水池的抗浮設(shè)計(jì)

水池的抗浮設(shè)計(jì)摘要:在給排水構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)中，水池的結(jié)構(gòu)計(jì)算固然重要，水池的抗浮設(shè)計(jì)同樣重要，直接影響水池的結(jié)構(gòu)布置方案，影響整個(gè)水池的造價(jià)。故針對(duì)水池抗浮使用的地下水位選擇及各種抗浮措施在其適用條件及經(jīng)濟(jì)性、可行性上進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞:地下水位，抗浮措施。1概述凈水廠、污水廠等水處理構(gòu)筑物多為地下結(jié)構(gòu)或半地下結(jié)構(gòu)。當(dāng)這些構(gòu)筑物的地下水水位較高，或者距離江、河、湖、海較近，水池抗浮就是設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。當(dāng)水池內(nèi)無(wú)水的工況為抗浮設(shè)計(jì)最不利的工況，如果浮力大于水池抗浮力，水池就會(huì)漂浮起來(lái)，拉斷給水及排水等管道接口，造成安全事故。因此合理的確定地下水位，合理的確定抗浮措施，是水池抗浮設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?？垢〈胧┲饕譃?壓”和"拉”兩大類(lèi)，"壓”法主要有加大自重抗浮、頂部壓重抗浮、基底配重抗??；"拉”法是水池構(gòu)件與可靠地基之間通過(guò)抗拔樁或錨桿的拽來(lái)抗浮。這些方法各有特點(diǎn)，有不同適應(yīng)條件，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在設(shè)計(jì)中仔細(xì)分析、多方比較；根據(jù)土質(zhì)、環(huán)境的不同，結(jié)合地域經(jīng)驗(yàn)和施工單位技術(shù)情況選用不同的抗浮措施。2合理確定地下水位水池設(shè)計(jì)中抗浮設(shè)計(jì)與地下水位的確定有直接的關(guān)系，地下水位是水池抗浮設(shè)計(jì)的前提，地下水對(duì)于水池是一種荷載，直接影響水池的結(jié)構(gòu)。在水池?zé)o法滿(mǎn)足靠自身重量抗浮時(shí)，附加抗浮措施，也直接影響水池的壁厚、配筋，故合理確定地下水位至關(guān)重要。由于地下水位未掌握好而引起結(jié)構(gòu)選型錯(cuò)誤及抗浮不夠等工程事故時(shí)有發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范，地下水位應(yīng)根據(jù)地方水文資料，考慮可能出現(xiàn)的最高地下水位。一般設(shè)計(jì)均取用水文資料的最高地下水位。在50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，一般水工構(gòu)筑物地下水可變作用的取用按“工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”原則確定，不考慮罕遇洪水的偶然作用。但值得注意的是，有些工程地質(zhì)勘察報(bào)告所提供的地下水位未能從地方水文資料分析得出，而僅反映勘測(cè)期間的地下水位情況。如果詳勘在當(dāng)?shù)乜菟谶M(jìn)行，所提供的地下水位標(biāo)高將無(wú)法被設(shè)計(jì)取用，或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)計(jì)算的失誤。所以設(shè)計(jì)人員應(yīng)詳細(xì)了解當(dāng)?shù)氐乃那闆r，對(duì)未滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的地質(zhì)勘察報(bào)告予以補(bǔ)充。要求考慮當(dāng)?shù)赜袩o(wú)暴雨、臺(tái)風(fēng)的影響，是否會(huì)出現(xiàn)由于地表水不能及時(shí)排除而引起地下水位提高。當(dāng)構(gòu)筑物距離江、河、湖、海距離較近時(shí)，應(yīng)考慮江、河、湖、海的水位達(dá)到最高時(shí)對(duì)本構(gòu)筑物的影響。由于水池的標(biāo)高多為管道標(biāo)高控制，調(diào)整空間不大，故當(dāng)抗浮水位很高時(shí)，應(yīng)合理確定抗浮措施。3.合理確定抗浮措施《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》CECS138：20025.2.4條內(nèi)容為：當(dāng)水池承受地下水（含上層滯水）浮力時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算。驗(yàn)算時(shí)作用均取標(biāo)準(zhǔn)值，抵抗力只計(jì)算不包括池內(nèi)盛水的永久作用和水池側(cè)壁上的摩擦力，抗浮抗力系數(shù)不應(yīng)小于1.05。