■能源与环保 积鼍蔗谢 某水厂池体抗浮验算分析与处理 钱盛华 （嘉园环保有限公司，福建福州３５０００３） ２０１６生 摘要在污水厂建设期间，如何选择一种经济合理、确保构筑物稳定、施工快捷简便的抗浮处理措施是每个项目 前期设计重点考虑的。简单介绍了构筑物抗浮稳定验算方法及抗浮方案，并结合工程实例进行了分析与处理。 关键词地下水；抗浮；抗拔桩；整体模型 Ｏ引言 当前，在污水厂建设不断增加时，地下构筑物的应用也 越来越广泛，抗浮问题日益突出，抗浮措施种类繁多。如何选 择一种经济合理、确保构筑物稳定、更适用于地下水位年变 化幅度、施工快捷简便的抗浮处理措施是每个项目前期设计 重点考虑。本文简单介绍构筑物抗浮稳定验算方法及抗浮方 案，并结合工程实例进行分析与处理。 １抗浮穗定验算方法与抗浮方案 当池底板面处于地下水位以下，或位于地表滞水层内而 又无排水措施时，地下水或地表滞水会对水池产生浮力。当 水池处于空池状态时，由于水池自重不能满足抗浮要求，或 猛下暴雨致地下水位突然增高产生浮力增大，水池有可能被 水浮力托起或池底板和顶板被浮力顶裂的危险。此时，应对 水池进行抗浮稳定验算。 １．１有关抗浮设计的现行规范规定 （１）《高层建筑混凝土结构技术规程》指出：地下室应满 足整体抗浮要求，可采取排水、加配重或设置抗拔锚桩（杆） 等措施。 （２）《建筑地基基础设计规范》指出：建筑地下室或地下 构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算。基础抗浮稳定 时，作用效应应按承载能力极限状态下作用的基本组合，但 其分项系数均为１．０。 （３）《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》指 出：当水池承受地下水（含上层滞水）浮力时，应进行抗浮稳 定验算。验算时作用均取标注值，抵抗力只计算不包括池内 盛水的永久作用和水池侧壁上的摩擦力，抗浮抗力系数不应 小于１．Ｏ５，水池内设有支承结构时，还须验算支承区域内局 部抗浮。 １－２水池抗浮稳定验算方法 在施工期，水池抗浮应按空池状况考虑，先进行整体抗 浮验算，再根据池体结构布置进行抗浮力分布均匀性（局部 抗浮）验算。 ·１００· （１）整体抗浮稳定验算。进行水池整体抗浮稳定验算是 为了使水池不至于整体向上浮动。其验算公式为： （ ＋Ｇ ）＿，（Ｐ ’Ａ）≥１．０５ （１） 式中： 为水池自重标准值； 为池顶覆土重标准值；Ａ 为池底面积；Ｐ 为池底面单位面积上的地下水托浮力，按下 式计算： Ｐｈｍ＝ Ｗ ｍ（Ｈｄ＋ｈ ）‘ ｍｄ （２） 式中： 为浮托力折减系数；Ｈｄ＋ｈ 为由池底面算起的 地下水高度，见图１。 图１水池荷载 针对 的取值，《给水排水工程构筑物结构设计规范》 规定对非岩质地基取１．０；对岩石地基应按其破碎程度确定； 当基底设置滑动层时，应取１．０。 （２）局部抗浮稳定性验算。对有中间支柱的封闭式水池 或中间隔墙的敞开式水池，在式（１）得到满足下，由于池体构 件分布不均匀，通过外池壁承受的抗浮力在总抗浮力中所占 比例过大，每个支柱（每片隔墙）所承受的抗浮力过小，则均 布在底板下的水浮力有可能使得中间支柱（隔墙）发生轴向 上移而形成图２所示的变形，可能使得顶板或底板被顶裂甚 至破坏。