体应力之间相互交叉和影响，有可能使得抗拔桩的破坏模式由单独拔出破坏转变为桩+桩间土整体破坏。

3 地下污水处理厂抗拔体系研究

3.1 工程概况

某滨海城市拟建设一座全地下式污水处理厂，主体结构为钢筋混凝土箱体，占地约201.4m×204m。主体结构分上下两层，负二层为设备层，负一层为操作层，结构顶板上覆盖有1.5m的上覆土，其上设置景观层，如图6所示。

此全地下式污水处理厂地处近海，上具有较多的淤泥质土层，且地下水位较高，地下水位维持在2m标高左右。所处位置具体土质从上至下分布为：5m的吹填淤泥，4m淤泥质粘土，9m中粗砂质土层，以下即为基岩。

3.2 无抗拔体系时结构受力分析

由于此地下污水处理厂所处位置地下水位较高，结构埋置深度达到15.8m，且整体跨度较大，结构所承受的上浮力较大。首先基于结构原型尺寸，建立结构及周围土体的整体有限元模型，如图7所示，进而研究结构在无抗拔体系协助抗浮情况下结构整体的稳定性。

无抗拔体系的地下污水处理厂主体结构在地下水浮力作用下整体位移结构如图8所示，从图8中可以看出，由于主题结构跨度较大，浮力作用下最大竖向位移位于结构中部位置，发生了中部隆起，中部最大竖向位移达到了0.2924m;由于没有抗拔体系，主题结构只能依靠自身及上覆土自重抵抗地下水浮力作用，从分析结构来看，其结构自身抗浮能力有限，不能满足主体结构受力及后期正常使用的要求。

无抗拔体系时主体结构周围土体剪应力结果如图9所示，从图中可以看出，由于主体结构侧壁与土体具有较大的摩擦力，在浮力作用下主体结构上浮，最大剪应力位于主体结构两个侧壁倒角部位。

3.3 抗拔体系设计

从上述分析可以看出，此全地下式污水处理厂在无抗拔体系时，单独依靠自身及上覆土重量不足以抵抗地下水的上浮作用，会引起主题结构的破坏。基于群桩抗拔承载力的分析结果，拟对此结构设置抗拔桩，抗拔桩直径为0.5m，间距为2.5m，桩长6m。基于同样的分析方法，采用有限元软件建立带有抗拔桩体系的结构及周围土体整体模型，如图10所示。

设置抗拔桩后结构整体竖向位移和土体剪应力结果如图11所示，从图11中可以看出，结构整体竖向位移降低到了4.239mm，远小于无抗拔桩时的0.2924m;土体最大剪应力分布区域依旧分布在上下倒角部位，但是由于抗拔桩的存在，使得底部倒角部位最大剪应力下移到了抗拔桩底部。

4 结语

（1）群桩基础桩在上拔荷载作用下的破坏模式与单桩基础不同，主要是由于群桩基础桩间土受力的差异所造成，群桩基础上拔破坏模式主要受桩间距的影响;（2）群桩基础桩间距小于3d后，各桩之间相互影响较大，使得桩间土承载能力不足，进而使得桩间土与桩体整体上拔破坏，也即过小的桩间距影响到了群桩基础的整体抗拔能力;（3）全地下式污水处理厂抗拔问题不可忽略，大型地下结构自身抗浮能力有限，不能满足主体结构受力及后期正常使用的要求，需要进行抗浮体系设计，抗拔桩体系能够较好的满足基础结构的抗浮要求。

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