水池的抗浮設(shè)計

水池的抗浮設(shè)計摘要:在給排水構(gòu)筑物的設(shè)計中，水池的結(jié)構(gòu)計算固然重要，水池的抗浮設(shè)計同樣重要，直接影響水池的結(jié)構(gòu)布置方案，影響整個水池的造價。故針對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)濟性、可行性上進行分析。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)計中經(jīng)常遇到的問題。當水池內(nèi)無水的工況為抗浮設(shè)計最不利的工況，如果浮力大于水池抗浮力，水池就會漂浮起來，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)計的關(guān)鍵?？垢〈胧┲饕譃?壓”和"拉”兩大類，"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抗拔樁或錨桿的拽來抗浮。這些方法各有特點，有不同適應(yīng)條件，設(shè)計人員應(yīng)在設(shè)計中仔細分析、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)計中抗浮設(shè)計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)計的前提，地下水對于水池是一種荷載，直接影響水池的結(jié)構(gòu)。在水池無法滿足靠自身重量抗浮時，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)選型錯誤及抗浮不夠等工程事故時有發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)行國家設(shè)計規(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)計均取用水文資料的最高地下水位。在50年設(shè)計基準期內(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)計統(tǒng)一標準”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，而僅反映勘測期間的地下水位情況。如果詳勘在當?shù)乜菟谶M行，所提供的地下水位標高將無法被設(shè)計取用，或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)計算的失誤。所以設(shè)計人員應(yīng)詳細了解當?shù)氐乃那闆r，對未滿足設(shè)計要求的地質(zhì)勘察報告予以補充。要求考慮當?shù)赜袩o暴雨、臺風的影響，是否會出現(xiàn)由于地表水不能及時排除而引起地下水位提高。當構(gòu)筑物距離江、河、湖、海距離較近時，應(yīng)考慮江、河、湖、海的水位達到最高時對本構(gòu)筑物的影響。由于水池的標高多為管道標高控制，調(diào)整空間不大，故當抗浮水位很高時，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)計規(guī)程》CECS138：20025.2.4條內(nèi)容為：當水池承受地下水（含上層滯水）浮力時，應(yīng)進行抗浮穩(wěn)定驗算。驗算時作用均取標準值，抵抗力只計算不包括池內(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，還須驗算支撐區(qū)域內(nèi)局部抗浮。此條表示為1.05Fwk<^Nwki+ygZGki式中：Fwk--地下水浮力標準值=PgV；Gki--建筑物自重及壓重標準值；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準值；由于池內(nèi)無水時為抗浮設(shè)計的不利工況，故抵抗力只計算不包括池內(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，宜作為抗浮儲備。故不計水池側(cè)壁上的摩擦力。由抗浮計算公式可知，抗浮的兩個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，"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抗拔樁或錨桿來抗浮。這些方法各有特點，有不同適應(yīng)條件，設(shè)計人員應(yīng)在初步設(shè)計中仔細分析、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提高池體結(jié)構(gòu)自重G1來達到抗浮的目的。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。增加自重一般通過增加水池池壁厚度或增加底板厚度來實現(xiàn)，這樣會增加混凝土用量。當設(shè)計水池截面較小，配筋率相對較大時，此做法最為經(jīng)濟適用，既降低了池壁配筋率，又增加了安全性，使設(shè)計更加合理，且增加的造價不大，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，使用此方法會造成造價增大很多，因為池壁及底板的厚度增大，還需要滿足最小配筋率的要求，勢必造成混凝土用量及鋼筋用量大幅度增加。