水池內(nèi)設(shè)有支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，還須驗(yàn)算支撐區(qū)域內(nèi)局部抗浮。此條表示為1.05Fwk<^Nwki+ygZGki式中：Fwk--地下水浮力標(biāo)準(zhǔn)值=PgV；Gki--建筑物自重及壓重標(biāo)準(zhǔn)值；Yg--永久荷載的影響系數(shù)，取0.9?1.0；NKi--抗拔構(gòu)件提供的抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值；由于池內(nèi)無(wú)水時(shí)為抗浮設(shè)計(jì)的不利工況，故抵抗力只計(jì)算不包括池內(nèi)盛水的永久作用。水池側(cè)壁的摩擦力大小與回填土土質(zhì)，施工措施和質(zhì)量等有關(guān)，故不宜控制，宜作為抗浮儲(chǔ)備。故不計(jì)水池側(cè)壁上的摩擦力。由抗浮計(jì)算公式可知，抗浮的兩個(gè)思路為增加重量及增加抗拔措施，即主要分為'壓”和"拉”兩大類(lèi)，"壓”法主要有加大自重抗浮、頂部壓重、池底設(shè)置配重抗??；"拉”法是水池構(gòu)件與可靠地基之間通過(guò)抗拔樁或錨桿來(lái)抗浮。這些方法各有特點(diǎn)，有不同適應(yīng)條件，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在初步設(shè)計(jì)中仔細(xì)分析、多方比較，根據(jù)土質(zhì)、環(huán)境的不同，結(jié)合地域經(jīng)驗(yàn)和施工單位技術(shù)情況選用不同的抗浮措施。下圖為水池考慮抗浮時(shí)的抗浮力示意圖：其中：G1為池體自重；G2為池內(nèi)壓重；G3為池壁外挑墻址上壓重；G4為池頂壓重；G5為池底配重；N1為池底抗浮樁或錨桿的抗拔力。3.1自重抗浮自重抗浮即通過(guò)提高池體結(jié)構(gòu)自重G1來(lái)達(dá)到抗浮的目的。此種方法一般適用于水池自重與地下水浮力相差不大的情況下。增加自重一般通過(guò)增加水池池壁厚度或增加底板厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣會(huì)增加混凝土用量。當(dāng)設(shè)計(jì)水池截面較小，配筋率相對(duì)較大時(shí)，此做法最為經(jīng)濟(jì)適用，既降低了池壁配筋率，又增加了安全性，使設(shè)計(jì)更加合理，且增加的造價(jià)不大，可以接受。若原水池截面較大，配筋率較小或接近最小配筋率時(shí)，使用此方法會(huì)造成造價(jià)增大很多，因?yàn)槌乇诩暗装宓暮穸仍龃?，還需要滿(mǎn)足最小配筋率的要求，勢(shì)必造成混凝土用量及鋼筋用量大幅度增加。此方法不會(huì)造成水池底板的應(yīng)力增加，也不會(huì)造成降水的費(fèi)用增加，是比較簡(jiǎn)單的處理方法。根據(jù)工程實(shí)踐，在自重與地下水浮力相差在10%以?xún)?nèi)的情況下，通過(guò)增加結(jié)構(gòu)自重抗浮具有較好的經(jīng)濟(jì)性。若自重與地下水浮力相差達(dá)20%，永久荷載的影響系數(shù)取0.95?？紤]到1.05的抗浮系數(shù)及由于結(jié)構(gòu)尺寸加大新增的浮力，結(jié)構(gòu)自重需增加的量一般可表達(dá)為：0.2G1x25x0.95x1.05/（25x0.95-10）=0.35G1可見(jiàn)此時(shí)池體需加重35%以上才能滿(mǎn)足抗浮，此時(shí)應(yīng)考慮結(jié)合其它措施抗浮，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的效果。3.2壓重抗浮壓重抗浮是通過(guò)在池內(nèi)配重、池頂壓重或池底外挑墻趾上壓重來(lái)抗浮。池內(nèi)配重一般需將池體加深，在池內(nèi)填筑素混凝土或漿砌塊石等其它材料（增加G2）來(lái)達(dá)到抗浮的目的。此法增加了基坑深度和池壁高度，會(huì)增加施工降水量、土方量及混凝土量，但由于配重直接作用于水池底板，故一般不會(huì)增加池底所受的不均勻荷載反力，對(duì)底板的內(nèi)力計(jì)算影響較小，總體來(lái)說(shuō)鋼筋量增加不大。池底外挑墻趾上壓重是將底板做成外挑形式，在外挑墻趾上填筑毛石等自重較大的材料或利用回填土自重（增加G3）來(lái)抗浮。若直接利用回填土，考慮到回填土的不均勻性及填挖的不確定性，一般應(yīng)乘0.8~0.9的折減系數(shù)。它常用于一般中小型（周長(zhǎng)與面積之比相對(duì)較大）的水池抗浮，對(duì)于平面尺寸較大的水池效果不明顯，對(duì)需考慮局部抗浮的水池也無(wú)較大提升。此法由于增加了外挑墻趾的壓重，增加了底板的端部應(yīng)力，對(duì)底板設(shè)計(jì)有一定影響，對(duì)施工降水及土方量的也有一定的增加量，對(duì)于平面面積較小的水池，經(jīng)濟(jì)性較好。池頂壓重是指在水池頂部增加覆土或壓重（增加G4）來(lái)抗浮，常用于埋地式水池或半埋地的水池。采用此法，對(duì)于埋地式水池，可考慮美觀，在覆土上種植綠化。