饲料车间地下结构抗浮设计探讨

刘泽坤

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北 武汉 430064)

1 概述

在饲料车间地下结构抗浮设计时，其安全性与经济性与厂区场地的地形地貌、地下水分布规律及其变化趋势等因素密切相关[1]，如果设计不够合理，容易造成工程经济性差或有安全隐患；因此，在实际工程应用中，如何经济合理的进行饲料车间地下结构抗浮设计是必须解决的复杂问题。

地下结构抗浮设计中存在的问题大部分属于交叉专业学科，结构工程师在进行抗浮设计时，如何兼顾工程的安全性与经济性，是个十分复杂的问题；本文针对地下结构抗浮设计中存在的主要问题，进行较为全面深入的分析，探讨其在实际工程应用中的设计原则及注意事项，并提出相应的合理建议，以供结构工程师在进行地下结构抗浮设计时参考。

2 抗浮设防水位

抗浮设防水位是整个使用期内地下结构可能遭遇的地下水峰值水位，它与多种因素有关，例如场地地形、地貌单元、地下水类型、地下水水位、历史水位的变化及幅度、工程建设可能导致水文地质条件改变引起的地下水位变化程度、邻近工程降水、区域地下水开采和水文环境变化的影响程度和趋势、区域水利规划、邻近地表水系水位变化等对场地地下水水位的影响程度和趋势、场地及其周边已有排水系统的分布和有效能力等，因此，如何确定经济合理的抗浮设防水位是个十分复杂的问题。

另外，由于勘察阶段工作工期短，很难满足一个完整水文年的地下水位监测要求，且大部分勘察单位无长期的、系统的区域水文观测资料；因此，为保证建筑物的结构安全，抗浮设防水位的确定不能仅依靠勘察单位，应根据建筑使用功能、勘察报告建议、工程经验综合分析后确定[2]。

在确定抗浮设防水位时，定的过高，工程费用浪费巨大，经济性差；定的过低，在水浮力作用下，结构可能产生上浮破坏，后果很严重；因此，需要注意以下情况：

(1)当场地赋存多种类型地下水，且各类地下水有水利联系时，应按各类地下水的最高水位确定[3]。

(2)当场地位于低洼地带时，确定抗浮设防水位应考虑雨季可能被淹没的情况[3]。

(3)当场地位于坡地且高差较大时，应考虑地下水的渗流影响，分区分段确定抗浮设防水位[3]。

抗浮设防水位是整个使用期内地下结构可能遭遇的地下水峰值水位，这个水位是根据建筑场地条件预测的未来可能出现的一个水位[4]，它实际依赖于各地区长期、完整的水位动态监测记录；由于我国地域广阔，且各地区水文地质情况千差万别，大部分勘察单位受水位观测资料不足的限制，很难对抗浮设防水位提出合理的建议，建议国家有关部门能够整合各方力量，联合编制，建立区域级乃至国家级的水位动态监测数据库，为工程建设提供基础信息支持。

3 抗浮稳定性验算

3.1 整体抗浮稳定性验算

文献[5]第6.4.1条规定，抗震缝或变形缝划分的各区抗浮稳定状态应按下式进行计算确定：

Kf=∑W/(A∑Ff)

(1)

式中：Kf为计算区域整体的抗浮稳定性系数，按表1取值；∑W为计算区域总抗浮力标准值，包括结构自重、结构上的填筑材料自重、结构上的固定设备及永久堆积物自重、抗浮构件提供的抗拔力；A为计算区域的底板面积；∑Ff为计算区域地下结构底板所承受的浮力标准值总和，包括静水位差产生的浮力、承压水水头产生的浮力、水力坡降稳定渗流产生的浮力。

表1 建筑工程抗浮稳定状态判定标准

3.2 局部抗浮稳定性验算

对于主裙楼结构、高底层结构，因为建筑自重分布不均，可能存在整体抗浮稳定性满足，而局部区域抗浮稳定性不满足的情况；此时，应按照上部结构荷载分区、不同基础形式分区、抗震缝或变形缝分区，进行局部区域的抗浮稳定性验算；文献[5]第6.4.3条规定，局部区域抗浮稳定状态应按下式进行计算确定：