为避免这种状况，尚应按下式验算抗浮力分配的均 匀性： （甑＋甑１ｋ＋ｇ姚＋Ｇｄ／Ａ ，Ｐ ≥１．０５ （３） ■能源与环保 翘：Ｉ乏建前 ２０１６车 不满足要求，需采取措施进行抗浮。 （３）承载力验算分析。池底板地基应力：（Ｇｆｋ＋Ｇ ±） ／Ａ＋９Ｏ＝１４２．４ ｋＰａ ３ＭＰａ，且在池底板底设置一层３００ｍｍ厚的级配砂石褥垫层。 单桩承载力特征值 、于１５０ｋＮ，复合地基承载力不小于１ １５ｋＰａｏ 水池配重厚度：（１．０５—０．６４）×３７／２２＝Ｏ．６９ｍ，取０．７ｍ，满 （４）地基处理方案分析。拟建水池持力层为粉质粘土层， 地基承载力为８０ｋＰａ，修正后也不满足池底板地基应力 １４２．４ｋＰａ，须进行地基处理。用于软土地基处理方法有：换填 足池体局部抗浮。 此方案处理较彻底，但水泥搅拌桩属于半刚柔性桩，在 满足地基承载力需要时，增加桩长并不能提高地基承载力。 为了便于施工与降低造价，水泥的掺入量大部分控制在１５％ 法、预压法、强夯置换法、ＣＦＧ桩、水泥土搅拌桩法、注浆法 等，结合本ｌ丁程特点、设计要求及地基处理方法的适用范围， 采用如下方案分析： 左右。实践证明，在此种掺人比下，在软土中，桩体无侧限抗 压强度（现场平均值）仅能保持在１．０ＭＰａ左右，常形成桩身 （１）换填法＋水池配重抗浮法。即将基础下一定范围内 的土层挖去，然后回填以强度较高、性能稳定、具有抗侵蚀性 的砂、碎石、素土、灰土、煤渣等材料，并夯实至密实。本池体 底板宽度较大，换填土层厚度小于１／４基础宽度，地基压力扩 散角０取０。，需对粉质粘土进行换填，换填厚度取４ｍ。 水池配重厚度：ｈ≥（１．０５—０．６４）×３７／２２－－－０．６９ｍ，取０．７ｍ， 满足池体局部抗浮。 此方案缺点：池体配重砼量大，土方量大，施工降水费用 高，基坑支护费用也高，而且不能解决由深层土层软弱造成 地基变形量大的缺点，同时换填土自重增大对下部土层产生 的长期变形依然很大。此方案性价比较低。 （２）深层搅拌法＋水池配重抗浮法。深层搅拌法是利用 强度控制承载力，土的抗力不能完全发挥作用的不合理模 式。缺点是池体配重砼量大，搅拌桩施工质量控制差，地基沉 降量较大，工期长（需压桩检测）。 （３）筏板基础下桩基方案。如前所析，池底板计算有两种 工况：一种池体在运行时承受的水荷载工况，由于地基土为 软弱土，采用弹性地基梁板方法进行内力分析。具体做法：将 上部结构、筏板（池底板）、桩基和地基整体建模，考虑其相互 作用，分析计算。另一种空池维修时承受的浮力工况，由于池 体自重无法满足局部抗浮稳定，需设置锚杆抗浮，计算时水 浮力从下往上施加于底板，并考虑锚杆刚度对底板约束作用。 根据项目勘察报告，结合本地区成熟的施工经验，拟建 池体采用预制管桩，桩型为ＰＨＣ５００—１００（ＡＢ型），以（６）层粉细 砂层作为桩端持力层，桩长２４．６ｍ，分两节，每节１３ｍ，共设置 １６６根桩。采用ＰＫＰＭ软件整体建模，用厚筏板单元模拟底 水泥、石灰等材料作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，就 地将软土和固化剂强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水 稳性和一定强度的加固体，从而提高地基土强度和增大变形 模量。