地下工程抗浮优化设计研究

摘要:本文结合工程应用实例，在介绍工程场地水文地质条件的基础上，分析了地下工程原抗浮设计验算过程，重点针对抗浮优化设计工作进行探讨。优化结果表明，地下工程抗浮承载能力得到有效的提高，减少了基坑开挖及抗浮工程的费用，取得较好的效果。

关键词:地下工程；地质条件；抗浮设计；优化工作

中图分类号：F407.1 文献标识码：A 文章编号：

随着国民经济建设步伐的加快，城市建筑行业得到蓬勃的发展，许多建筑工程开始对地下空间进行开发及利用，这对地下工程结构的质量安全也提出了更好的要求。我国沿海地区地下水文普遍较高，地下水浮力较大，传统结构的抗浮桩由于自身具有一定的缺陷，已无法满足当前地下工程建设的需要，若建设单位不进行抗浮优化设计，很可能会出现地下室上浮、地下结构被破坏等情况。而将钢筋混凝土支护桩作为抗浮桩具有成本低、抗浮承载力高、施工工期短等优点，能够较好弥补传统抗浮桩的不足之处，并降低工程基坑开挖和支护结构的风险及难度，目前在城市地下工程中得到广泛的应用及推广。本文通过探讨地下工程抗浮优化设计研究工作，希望为类似工程设计研究工作提供借鉴依据。

1工程概况

某地下人防工程位于该市中心某商业繁华地段，按照平-战结合原则设计，地面为车辆交通道路，地下人防平时用作步行商业街。

该工程的结构类型为现浇钢筋混凝土梁板、柱、墙结构，基础采用现浇钢筋混凝土筏板基础，下沉式广场为桩筏基础;工程类型为甲类人防地下室工程(掘开式)，抗力系数为6，防核武器抗力级别为6、7，地基基础设计等级为甲级。支护桩采用钻孔灌注桩，沿基坑周边布置，桩径d为900mm，桩长为12～16.5m，桩中心距s为1400mm，所用混凝土强度为C30。基坑内支撑采用平面钢桁架，支护桩桩顶冠梁兼作围囹。基坑四周桩间土用三重管高压旋喷桩竖向加固，与钻孔灌注桩联合作业，形成止水帷幕。基坑开挖时采用对地表水和上层滞水设置排水沟和集水井的方法进行明排，下部砂层承压层采用管井群疏降水。

2场区水文地质条件

该工程场区的水文地质条件较为复杂。场区域自中更新世末期至晚更新世中期堆积了近百米厚的砂卵(砾)石层，勘探深度内的卵石层属其上部，地层层位为上更新统洪积、冲积层，之上为全新统粉质黏土、粉土、粉砂、沙层。

场区孔隙潜水动态变化受大气降水影响明显，枯水期水位埋深0.5～1.5m，丰水期水位与地面平齐，勘探期间测得水位埋深0.55～1.12m。孔隙承压水水位呈水文型自然动态变化，即随江河水位变化而变化，态势明显，如图1所示。全年中，1、2、3、11、12月份为孔隙承压水的枯水期，勘探期间测得地下水位埋深1.85～2.05m，7、8月份为地下水丰水期，其他为地下水平水期。

图1地下水位和江河水位动态曲线图

3原设计抗浮验算及分析

原设计考虑到地下结构自重作用下抗浮稳定性不足，采取了如下措施:①街道下采用增加抗浮混凝土配重垫层(厚1400mm)，如图3所示;②沉入式广场采用有扩大头的钢筋混凝土灌注桩(直径为800mm)作为抗拔桩。

根据我国相关规范要求，结构的抗浮稳定性应满足下式:

Kw=Gk/Nw，k (1)

式中:Kw为抗浮稳定安全系数;Gk为底板单位面积抗浮力，即建筑物自重及压重之和，kN;Nw，k为浮力作用值，kN。

抗浮稳定安全系数Kw一般情况下可取1.05，考虑本工程的工程线路较长、水文地质情况较为复杂，Kw按1.10设计。

根据“安全、经济、合理、科学”的设计原则，单位面积板底浮力作用值w，k为

w，k=γw(h1+h2)(2)

式中: w，k为单位面积底板浮力作用值，kN/m2;γw为地下水的重度，γw=10kN/m3;h1为地下结构的高度，m;h2为最大动水位离地下结构顶面的距离，m。