Kn=∑W1/(A1∑Fn)

(2)

式中：Kn为计算区域抗浮稳定性系数，按表1取值；∑W1为计算区域总抗浮力标准值；A为计算区域的底板面积；∑Fn为计算区域地下结构底板所承受的浮力标准值总和。

在地下结构抗浮设计时，建议保证每根框架柱均能满足局部抗浮稳定性验算；否则，在水浮力作用下，局部框架柱上浮，还须验算抗浮稳定不足处的局部次结构的强度问题；但是大部分的局部次结构与主体结构连接区域构造复杂，计算模型边界条件难以准确模拟，目前应用时存在安全隐患；局部抗浮稳定性验算简图见图1。

图1 局部抗浮稳定性验算简图

3.3 施工期间抗浮稳定性验算

地下结构应考虑施工期间各种工况下不利荷载组合时的抗浮稳定性验算；验算时，抗浮设防水位可根据勘察期间场地稳定地下水位并考虑季节变化影响的最不利工况水位确定，并应根据降水停止时的施工进度决定是否计入结构上的建筑面层及覆土重量。

实际工程中，建议施工期间的抗浮稳定性采用临时抗浮措施解决，包括地下水的控制措施(施工期间的基坑降水、止水措施)、地表水的控制措施(施工期间的防地表水汇入基坑措施)、雨水抽排措施(雨季施工的基坑内积水抽排措施)。

4 抗浮技术方案

抗浮技术方案涉及因素多，对结构的安全性与经济性影响巨大，建议结构工程师在前期方案设计阶段即参与分析比较；例如可以在满足场地土方平衡及与周边道路标高衔接的情况下适度抬高场地标高，或通过控制建筑净高、结构梁高的措施来降低地下结构埋深，减少地下水浮力作用；也可以采用结构自重较大的结构型式，例如无梁楼盖、主梁大板楼盖等来主动增加结构自重；上述措施均需多个相关专业的协调配合，在前期方案设计阶段，时间相对充裕，配合相对简单，容易取得良好的经济效益。

当地下结构抗浮稳定性验算不能满足时，应根据抗浮稳定状态、地下结构类型、场地实际情况采用适当的抗浮措施，并经技术经济比较后最终确定；常用的抗浮措施根据采用的方式方法分为主动抗浮措施和被动抗浮措施，见表2、表3。

表2 主动抗浮措施

表3 被动抗浮措施

4.1 主动抗浮措施

当场地及其周边水文地质条件允许时，可以采用排水限压、泄水降压、隔水控压的方法对地下水进行主动控制，作为地下结构的抗浮措施。

主动抗浮措施选用是否合理，取决于对场地及其周边水文地质条件的深入了解，例如地下水的类型、地下水与邻近地表水系的水力联系等等；与被动抗浮相比较，主动抗浮不仅能够解决地下结构抗浮稳定性问题，还能够大大降低地下结构的基础底板与挡土墙承受的地下水压力，减少工程造价，经济效益明显[1]。

主动抗浮措施在地下结构整个使用期间，需要对其设备进行运行及检修，并应配备长期维护与应急措施，增加了建筑运营管理成本，另外，主动降水容易引起周边建筑物沉降，造成安全隐患。

4.2 被动抗浮措施

当水浮力与结构自重差距不大时[6]，推荐采用增加结构荷载的方法作为地下结构的抗浮措施；例如增大地下结构顶板上的覆土重量，或在地下结构底板上回填容重较大的钢渣混凝土等措施，均能增加结构压重[7]；但是该类措施同时需要加大地下结构的埋深，水浮力也会相应增大，另外，钢渣混凝土等填充材料市场价格较高，因此，采用时需进行充分的技术经济分析。