如果規(guī)劃不能使池頂凸出自然地面或半地下水池頂部不可以加高時(shí)，則需要將水池標(biāo)高下落，基坑加深，施工降水量增加，池頂、池壁、底板的荷載均增加，勢(shì)必增加結(jié)構(gòu)的截面及配筋。當(dāng)可以凸出地面或半地上式頂部可以加高時(shí)，只需增加壓重即可，此時(shí)頂板的荷載增加，也會(huì)增加整個(gè)結(jié)構(gòu)的截面及配筋。3.3池底設(shè)置配重抗浮池底設(shè)置配重池是指在水池基礎(chǔ)底板以下設(shè)配重混凝土抗?。ㄔ黾覩5），通過(guò)底板與配重混凝土的可靠連接來(lái)滿(mǎn)足抗浮要求。此法原理與壓重抗浮基本一致，但不增加池壁高度，只增加基坑深度，受力與原結(jié)構(gòu)變化不大，有不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)性。但施工要求高，其配重材料一般應(yīng)采用標(biāo)號(hào)不小于C15的混凝土，需要保證底板與配重混凝土的可靠連接，具體做法可在底板與配重混凝土間設(shè)置拉結(jié)短鋼筋，實(shí)現(xiàn)其共同工作。3.4打抗拔樁抗浮或打錨桿抗浮抗拔樁抗浮或打錨桿抗浮對(duì)池體的受力情況相似，它們是通過(guò)樁或錨桿的抗拔力N1來(lái)抗浮。此類(lèi)方法對(duì)大體積水池的抗浮相當(dāng)有效，它不僅能滿(mǎn)足池體的整體抗浮，還能通過(guò)合理布樁或錨桿，很好地解決大形水池的局部抗浮問(wèn)題。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94-2008規(guī)范中抗拔樁的計(jì)算公式Nk<Tgk/2+Ggp （5.4.5-1）Nk<Tuk/2+Gp （5.4.5-2）Tgk=（1/n）ul>入iqsikli （5.4.6-2）Tuk=2入iqsikulli （5.4.6-1）Nk為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合的計(jì)算的基樁拔力八i為抗拔系數(shù)Qsik為樁側(cè)表面第i層抗壓極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值ul為樁身周長(zhǎng)li為樁周第i層土厚度從上述計(jì)算公式中可以看出基樁的抗拔力只與土的樁側(cè)阻力有關(guān)，與樁端阻力無(wú)關(guān)，故抗拔樁無(wú)需打入硬持力層?？拱螛兑瞬捎眯≈睆綐叮?yàn)闃稄皆叫t同體積樁體的表面積越大，摩擦力也越大，經(jīng)濟(jì)效果越好。由于大部分水池為平板基礎(chǔ)，若單樁抗拔力過(guò)大，對(duì)底板的集中荷載作用明顯，必須進(jìn)行局部加強(qiáng)或改變底板結(jié)構(gòu)形式才能承受抗拔力，這樣使造價(jià)進(jìn)一步增加。所以，抗拔樁一般宜選用樁徑較小，單樁抗拔力相應(yīng)較小的樁進(jìn)行密布，這樣使水池底板受力均勻，對(duì)水池的局部抗浮也很有利。錨桿抗浮根據(jù)地質(zhì)情況分為巖石錨桿和土層錨桿二種。巖石錨桿適用于基礎(chǔ)直接座落于基巖上的情況，計(jì)算公式按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-20118.6節(jié)內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，由于錨桿直接插入基巖灌漿，巖石錨桿的抗拔力較大，故此時(shí)錨桿有很好的經(jīng)濟(jì)性與安全性。而設(shè)置在一般土層中則為土層錨桿，計(jì)算公式采用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB50330-20138.2節(jié)內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算。土錨桿的錨固段不應(yīng)設(shè)置在未經(jīng)處理的有機(jī)質(zhì)土、淤泥質(zhì)土、液限大于50%的土層及松散的砂土或碎石土中。影響土層錨桿抗拔力的因素比較多，如土層的密實(shí)度及鋼筋與砂漿之間的粘結(jié)強(qiáng)度等，對(duì)設(shè)計(jì)和施工的要求也比較高。采用錨桿技術(shù)造價(jià)相對(duì)于抗拔樁較低，同時(shí)錨桿的布置密度相比抗拔樁較密，對(duì)池底板的整體作用更接近于均布荷載，使水池底板的應(yīng)力更加均勻?？拱螛妒┕し椒▽儆诔Ｒ?guī)技術(shù)，應(yīng)用廣泛，易于控制質(zhì)量，較為常用。而錨桿施工具有一定的專(zhuān)業(yè)性，其漿液的配制及施工過(guò)程的技術(shù)控制對(duì)錨桿的抗拔效果有決定性作用，所以應(yīng)由專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍施工。當(dāng)水池座落于軟弱土層上時(shí)，抗拔樁應(yīng)結(jié)合承重樁和沉降控制樁一起設(shè)計(jì)，可具有很好的經(jīng)濟(jì)性?？拱螛杜c錨桿的設(shè)計(jì)與地質(zhì)情況關(guān)系重