本Ｔ程采用单轴深层搅拌水泥土桩进行处理，桩径 ０，５ｍ，桩距１．２ｍ，正方形布置，桩长７．０ｍ，持力层为粉砂夹粉 质粘土，总共布置ｌ １７０根桩，水泥土抗压强度等级不小于 板，在筏板下布置桩基进行整体计算分析，桩基计算结果如 下：最小桩间距２ｍ；标准组合下桩最大竖向反力１４５７ｋＮ；水 浮力作用下桩最大抗拔力２９４ｋＮ。 （４）方案经济技术分析如表２。 表２不同地基处理（基础）方案经济技术比较 Ｉ【１｜ｋ／２＋（ ｐ＝６５６＋８０＝ ７３６ｋＮ ｏ ２．４单桩承载力计算 ②当正常使用极限状态下，预应力管桩按一级裂缝控制 时，管桩抗拔力不大于有效预压力，管桩就不会因受拉出现 （１）满水竖向承载力工况。本池体平面形状简单、规则， 质量、刚度分布均匀．上部荷载布置比较均匀，荷载效应作用 点与群桩形心基． 重合，偏心力可忽略不计。桩基近似按照 轴心竖向力作用计算承载力。单桩竖向承载力特征值： Ｒａ＝ Ｙ￣ｑｓｉｋ×ｌ＋ｑｐｋ×Ａｐ＝ｌ０３９＋４７１：ｌ５１０ｋＮ 裂缝。故，由《预应力混凝土管桩》图集（以下简称“图集”）第 ｌ６页表可知：标准组合计算的桩身抗裂拉力Ｎｋ≤８５５ｋＮ。 ③管桩桩身轴心受拉承载力。管桩桩身轴心受拉承载 力设计值，查图集第ｌ６页表，『Ｎ］＝８４２ｋＮ。 ④桩顶与承台连接时，采用６根直径１８ｍｍ的普通三级 钢连接，则钢筋抗拉承载力为：Ｎｋ＝ｆｙ×Ａｓ／１．４＝３９２ｋＮ 综上所述，本单体采用预制管桩，桩型（下转第４页） （２）空池抗浮：【况。 ①参照《建筑桩基技术规范》５．４．５条，抗拔系数按表１ 取，单群桩呈非整体破坏时，桩基抗拔承载力特征值为： ·１Ｏ２· ●试验研究 勰莲蓬嘶 究Ｕ】＿化学建材，２００３（３）． 学学报：自然科学版，２００２（２）． ２０１６生 形的不利影响由小到大依次为聚羧酸系、萘系、脂肪族系；对 混凝土后期收缩变形的不利影响由小到大依次为脂肪族系、 聚羧酸系、萘系。虽然萘系高效减水剂是目前使用最多的高 效减水剂，但是从减小混凝土变形的角度出发，在混凝土生 【５】胡建华．萘系高效减水剂的合成和性能研究Ⅱ】．复旦大 【６】王子明，吴霖秀．脂肪族磺酸盐高效减水剂性能与应用研 究Ⅱ】．建筑技术，２００４，３５（１）：４５—４６． 产中应该慎用萘系高效减水剂，而聚羧酸系高性能减水剂是 应用前景较好的高效减水剂。 【７】黄世谋．脂肪族高效减水剂的合成及工艺优化研究【Ｄ】． 西安建筑科技大学，２００９． 【８］崔晔婷．脂肪族高效减水剂的合成及作用机理研究【Ｄ】． 北京工业大学，２００４． ［９】王毅，温金保，赵晖．脂肪族高效减水剂的应用性能研究 卟工业建筑，２００６（１）：９１７—９１９． 【１０］张瑞艳．聚羧酸高效减水剂的合成及作用机理研究【Ｄ】． （３）对高效减水剂增缩的机理分析表明：掺入高效减水 剂后，使得原先被水泥絮凝结构所包裹的那一部分水释放出 来，浆体数量不变，浓度降低。混凝土中游离水增多，流动性 增大，黏聚性和保水性变差。硬化后混凝土的密实度降低，闭 合孑Ｌ逐渐向开口孑Ｌ变化，在混凝土内部形成连通孔隙，较基 准组更容易失水，从而增大了混凝土的收缩变形。 相比而言，萘系高效减水剂表面活性较低，脂肪族磺酸 盐高效减水剂表面活性较高，聚羧酸系高性能减水剂表面活 性高。