由图2中可知，原设计中地下结构顶面标高±0.000，相当于绝对标高30.000m。根据地下水位动态曲线分布规律(见图1)，取抗浮承压水水位绝对标高为32.00m，则h2=2m，由图2所示，h1=4.9+1.4+0.5=6.8m，故w，k=10×(6.8+2.0)=88kN/m2。

图2原设计方案

以街道下23m宽(3跨区)区域为例进行验算，底板单位面积抗浮力在计算上覆土及路基路面、混凝土顶板、底板、抗浮混凝土配重垫层、柱(柱帽)、墙、基础底板自重及压重并考虑外挑影响后为92.64kN/m2。

按公式(1)计算可得Kw=Gk/Nw，k=92.64/88=1.05，不满足设计中抗浮稳定安全系数大于1.1的要求，可见原设计中23m宽(3跨度)区域抗浮承载力(未考虑活荷载抗浮)略有差欠。

进一步对其他位置进行分析可知，39m宽(5跨度)区域等更宽的位置，因为侧墙、底板外挑作用的当量均布抗浮力计算值会减小，不能满足抗浮设计要求;有楼梯的位置，因为上覆土、顶板等的抗浮力计算值大大减小，更不能满足抗浮设计要求。

4抗浮优化设计

4.1街道下主体结构利用支护桩抗浮设计方案

为了提高原设计的抗浮承载能力，提出了街道下主体结构抗浮优化方案，如图3所示。新方案与原方案相比，主要区别如下:

(1)利用支护桩参与街道下人防主体结构的抗浮。

(2)减少原设计的室内抗浮混凝土配重垫层厚度。

(3)尽可能地减小底板外挑长度，为基坑开挖施工提供方便。

图3 利用支护桩抗浮方案

4.2优化后方案抗浮验算

利用支护桩作为抗浮桩时，单桩抗拔承载力除了考虑桩自重外，还应考虑支护桩侧旋喷混凝土等侧阻的有利影响。由计算分析并经抗拔承载力试验确定本方案中抗拔承载力特征值按350kN计算。分别按混凝土配重垫层厚度减除0.7m和0.5m来计算，街道下主体结构利用支护桩抗浮的验算结果如表2所示。

根据表1计算可知，利用支护桩抗浮后，混凝土抗浮配重层减除一定厚度的方案是可行的，其中在23m宽(3跨度)区域，可减除0.7m厚混凝土抗浮配重垫层，减除后抗浮稳定安全系数Kw为1.12，满足设计要求;而在39m宽(5跨度)区域，宜将混凝土减除厚度控制在0.5m或采取在跨中增设抗浮桩等其他处理措施，减除配重层厚度0.5m后相应的抗浮稳定安全系数Kw等于1.10，满足设计要求。

表1利用支护桩抗浮验算结果

4.3沉入式广场抗浮桩桩型优化

原设计中沉入式广场抗浮桩采用有扩大头的钢筋混凝土灌注桩(直径为800mm)，虽然其抗拔力学性能占优，但存在当地施工困难、成本太高的问题。从成桩可能性、节约费用，尤其是施工时间等考虑，建议取消沉入式广场抗浮桩的扩大头，直接采用钢筋混凝土灌注桩。

4.4新方案实施效果

优化后的方案可减少室内混凝土抗浮配重垫层厚度0.7m或0.5m，同时减小了基坑开挖深度，缩小基坑边缘距离(沿街道缩进约1000mm)，在大大减少基坑开挖土方量的同时，也对周边管网的保护和利用提供了极大的便利。新方案中提高了基坑降水水头，减小了降水的风险和难度;沉入式广场抗浮桩取消扩大头，直接采用钢筋混凝土灌注桩节约费用明显，效果良好。据统计，以上各项合计节约工程总造价达1016.7万元以上。由于本工程要求必须在枯水期和平水期间一次性连续开挖施工完成，因此，相对于工程造价，确保施工工期按时完成更为重要，实践证明，优化方案对缩短施工工期起到了非常好的作用。

5结语

综上所述，地下工程抗浮设计是影响工程整体质量安全的重要因素。因此，加权抗浮优化设计的研究工作就显得十分必要了。本工程通过利用废弃的钢筋混凝土支护桩作为抗浮桩，大大提高了地下工程主体结构的抗浮承载力，同时减少了基坑开挖及抗浮工程的成本，降低了工程的施工难度，并取得了较好的经济效益。

参考文献

[1] 陈爱国;韩超.地下工程的抗浮措施及抗浮设计[J].城市建设理论研究，2012年第37期

[2] 叶国认.某地下工程抗浮锚杆优化设计[J].广东建材，2011年第06期