基于泵站的地下结构抗浮分析

基于泵站的地下结构抗浮分析

李嘉翔 周雪峰

（西安工业大学建筑工程学院，西安 710032）

摘 要：在泵房的结构设计中，抗浮设计往往成为制约结构设计的重要影响因素之一。本文以两例泵房抗浮设计工程实例为基础，简单论述了影响抗浮的因素与常见的泵房设计思路。

关键词：抗浮设计；极限水位；水头折减系数；抗拔桩

1前言

随着我国经济的增长，民用建筑和基础设施正逐渐向地上地下同步发展，但是相对高层建筑的设计施工技术成熟度来讲，地下结构滞后很多。地下结构由于其结构形式存在于地表以下，而对地下土壤的研究并不像地上结构那么直观清晰，所以地下结构在设计和施工过程中所遇到的情况就更为复杂多变。由于土体的土中存在着空隙，而土体的空隙和岩体的裂隙中存在着大量的地下水，对地下结构作用以浮力。在设计过程中往往因为设计抗浮不够，常常发生结构产生上下板的顶起，开裂，整体稳定性丧失的情况，而使结构无法使用[3~4]。所以研究地下结构的抗浮问题十分有必要。本文以陕西靖边河西污水泵站，渭南市城区东北部雨水提升泵站工程实例为例，阐述地下结构的抗浮分析。

2结构设计抗浮方法

目前国内引用的抗浮设计方法主要有配重抗浮法，降水截水抗浮法，锚固抗浮法。

1）配重抗浮法

结构在地下环境中所受的力有F —结构上部传来的荷载 F 土—土体对结构底

部的作用力F 浮—地下水对结构的浮力 W —结构体自重在几种力的作用下结构

F ++ F 处于平衡状态 。 W = F 土 浮 在基础埋深确定时F 土为固定值，这时如果结构

自重W

方法使等式平衡，此为配重法[1~2]。

2）降水截水抗浮法

降低地下水位是基坑开挖时常用到的施工工艺，降低地下水位可以减少地下水对结构的浮力，。但单靠降低地下水位来实现浮力对结构的影响是不够稳妥的，如连续的暴雨灾害，有可能突然提高地下水位，使得结构安全存在隐患。截水法是采用止水帷幕，将帷幕内的地下水与外部的隔绝开，阻止外部水源不断涌入帷幕内。但是这种降水截水法容易受到自然灾害影响，资金投入周期等限制，所以一般工程都只做以辅助方法使用[5]。

3）锚固抗浮法

锚固抗浮法包括锚杆、锚索和抗拔桩。锚杆一般在地基承载力较好的持力层上使用，如基岩层等。但是地下水往往具有腐蚀性，随时间推移，锚杆的耐久性减弱使结构存在安全隐患。锚索一般采用预应力工艺，应对抗浮性能比较好。但是预应力工艺施工流程繁琐，造价较高，一般工程考虑经济因素也不常予以使用。抗拔桩一般利用桩身自重，已经和地基之间的摩擦力来提供抗拔力，从弯矩,

4ql ε ⨯ 可知，q 与EI 不变, 当l 减小时，M 与f 则随之减小，M =ε⨯ql f =2

这样能提高底板刚度，减少抗浮挠度，提高抗浮力。

3影响抗浮验算的因素

目前研究抗浮的计算主要聚焦在两部分，一是根要据地基土层渗透性对静水压力进行折减，二是地下结构抗浮设防水位的确定。首先，设防水位的标高直接决定了浮力的大小，抗拔桩的数量以及底板的厚度等等。一般来讲抗浮设计水位是抗浮计算根据，而设防水位的选取主要来自岩土勘察报告。但是岩土勘察报告往往只能提供该施工地区一段时间内的水位变化情况，地下水位的变化具有很大的随机性，有人为因素也有自然因素。所以在设计时:（1）要按照常年水位进行结构的抗裂变形验算，保证结构、构件的正常使用强度。（2）按照设防水位进行抗浮验算。（3）按照极限水位进行临界的验算。

