某大空間地下建筑物在高水位地區(qū)的抗浮設(shè)計研究

徐靜蓉，郝晨東

(1.北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，北京100048;2.延慶縣水務(wù)局，北京102100)

在水利、建筑、市政、交通等行業(yè)地下建筑物設(shè)計時，為滿足工藝布置或使用功能的需要，結(jié)構(gòu)布置時一般要求空間大、埋深深。如惠南莊泵站，是南水北調(diào)中線工程總干渠上唯一的一座加壓泵站，是重要的控制性、標(biāo)志性建筑物[1]。泵站主廠房設(shè)在進(jìn)水池下游，為保證水泵運行環(huán)境為干室型，主廠房地下結(jié)構(gòu)由上下游側(cè)墻、兩岸山墻基礎(chǔ)和底板構(gòu)成用鋼筋混凝土圍成的一個不透水的整體結(jié)構(gòu)。主廠房跨度30 m，縱向跨長102 m，下部基礎(chǔ)凈高15.5 m。而在場址內(nèi)地下高水位地區(qū)，大空間地下建筑物自重小于設(shè)計水位下的浮力，抗浮問題突出，需進(jìn)行抗浮方案設(shè)計研究。

1 大空間地下建筑物抗浮措施方案比較分析

惠南莊泵站主廠房地下部分尺寸見圖1。

圖1 惠南莊泵站主廠房地下部分體型圖(單位:m)

由于設(shè)計洪水位高于泵房基礎(chǔ)底面18.12 m，主廠房內(nèi)除設(shè)備外，基本為一個空腔，抗浮問題突出。經(jīng)計算，各聯(lián)在設(shè)計洪水及校核洪水期運行時其抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為 0.83 ～0.98，小于規(guī)范[2]要求的1.05或1.10。同時抗滑穩(wěn)定計算由于沒有足夠的豎向力提供摩擦力，也不能滿足要求。

為保證各級建筑物在各種設(shè)計工況都能安全穩(wěn)定運行，工程設(shè)計時，需采取技術(shù)措施進(jìn)行處理。以兩臺機(jī)組廠房長度作為一個比較計算單元，擬采用的可行抗浮處理措施有:

(1)底板加厚方案

根據(jù)抗浮穩(wěn)定驗算，底板加厚至5.8 m后，主泵房的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為1.1，滿足抗滑穩(wěn)定要求則需將底板加厚至8.7 m。

底板加厚是在設(shè)計底板頂高程以下增加，不僅混凝土澆筑方量大，相應(yīng)開挖深度加大，整個基坑的開挖量也會相應(yīng)增大許多，投資較大。經(jīng)初步計算，主廠房混凝土量共增加近19 763 m3，不考慮土方的增加和特殊施工的費用，投資加大632萬元。底板加厚即屬大體積混凝土，需采取技術(shù)措施。

(2)換填廢鋼料方案

廢鋼料的重度是混凝土重度的3.14倍，利用廢鋼料來壓重是解決抗浮穩(wěn)定比較有效的工程措施，國外一些工程采用過這種措施。

在主廠房底板上平鋪厚度1.25 m廢鋼料時，其抗浮、抗滑穩(wěn)定才能滿足要求。

本方案共使用廢鋼料4 334 m3，折合重量34 022 t，以500元/t計，不考慮土方的增加，投資增加1 700萬元。

(3)增加腳趾寬度方案

解決結(jié)構(gòu)抗浮、抗滑穩(wěn)定的另一個措施是將底板向上游伸出去形成腳趾，通過腳趾上的土重力來增加抗浮力。

腳趾長度為5.8 m時，可以滿足抗浮穩(wěn)定，但若滿足抗滑穩(wěn)定還需加長至12.4 m。本方案增加混凝土方量11 474 m3，不考慮土方的增加，投資加大368萬元。這個方案造成主廠房順?biāo)飨虻慕Y(jié)構(gòu)超長。

