地下室抗浮验算各参数取值的商榷

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   通过最近几年接触的地下工程设计,发现同仁们在抗浮设计过程中对一些参数的确定还不太明确,在此,笔者就正在设计的项目谈谈在地下工程抗浮设计中的一点想法和建议。
  关 键 词地下工程;抗浮验算;分项系数;抗浮水位;取值
  Abstract Through contact with underground engineering design in recent years, colleagues in the anti-floating design process find that some of the parameters is not yet clear, writer point out the works point of ideas and suggestions in the project which being designed.Key words underground works; checking anti-floating; sub-coefficient; anti-floating water level; value
   中图分类号TU92 文献标识码A文章编号2095-2104(2012)05-0020-02
  
   前言
   随着城市用地供应日渐减少,人们对生活居住求不断提高,近年来城市中地下车库、水池、商场、储液罐等地下建(构)筑物日趋增多。从而给我们设计人员带来的一个重问题就是解决地下构筑物的抗浮设计问题。这种构筑物若在设计中未充分考虑,在施工期间或使用过程中往往会产生上浮现象。笔者正在做的项目(广东顺德地区),两层地下室,由于部分区域地下室上部无裙楼,若不对此区域进行抗浮处理,局部抗浮验算则不能通过。在设计时采用打抗浮桩及抗拔锚杆来抵抗水浮力,这时就涉及分项系数的取值问题,若取值不当,就会造成结构不安全或严重浪费问题。此类事件警示我们设计人员在地下构筑物设计过程中应周密考虑、仔细计算水浮力。
  而在现行国家建筑结构类规范中没有明确给出抗浮设计计算中各参数的具体含义解释及其分项系数的取值。在《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2001)-3.2.5和《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)-7.3.2以及《高层建筑岩土工程勘察规范》(JGJ 72-2004)-8.6(地下室抗浮评价)中有所提及。且在《建筑结构荷载规范》条文说明3.2.5中提到了分项系数的取值情况。但都没有给出具体的验算表达式。经笔者参阅大量资料以及具体工程中抗浮验算总结,现以下式表示地下构筑物抗浮稳定性验算
   αG/βF≥γ
   其中
   G-地下构筑物其上作用的永久荷载标准值的总和
   F-地下水浮力,(F=ψ×10×H0)
   α-G的分项系数
   β-F的分项系数
   γ-安全系数
   ψ-浮力折减经验系数
   H0-抗浮水头
   由于各地区差异以及每个人对规范理解不同,现在工程抗浮验算中出现了各种取值版本,现举几组如下
  