通过大量实验表明，地下静水压强与水位的高度并不是像公式P=γw ·(h-h0) 所表示的线性关系，与土粒级配和渗透性系数有关。实测的静水压力，要比计算值

要小。所以计算时引入了水头折减系数φ。经过折减后的水头H=φ·（h-h 0） 其中折减系数φ的确定，可参考以下参数：

1) 地下建筑物基底上下均为弱透水性或不弱透水性土层，且无饱和土，折减系数取φ=0.5～0.6

2）地下建筑物基底下为弱透水～不弱透水土层，基底以上有透水层～强透水层，且不是饱和软土，折减系数取φ=0.7～0.8

3）地下建筑为透水层～强透水层; 或基底下为淤泥，淤泥性粘土，粉土等软弱松散地层时，折减系数φ=1

4. 工程实例

1）靖边县城河西污水泵站工程

泵房为地上一层，地下3层，基础埋深为-16m ，地基的直接持力层为粉土，f ak =110kPa，地基压力P k =220kPa。勘察期间稳定水位埋深为6.30～6.50m(处于枯水期) 。场地地下水主要为赋存于粉土层中的孔隙水，主要由大气降水及地下径流补给。拟建泵房的基底压力虽然不大，但其埋深较大，采用钻孔灌注桩基础方案。考虑到结构受力均匀，抗拔桩数量桩长尽量满足均匀布置的原则，根据勘察报告，确定抗拔桩长约15m, 桩径d=0.8m,根据规范公式 Q uk =q pk ⨯A r +u ∑(q sk ⨯L i ) 计算得单根抗拔桩承载力为2824kN 。根据基础埋深，地下水位计算得总浮力为96472kN, 根据规范要求，选择抗浮安全系数不小于1.05。确定桩数20根，每排5根，共4排。

2) 渭南市城区东北部雨水提升泵站

其中泵房为地上1层，地下室2层，剪力墙结构，高度6.5m ，基础埋深为-15.0m, 预计基础形式为筏基，筏基平均压力标准组合值为220kPa 。勘察期间稳定地下水位埋深为4.20～6.50m ，属潜水类型。主要由大气降水及地下径流补给，并通过径流、人工开采、蒸发消耗等方式排泄。根据区域资料，拟建场地水位主要受渭河水位影响，其年变化幅度一般小于2.0m ，勘察期间为枯水期。泵房和沿线管道基础埋深约10.0～11.0m, 为保证基坑开挖及工程施工的顺利进行，地下

水位应保持在开挖基坑底面下0.50～1.50m ，平均降深约5.0～9.0m ，本工程采用井点降水方案。选择筏板基础。其中覆土容重F kt =16kN/m3，厚度取500mm 。底板外延2000mm 延伸部分回填土重4513.6kN 计算公式为

F ktl [(H +2h +2c ) +(B +2h )]⨯2c ⨯H 0⨯16

其中H 为水池长度，B 为水池宽度，h 为池壁厚度，c 为底板外延尺度H 0为池壁高度。覆土容重r=16kN/m3，F kt2=H⨯B ⨯r=6720kN。抗浮全重F k =G+ F kt2+ F kt1=47598kN，其中G 为结构各构件自重总F w =A r ⨯(H d +h 1) ⨯10=35216kN ，其中A r 是池底面积 H d 是降水后池内水位差,h 1是底板厚度。值得注意的是，泵房结构都带有大吨位的设备，计算时可以增加其中覆土的厚度，放入设备后，在减少或者减去上层覆土。

5结论

1) 浮力对地下结构的破坏应该得到足够的重视，目前我国现行规范《建筑地基基础设计规范》对基坑降水等内容提及的较多，而对抗浮设防等计算问题提及较少，应该在此问题上做出明确的规定和解释。

2) 本文综述了目前国内的几种抗浮设计方法，以泵房类型的特种结构为例，综合运用了两种或者多种抗浮设计方法。浮力计算使用了经典阿基米德原理，考虑了水头折减系数，并且充分根据地质勘察报告，谨慎选取了设防水位标高。尤其在使用配重法时，考虑了结构设备的重量，在结构投入使用时可减少配重，可最大化的减少了施工成本。

3) 结合近几年的高频自然灾害来看，设计过程中要充分考虑到结构的极限抗浮水位，抗浮设计是地下结构安全的重要一环，地下结构使用年限一般都较久，设计师在设计过程中应该充分考虑到可能碰到的种种情况，以保证结构的安全使用。

参考文献：

[1] 范毅雄; 陈文华; 齐庆春水下泵房抗浮桩设计中几个问题的探讨[M]. 特种结构. 2011-10-15

[2] 王恭兴; 张国祥; 张磊; 引水工程泵房抗浮锚杆的设计与试验分析[M]施工技术.2007-09-18

[3] 刘静; 戚新玉; 泵房设计中的抗浮问题研析[J]城市道桥与防洪.2009-06-15

[4] 刘光辉; 锚杆技术在泵房抗浮设计中的应用与抗拔试验水利科技[J].1998-11-15

[5] 严义华; 任国亮; 某地下泵房抗浮优化设计的实例分析与研究;[J]四川建筑科学研究。2013-02-25