此方法不會造成水池底板的應(yīng)力增加，也不會造成降水的費用增加，是比較簡單的處理方法。根據(jù)工程實踐，在自重與地下水浮力相差在10%以內(nèi)的情況下，通過增加結(jié)構(gòu)自重抗浮具有較好的經(jīng)濟性。若自重與地下水浮力相差達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為：0.2G1x25x0.95x1.05/（25x0.95-10）=0.35G1可見此時池體需加重35%以上才能滿足抗浮，此時應(yīng)考慮結(jié)合其它措施抗浮，以達到經(jīng)濟合理的效果。3.2壓重抗浮壓重抗浮是通過在池內(nèi)配重、池頂壓重或池底外挑墻趾上壓重來抗浮。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）來達到抗浮的目的。此法增加了基坑深度和池壁高度，會增加施工降水量、土方量及混凝土量，但由于配重直接作用于水池底板，故一般不會增加池底所受的不均勻荷載反力，對底板的內(nèi)力計算影響較小，總體來說鋼筋量增加不大。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（周長與面積之比相對較大）的水池抗浮，對于平面尺寸較大的水池效果不明顯，對需考慮局部抗浮的水池也無較大提升。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，對底板設(shè)計有一定影響，對施工降水及土方量的也有一定的增加量，對于平面面積較小的水池，經(jīng)濟性較好。池頂壓重是指在水池頂部增加覆土或壓重（增加G4）來抗浮，常用于埋地式水池或半埋地的水池。采用此法，對于埋地式水池，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，則需要將水池標高下落，基坑加深，施工降水量增加，池頂、池壁、底板的荷載均增加，勢必增加結(jié)構(gòu)的截面及配筋。當可以凸出地面或半地上式頂部可以加高時，只需增加壓重即可，此時頂板的荷載增加，也會增加整個結(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），通過底板與配重混凝土的可靠連接來滿足抗浮要求。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，有不錯的經(jīng)濟性。但施工要求高，其配重材料一般應(yīng)采用標號不小于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池體的受力情況相似，它們是通過樁或錨桿的抗拔力N1來抗浮。此類方法對大體積水池的抗浮相當有效，它不僅能滿足池體的整體抗浮，還能通過合理布樁或錨桿，很好地解決大形水池的局部抗浮問題。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)標準組合的計算的基樁拔力八i為抗拔系數(shù)Qsik為樁側(cè)表面第i層抗壓極限側(cè)阻力標準值ul為樁身周長li為樁周第i層土厚度從上述計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)，與樁端阻力無關(guān)，故抗拔樁無需打入硬持力層?？拱螛兑瞬捎眯≈睆綐?，因為樁徑越小則同體積樁體的表面積越大，摩擦力也越大，經(jīng)濟效果越好。由于大部分水池為平板基礎(chǔ)，若單樁抗拔力過大，對底板的集中荷載作用明顯，必須進行局部加強或改變底板結(jié)構(gòu)形式才能承受抗拔力，這樣使造價進一步增加。所以，抗拔樁一般宜選用樁徑較小，單樁抗拔力相應(yīng)較小的樁進行密布，這樣使水池底板受力均勻，對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，計算公式按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-20118.6節(jié)內(nèi)容進行計算，由于錨桿直接插入基巖灌漿，巖石錨桿的抗拔力較大，故此時錨桿有很好的經(jīng)濟性與安全性。而設(shè)置在一般土層中則為土層錨桿，計算公式采用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB50330-20138.2節(jié)內(nèi)容進行計算。土錨桿的錨固段不應(yīng)設(shè)置在未經(jīng)處理的有機質(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，如土層的密實度及鋼筋與砂漿之間的粘結(jié)強度等，對設(shè)計和施工的要求也比較高。采用錨桿技術(shù)造價相對于抗拔樁較低，同時錨桿的布置密度相比抗拔樁較密，對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業(yè)性，其漿液的配制及施工過程的技術(shù)控制對錨桿的抗拔效果有決定性作用，所以應(yīng)由專業(yè)隊伍施工。當水池座落于軟弱土層上時，抗拔樁應(yīng)結(jié)合承重樁和沉降控制樁一起設(shè)計，可具有很好的經(jīng)濟性?？拱螛杜c錨桿的設(shè)計與地質(zhì)情況關(guān)系重