(4)主副廠房基礎(chǔ)整體澆筑方案

如前所述如在主泵房和副廠房中間設(shè)永久縫，側(cè)向壓力不平衡。若主、副廠房的底板聯(lián)為一體，單一受力結(jié)構(gòu)設(shè)計。這時主、副廠房的兩側(cè)側(cè)向壓力平衡，抗滑穩(wěn)定應(yīng)無問題。此時，主要解決廠房的抗浮問題。

將副廠房基礎(chǔ)底板加厚至3.0 m，并與主廠房底板同高程，同時在兩側(cè)各伸出0.4 m腳趾，底板總長達(dá)54 m，抗浮、抗滑可滿足要求。主副廠房底板整體澆筑方案增加混凝土方量4 420 m3，不考慮土方的增加，投資加大141萬元。

(5)基礎(chǔ)灌漿方案

將滲透系數(shù)為0.2 cm/s的卵石層，通過灌漿可使其滲透系數(shù)降低到1×10－4cm/s量級，減輕基礎(chǔ)底面所受揚壓力?；A(chǔ)灌漿方案也是解決泵站主廠房穩(wěn)定的工程措施之一?；A(chǔ)灌漿的范圍為主廠房全部基礎(chǔ)，在灌漿區(qū)周圍使用灌漿孔在水平方向封閉灌漿區(qū)，進(jìn)而實施內(nèi)部灌漿。為減少工程量，在垂直斷面上灌漿區(qū)可做成倒梯形。設(shè)灌漿深度為 H，為延長滲徑宜將灌漿區(qū)沿基礎(chǔ)周邊向外擴(kuò)大H/2。盡管進(jìn)行了基礎(chǔ)灌漿，但并未徹底消除基底揚壓力，底板還應(yīng)進(jìn)行基礎(chǔ)排水，洪水期的滲水應(yīng)收集至主泵房集水井，集中排出。為使灌漿切實能將卵石層的滲透系數(shù)降至1×10－4cm/s量級，使用上述方案需要首先通過現(xiàn)場試驗以確定灌漿工藝。

按孔距4 m，孔深8 m布置，主廠房部分總進(jìn)尺約2 808 m。不考慮排水設(shè)施費用及管理費用，投資加大93萬元。

(6)基礎(chǔ)防滲墻方案

由于主廠房穩(wěn)定主要在發(fā)生設(shè)計及校核洪水時，地下水位升高導(dǎo)致建筑物抗浮、抗滑穩(wěn)定不能滿足要求。若在主泵房和副廠房周圍建造一圈封閉并深至基巖的防滲墻，徹底隔斷洪水期廠房基礎(chǔ)地下水位的上升，根本消除基礎(chǔ)揚壓力。因地質(zhì)鉆探孔未探到基巖面，根據(jù)物探資料，基巖埋深按泵房基礎(chǔ)底20 m計，嵌入基巖5 m，防滲墻深25 m，主廠房部分防滲墻總面積6 776 m2，投資加大540萬元。

(7)抗浮抗滑復(fù)合受荷樁方案

在泵房底板下設(shè)復(fù)合樁基，利用樁側(cè)摩阻力抵抗基底揚壓力，使得泵房抗浮穩(wěn)定滿足要求。同時利用樁及樁間土抵抗水平荷載，滿足抗滑穩(wěn)定要求[3]。

抗浮抗滑復(fù)合受荷樁基在完建和正常運行期承受豎向承壓和水平荷載，洪水期主要承受豎向抗拔和水平荷載。經(jīng)計算主廠房基礎(chǔ)在加設(shè)樁基后，各聯(lián)在完建期、無地下水正常運行、設(shè)計洪水正常運行、校核洪水期及地震等工況下，其抗浮、抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求。

根據(jù)計算結(jié)果，21.5 m長的結(jié)構(gòu)單元內(nèi)布置35根直徑1.0 m，樁深8 m，即可滿足抗浮抗滑穩(wěn)定要求。主廠房底板下共需布置約168根抗拔樁，總計樁長1 344 m，投資加大125萬元。