减水剂表面活性越低越容易失水，收缩变形也就越大。 （４）掺加萘系缓凝型高效减水剂混凝土试件１ １４天收 缩率占总收缩率的７８．８％；掺加脂肪族磺酸盐高效减水剂混 凝土试件１～１４天收缩率占总收缩率的８７．６％；掺加聚羧酸 系缓凝型高性能减水剂混凝土试件１—１４天收缩率分别占 总收缩率的６２．９％。显而易见，混凝土的早期变形更加突出， 后期比重有所降低。因此，在工程实际中应该特别加强早期 的养护。当然也要尽可能延长混凝土养护龄期来防控混凝土 裂缝的发展。 北京：北京工业大学，２００５． ［１１】郭睿，朱军峰，李慧．聚羧酸高效减水剂的分子设计与合 成及性能表征Ⅱ１．新型建筑材料，２００５（８）：１－１４． 【１２】王子明．聚羧酸系高性能减水剂——制备、性能与应用 【Ｍ】．北京：中国建筑工业出版社，２００９． 【１３】马清浩．预拌混凝土聚羧酸减水剂研制与应用【Ｍ】．北 京：中国建筑工业出版社，２０１０． ［１４】阮承祥．混凝土外加剂及其工程应用【ＭＪ．哈尔滨工程 大学，２０１２ 【１５】蒋亚青．混凝土外加剂应用基础【Ｍ】．北京：化学工业出 版社．２０１１． 【１６］马保国，谭洪波，徐永和．不同减水剂对水泥水化的作用 机理研究ＩＪ］．混凝土与水泥制品，２００７（５）：６－８． 【１７】李荣茂．浅谈减水剂对混凝土收缩的影响Ｕ］．云南水力 发电，２００７，２３（２）：７３—７６． 参考文献 【１】王子明，王亚丽．混凝土高效减水剂［Ｍ］．北京：化学工业 出版社．２０１１． 【１８】姚燕．高性能混凝土的体积变形及裂缝控制【Ｍ】．北京： 中国建筑工业出版社，２０１１． 作者简介：胡红梅，女，１９６２年出生，硕士学历，教授，从 事高性能混凝土、新型建筑材料及固体废弃物建材资源化利 用研究。 【２１李艳．萘系和聚羧酸系减水剂的合成及性能的研究【Ｄ】． 大连理工大学，２００５． 【３】程鹏．萘系高效减水剂生产过程的环境保护Ⅱ】．安徽科 技，２００６（７）：４２—４３． 【４】孔庆刚，卞荣兵．萘系高效减水剂合成工艺改进的应用研 （上接第１０２页） 为ＰＨＣ５００—１００，单桩竖向承载力及抗拔承载力特征值分别 为１５００ｋＮ与３９０ｋＮ。 参考文献 ３结论 本工程已于２０１２年建成并投入使用，在空池安装阶段， 池体及顶板未因池外水浮力而向上凸起；在满水运行期，池 ［１１ ＧＢ５０００７—２０１１建筑地基基础设计规范【］ｓ】 ［２】ＪＧＪ９４—２００８建筑桩基技术规范【ｓ］北京：中国建筑工业出 版社，２ｕ ．．．．． ．．．．。． 体也没出现沉降 实践证日月．此次基础方案设计及分析 是合理与可行的。通过本项目案例分析，可知地下水浮力对 污水厂结构影响较大，池体除了要满足整体抗浮稳定要求， 还需考虑局部抗浮问题。在设计阶段，设计人员要进行多种 方案比较，找到一·种适合于项目实施的设计方案，以便于项 目能更好、更快、更经济地实施。 一计手册（第二版）ｆＭ】中国建筑工业出版社，２ｏｏ７ 『５１中国建筑标准设计研究院编制国家建筑标准设计图集． ．篡 萎萎篆排水工程结榭设 ．预应力混凝土管桩『Ｍ１北京：中国计划出版社，２０１０ ［６】ＧＢ５００６９—２００２给水排水工程构筑物结构设计规范［ｓ】 ·４·