  
  1.1先分析一下各参数的取值情况
   1.1.1α取值的分析在荷载规范里提到对结构的倾覆、滑移或漂浮验算,当其效应对结构有利时α应取0.9。对地下构筑物及其上部荷载而言,有必分析其组成材料的物理指标,由于地下构筑物及其上部永久荷载基本上是钢筋混凝土及填充墙或部分覆土。而素混凝土的容重是22~24KN/m3,钢筋混凝土的容重是24~25KN/m3,填充墙的容重一般也达不到设计时采用的容重。而且在荷载规范条文说明中还提到由于永久荷载效应所占比重的增大可靠度会严重降低,且建议此分项系数宜取小于1,还建议在验算结构倾覆、滑移、漂浮时采用0.9或更小(实际工程不同材料或历史经验不同),以提高结构的可靠性。笔者认为在表一中取1.0是不妥的。
   1.1.2β取值的分析在以往设计过程中,很多同仁对地下水浮力是永久荷载还是可变荷载有争议。但在《全国民用建筑工程设计技术措施-结构》中提到“水位不急剧变化的水压力按永久荷载考虑;水位急剧变化的水压力按可变荷载考虑。”对此,“水位变化”又引发了一轮争议,所以只有结合工程当地的地下水文情况和地质勘察资料来定夺是按永久荷载还是按可变荷载考虑。若把地下水浮力当作可变荷载考虑,分项系数β自然就取1.4,这一点规范很明确的。笔者经过不完全咨询统计,有大部分同仁把地下水浮力按永久荷载考虑。若把地下水浮力当作永久荷载(对结构不利且起控制作用)考虑,则规范中给出的分项系数是1.35。然而在实际工程抗浮验算中,有很多设计院不取为1.35(表一中已列出)。他们认为取1.35是很不经济的,笔者也认为“1.35”是值得商榷的。因为地下构筑物是建在土中,所以地下构筑物四周的土对其还是有一定的嵌固、摩擦作用的。有些同仁建议土体对地下室侧墙的摩擦力可参照地勘提供的土对桩的侧摩阻力数据,但笔者认为两者还是有差异的,形象点说,打桩就像是往土中打入一钉子,而地下室就像是挖开土后放入一盒子,而后回填四周。由于回填时工艺、质量、时间等原因,回填土很难达到未扰动土的粘聚力及对地下室侧墙的摩擦嵌固效果,虽然此作用无法量化,但总还是有一定作用的。笔者认为β取“1.35”偏于安全,造成浪费。
   1.1.3γ取值的分析安全系数γ的取值取决于前面α和β的取值。若α和β都没做安全考虑,笔者认为还是在γ的取值上做点安全储备;若α和β已考虑了安全储备,笔者认为γ可取1.0(除对安全系数有特殊求)。
   1.1.4ψ取值的分析地下水浮力是按阿基米德原理,用静水压力公式F=γw×H0计算得来的。笔者认为这与实际作用在基底或墙体的水压力有一定差别。一般认为,在透水性较好的土层或节理发育的岩石地基中,计算结果即等于作用在基底的浮力。但是有大量实测资料表明由于渗透过程的复杂性,粘土中基础所受到的水浮力往往小于按静水压力直接算得的的水压力,故在具有地方经验或实测数据时,可进行一定折减。又有研究证明,非饱和土中空隙水压力是静水压力的75%。所以有部分同仁建议根据工程当地地质水文情况及历史经验,可取ψ=0.6~0.95。
   1.1.5H0取值的分析抗浮水头取决于抗浮水位的确定选取。而正确确定抗浮水位是一个牵涉巨额造价以及施工难度和周期的十分关键的问题。抗浮水位取低了,会有结构安全问题;取高了,会造成很大的浪费。所以抗浮水位的选取是非常重的。《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ 72-2004)-8.6.2明确提出了场地地下水抗浮设防水位的综合确定规定。在条文说明中提到“我国南方滨海和滨江地区,经常发生街道水浸现象,抗浮设防水位可取室外地坪标高。若承压水和潜水有水力联系时,应分别实测其稳定水位,取其中的高水位作为抗浮设防水位。”所以抗浮水位根据地质勘察单位提供的资料并结合工程所在地的历史水位变化情况来确定。
   第一组是北京市院及北京地区的一般做法,且在北京市院编制的《北京市建筑设计技术细则-结构专业》-3.1.8-5给出了明确的计算公式,且抗浮水位按最近三至五年的最高水位。
  第二组是广东省标准《地基基础设计规范》(DBJ15-31-2003)给出的地下室抗浮验算公式 W/F≥1.05。抗浮水位按建筑物设计使用年限内(包括施工期)可能产生的最高水位。
  第三组是按照规范求且把地下水浮力按可变荷载考虑取的分项系数。
  第四组是按照规范求且把地下水浮力按永久荷载考虑取的分项系数。
  第五组是《给排水构筑物结构设计规范》(GB50068-2002)给出的系数取值。
  笔者认为第一、二组虽然经济,但安全度不足;第三、四组虽然是严格按照规范取值,但偏于安全,不经济;第五组基本合理,只是在表达上有所变化。
  案例
  笔者正在设计的项目,由于地下室底板承受着11.8m的地下水左右(根据地质报告建议,抗浮设计水位建议取到室外地坪,也就是-0.3m),地下室底板800厚,地下一层板150厚,地下室顶板180厚,顶板上覆土500厚,因此仅由结构自重来抵抗水压力是不足以的。就8.4mx8.4m板跨计算设计分析,由结构自重产生的抗力标准值为2190KN,桩产生的抗力标准值为1300KN,抗拔锚杆产生的抗力标准值为6120KN,而由水压力产生的浮力标准值为6762KN;由第一、二、五组参数取值验算该计算区域局部抗浮均能满足规范求,但第一、二组参数算得的结构不安全。
   因此,笔者在对本工程的局部抗浮设计时参数取值,抗力分项系数(也就是α)采用0.9,水浮力的分项系数采用1.2,(也即地下构筑物抗浮稳定性验算公式可表达为 0.9×G/(1.2×F)≥1.05 公式)算得的浮力折减经验系数为1.07,既能满足规范的求,且较为合理。
  若换算一下公式中1.2×1.05/0.9=1.4;《给排水构筑物结构设计规范》中1.27×1.05=1.333。所以笔者认为公式中各分项系数的取值还是比较合理的。
  
  3、结语由于笔者水平有限,文中有不当之处还敬请各位同仁批评指正!
  参考文献
  1《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2001)
  2《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)
  3《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)
  4《高层建筑岩土工程勘察规范》(JGJ 72-2004)
  5广东省标准《地基基础设计规范》(DBJ15-31-2003)
  6杨瑞清朱黎心地下建筑结构设计和施工设防水位的选定与抗浮验算的探讨 工程勘察 2001
  注文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。