(8)方案比較

各方案比較結(jié)果見表1。

表1 泵站主廠房基礎(chǔ)抗浮抗滑工程措施方案比較表

由表1比較得知:底板加厚、加填廢鋼料、增加腳趾寬度及主副廠房底板整體澆筑方案均為增加自重或配重抗浮設(shè)計，計算簡單，但同時引起超長、超厚結(jié)構(gòu)的技術(shù)問題，受力比較復(fù)雜，投資效果不經(jīng)濟(jì);基礎(chǔ)灌漿方案和基礎(chǔ)防滲墻方案是比較成熟可靠的水工防水措施，但防滲效果難以驗證，作為安全保障措施，還需設(shè)置抽排地下水的工程設(shè)施，管理維護(hù)復(fù)雜，同時灌漿施工控制較難，漿液容易影響周圍土體，基礎(chǔ)防滲墻工程費用高。

因此，從安全性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)成熟性、對環(huán)境的影響等綜合分析比較，抗浮抗滑灌注樁方案技術(shù)成熟可靠，運行管理簡單安全，對周邊環(huán)境影響較小，且投資省，明顯優(yōu)于其它方案。惠南莊泵站主廠房的抗浮穩(wěn)定處理措施采用抗浮、抗滑復(fù)合受荷樁方案。

2 抗拔樁基設(shè)計問題及討論分析

樁的抗拔承載力同時受兩方面因素的制約:第一:樁身材料的抗拉強(qiáng)度;第二:樁周表面特性(即樁－土側(cè)壁界面的幾何特征)和土的物理力學(xué)特性。

樁基計算分別按單樁和群樁兩種情況，對樁基抗拔承載力進(jìn)行計算。并對截面進(jìn)行抗裂、抗剪驗算，對豎向抗壓承載力、水平承載力、樁基沉降進(jìn)行復(fù)核計算，同時考慮樁與承臺協(xié)同作用進(jìn)行樁基內(nèi)力與變位計算。

由于抗拔樁基計算理論包含了一些經(jīng)驗性的參數(shù)，參考不同行業(yè)的習(xí)慣，針對設(shè)計時遇到的一些問題，采取相應(yīng)措施解決。

2.1 計算依據(jù)

對于樁基計算所依據(jù)的規(guī)范，國內(nèi)外不同行業(yè)有不同的規(guī)范，有《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4](JGJ94－2008)、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[5](JTG D63 －2007)、《水運工程混凝土施工規(guī)范》[6](GB/T50265－2010)及美國國家標(biāo)準(zhǔn)《輸電線路桿塔基礎(chǔ)設(shè)計導(dǎo)則》[7]等，以上規(guī)范都提到了樁基計算的公式及各參數(shù)建議值，由于各行業(yè)經(jīng)驗、習(xí)慣及設(shè)計條件不同，各規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)略有差異。

水利行業(yè)暫無樁基設(shè)計規(guī)范，由于惠南莊泵站廠房屬水工建筑物，可歸于建筑行業(yè)，本次計算以《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》為設(shè)計依據(jù)，同時參考了公路、鐵路、港口等行業(yè)規(guī)范及國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 抗拔承載力計算公式的選取

(1)根據(jù)規(guī)范《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4](JGJ94－2008)，承受拔力的樁基，按下列公式同時驗算群樁基礎(chǔ)呈整體破壞和呈非整體破壞時基樁的抗拔承載力:

式中:Nk為按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計算的基樁拔力，kN;Tgk為群樁呈整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN;Tuk為群樁呈非整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN;Ggp為群樁基礎(chǔ)所包圍體積的樁土總自重除以總樁數(shù)(地下水位以下取浮重度)，kN;Gp為基樁自重(地下水位以下取浮重度)，kN;λi為抗拔系數(shù)，取0.5;qsik為樁側(cè)表面第 i層土的抗壓極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，取120 kPa;ui為破壞表面周長，等直徑樁取πd，m;ul為群樁外圍周長，m;li為樁穿越第i層土的厚度，m。

計算結(jié)果:樁長為8 m，樁徑為1 m時，設(shè)計洪水位時的基樁極限抗拔承載力設(shè)計值為969 kN，計入群樁作用的抗拔承載力設(shè)計值為1 625 kN。

(2)我國《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[5](JTG D63－2007)所提出的樁抗拔承載力公式是建立在經(jīng)驗及相關(guān)統(tǒng)計的基礎(chǔ)之上的，對灌注樁所建議的公式為:

其中:[Rt]為抗拔樁容許上拔荷載，kN;u為樁身周長，m;αi為振動沉樁對各土層樁側(cè)摩阻力的影響系數(shù);li為各土層的厚度，m;qik為樁側(cè)第i層土的側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa;W為樁自重，kN。

計算結(jié)果:采用同樣的參數(shù)，抗拔樁容許上拔荷載計算值為716 kN。

(3)我國規(guī)范采用的抗拔承載力的計算公式，都是按照沿樁—土界面滑移破壞的機(jī)理確定的。但是美國柯哈威(Kulhawy)等[8]人研究證實灌注樁實際破壞面一般出現(xiàn)在界面以外附近的土體內(nèi)，而并非直接在界面上，因此只需要知道土的抗剪強(qiáng)度即可。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)《輸電線路桿塔基礎(chǔ)設(shè)計導(dǎo)則》[7]中，砂性土(排水狀態(tài))的極限抗拔力Pu可用下式表示:

其中:πd為樁周長，m;σv為土有效上覆壓力，kN;ΔL為樁段的長度，m;K為土側(cè)向壓力系數(shù)，取0.33;δ為樁材與周圍土之間的外摩擦角，取30度;Wc為樁的有效重量，kN。

計算結(jié)果:采用同樣的參數(shù)，抗拔樁容許上拔荷載計算值為710 kN。

(4)計算結(jié)果分析

上述式(1)～式(3)都是在缺乏拔樁試驗資料的情況下，采用下壓樁的靜力計算公式先算出下壓樁側(cè)壁摩阻力計算值，然后乘上一個拔樁折減系數(shù)λi，即得等截面樁的上拔承載力。式(3)只是單樁計算公式，是在經(jīng)驗及相關(guān)統(tǒng)計的基礎(chǔ)下，直接引入折減系數(shù) 0.3。

公式(4)為美國規(guī)范，沒有提到側(cè)摩阻力，而是通過土側(cè)向壓力系數(shù)及樁—土周圍的外摩擦角確定的，同時引入了土的有效上覆壓力。因此樁基承受拔力時周圍土體對樁體的作用是計算抗拔承載力的決定性因素。

采用建筑樁基計算公式的極限抗拔承載力結(jié)果值較大，群樁比基樁效果較好，而采用公路橋涵與美國標(biāo)準(zhǔn)計算公式的結(jié)果較為接近。因此，最終確定將按照建筑樁基計算所得的樁基數(shù)量適當(dāng)增加。

2.3 土體性質(zhì)的確定

理論上講，分布于全樁長的地基反力系數(shù)對樁的計算分析都有影響，實際上，對水平承載樁計算最具影響的則是地面以下3～4倍樁直徑的深度范圍內(nèi)的土層。

由于筏板基礎(chǔ)同時受浮力作用，所以合力向上。那么樁間土上部部分的受力狀態(tài)變得相對復(fù)雜，分析比較困難。目前基本上有兩種觀點:

(1)觀點一:

基底下3 m范圍內(nèi)的土體由于承受總體向上的浮力作用，土粒處于漂浮狀態(tài)，土粒間有效應(yīng)力為0，形成廣義的“液化”，導(dǎo)致樁基計算時，樁的水平承載及豎向承載能力效果折減。

計算公式為[9]

式中:σ為土和水的重量所產(chǎn)生的應(yīng)力，稱總應(yīng)力;σ'為土粒傳遞的有效應(yīng)力;u為靜水壓力，土力學(xué)中稱孔隙水壓力。

即:基底下某點h處的總應(yīng)力為基底應(yīng)力加h高的飽和土重。

由計算可知:

當(dāng)0＜h＜3 m時，u＞σ，向上的浮托力，大于向下的應(yīng)力，土粒將處于浮動狀態(tài)，土粒間將不再傳遞有效應(yīng)力，此時σ'=0，處于廣義的“液化”狀態(tài)，如圖2所示。

(2)觀點二:

卵石土體是一種多孔介質(zhì)，雖然總應(yīng)力向上，但是土體并不會因浮力而存在懸浮的，土體還是固結(jié)在一起并有一定的抗剪強(qiáng)度的，土體的總應(yīng)力計算仍采用浮重度。

以上兩種觀點究竟那種符合實際受力情況，需通過試驗來驗證。在沒有試驗資料的情況下，為工程安全計，基底下承受總體向上浮力作用的土體厚度，不應(yīng)計入抗拔承載力計算時的樁身長度。第一種觀點與美國規(guī)范公式(4)提到的土有效上覆壓力σv是一致的。

2.4 m 值的確定

在樁基水平承載力估算公式中，引出了重要參數(shù)，即群樁基礎(chǔ)的基樁水平承載力計算時采用的承臺側(cè)向土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值。

對于m值的選取，不同的行業(yè)規(guī)范有不同的取值范圍。對于地基土為卵石的m值，《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[5](JTG D63 －2007)規(guī)定:地面處位移最大值不超過6 mm時取30 MN/m4～80 MN/m4，鐵路部門及港口工程采用的m值基本與此相同[10];《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4](JGJ94 － 2008)中規(guī)定:m值取100 MN/m4～300 MN/m4，相應(yīng)單樁在地面處的水平位移為1.5 mm～3 mm，當(dāng)水平荷載為長期或經(jīng)常出現(xiàn)的荷載時，應(yīng)將表列m值乘以0.4降低采用，當(dāng)?shù)鼗翞榭梢夯翆訒r，應(yīng)乘以土層液化折減系數(shù)。此次計算m值依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4](JGJ94－2008)選取，不同的 m 值有不同的計算結(jié)果，見表2。

圖2 抗拔樁基受力示意圖

表2 不同m值的水平承載力及內(nèi)力變位計算結(jié)果匯總表

m值和地基反力系數(shù)一樣，都是一個計算參數(shù)，它隨著土類及其性質(zhì)，樁的材料和剛度、樁的水平位移值大小和荷載作用方式(靜力、動力或循環(huán)反復(fù))及荷載水平等因素而變化。一般來說，很難規(guī)定一個包羅所有這些因素影響的m值。較為恰當(dāng)?shù)耐緩绞峭ㄟ^樁的現(xiàn)場水平荷載實驗來確定。

3 結(jié)論

通過多方案比選優(yōu)化，確定某實際工程泵站采用抗浮抗滑復(fù)合受荷樁方案，并結(jié)合國內(nèi)外不同行業(yè)規(guī)范，對樁基承載力計算的幾個關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行探討分析，可以得出如下結(jié)論:

(1)大空間地下建筑物包括地鐵車站、機(jī)場停車樓、廣場地下工程等建筑物進(jìn)行抗浮設(shè)計時，可以參考國內(nèi)外不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，相互對比分析，選擇較為安全的結(jié)果;

(2)抗浮抗滑復(fù)合受荷樁方案是一種技術(shù)成熟、安全可靠、經(jīng)濟(jì)可行的抗浮措施，適用于側(cè)阻力較大的砂卵石地基。地質(zhì)條件不同的地下建筑物有不同的最優(yōu)抗浮方案，經(jīng)綜合比較后方可確定;

(3)樁身計算長度和側(cè)向土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值是樁基承載力計算的重要參數(shù)，在規(guī)范比較分析的基礎(chǔ)上，建議通過樁基的現(xiàn)場試驗來驗證完善設(shè)計。

[1]北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院.南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程(北京段)惠南莊泵站初步設(shè)計報告[R].北京:北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，2004.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T50265－2010泵站設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，2010.

[3]史佩棟.實用樁基工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ94－2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[5]中華人民共和國交通部.JTG D63－2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2007.

[6]中華人民共和國交通運輸部.JTS202－2011水運工程混凝土施工規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2011.

[7]美國電氣電子工程師協(xié)會，美國土木工程學(xué)會.輸電線路桿塔基礎(chǔ)設(shè)計導(dǎo)則(試行)[M].岑阿毛譯.蘭州:甘肅省電力設(shè)計院，1988.

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

[9]馮國棟.土力學(xué)[M].北京:水利電力出版社，1986.

[10]石振華.樁基工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1995.