当结构基础型式为桩基础时，采用抗浮桩是比较安全可靠的抗浮措施；抗浮桩设计时应注意基础间的协调变形，尽量保证所有承压桩均为抗压抗浮两用桩；对于上部荷载差异较大的主裙楼、高底层结构，应考虑地下水处于低水位时，重力荷载效应控制时的情况；抗浮桩优先推荐采用单节预应力混凝土管桩，当单节长度不足采用多节管桩时，应注意节头端板的焊接质量及桩身的垂直度，并应对抗浮力进行折减；当采用混凝土灌注桩作为抗拔桩时，应注意桩身裂缝的控制，鼓励采用预应力混凝土灌注桩，其裂缝控制及经济效益均较好。

当结构基础型式为天然地基或复合地基时，采用抗浮锚杆是较为合理的抗浮措施，其具有施工简单、构造简单、单位造价低等优点，在建筑工程中应用最为广泛；抗浮锚杆设计时应注意，在水浮力作用下，由于地下结构底板的位移及各锚杆承受水浮力的不均匀，应充分考虑上部结构荷载分布、结构基础型式、底板刚度等对抗浮锚杆的影响[8]，并建议采用跨中均匀布置(受力较均匀)或跨中非均匀布置(受力最均匀)的方式，不要将其集中布置在上部结构荷载直接影响范围内；锚杆合理布置方式示意图见图2。无论采用何种抗浮技术方案，均应注意地下结构基坑的回填处理，基坑回填应采用黏性土、灰土等弱透水材料分层夯实回填，如肥槽宽度过窄，不能保证回填质量时，应采用素混凝土回填，另外，建议在地下结构基坑肥槽边缘外不小于1 m范围内，设置混凝土封闭带，减小地表水下渗影响[5]。

图2 锚杆合理布置方式示意图

5 结论

(1)抗浮设防水位与多种因素有关，如何确定经济合理的抗浮设防水位是个十分复杂的问题，由于勘察阶段工作工期短，很难满足一个完整水文年的地下水位监测要求，且大部分勘察单位无长期的、系统的区域水文观测资料，为保证建筑物的结构安全，抗浮设防水位的确定不能仅依靠勘察单位，应根据建筑使用功能、勘察报告建议、工程经验综合分析后确定。

(2)抗浮设防水位依赖于各地区长期、完整的水位动态监测记录,我国地域广阔，且各地区水文地质情况千差万别，大部分勘察单位受水位观测资料不足的限制，很难对抗浮设防水位提出合理的建议，建议国家有关部门能够整合各方力量，联合编制，建立区域级乃至国家级的水位动态监测数据库，为工程建设提供基础信息支持。

(3)在地下结构抗浮设计时，建议保证每根框架柱均能满足局部抗浮稳定性验算；否则，在水浮力作用下，局部框架柱上浮，还须验算抗浮稳定不足处的局部次结构的强度;大部分的局部次结构与主体结构连接区域构造复杂，计算模型边界条件难以准确模拟，具体设计中如果设计人员对其定义错误，或应用软件错误，就会造成设计错误，存在安全问题。

(4)地下结构应考虑施工期间的抗浮稳定性验算；验算时，抗浮设防水位可根据勘察期间场地稳定地下水位并考虑季节变化影响的最不利工况水位确定，并应根据降水停止时的施工进度决定是否计入结构上的建筑面层及覆土重量；实际工程中，建议施工期间的抗浮稳定性采用临时抗浮措施解决。

(5)抗浮技术方案涉及因素多，对结构的安全性与经济性影响巨大，建议结构工程师在前期方案设计阶段即参与分析比较。

(6)当结构基础型式为桩基础时，采用抗浮桩是比较安全可靠的抗浮措施，设计时应注意基础间的协调变形。

(7)当结构基础型式为天然地基或复合地基时，采用抗浮锚杆是较为合理的抗浮措施，抗浮锚杆设计时建议采用跨中均匀布置(受力较均匀)或跨中非均匀布置(受力最均匀)的方式，不要将其集中布置在上部结构荷载直接影响范围内。