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有關(guān)于大型地下結(jié)構(gòu)抗浮樁設(shè)計研究

2008-05-16 11:13    【  【打印】【我要糾錯】

  摘 要:隨著國民經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展,促使城市建設(shè)的發(fā)展,地下空間的開發(fā)和利用越來越來越多,地下結(jié)構(gòu)的抗浮問題日益突出。文章簡述了各種地下結(jié)構(gòu)的抗浮措施,重點研究了抗浮樁的受力機(jī)理、設(shè)計計算方法及適用范圍。

  1、前 言

  近年來,隨著國民經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展,促使城市建設(shè)的發(fā)展,高層及超高層建筑的涌現(xiàn),基礎(chǔ)埋置越來越深,同時,作為車庫等功能的廣場式建筑的純地下室部分、裙房或相對獨(dú)立的地下結(jié)構(gòu)物(如下沉式廣場、地下車庫、地下鐵道等)的開發(fā)和利用越來越廣泛,由此,地下結(jié)構(gòu)物的抗浮問題日益突出。

  如何解決地下工程結(jié)構(gòu)物的抗浮問題目前已成為一個經(jīng)常面臨的問題。因地下水浮力作用或抗浮措施不當(dāng)而造成地下工程的破壞,在國內(nèi)已有不少的事例,如武漢果品公司舵落口地下冷庫、海軍航空兵上海市大場地下機(jī)庫、銀川及承德市的少數(shù)人防工程都因地下水浮力的作用造成不同程度的破壞。

  在我國沿海地區(qū)曾出現(xiàn)過多起因地下水浮力而導(dǎo)致地下室破壞的事故。在這些事故中,有的地下室底板隆起,導(dǎo)致底板破壞;有的地下建筑物整體浮起,導(dǎo)致梁柱結(jié)點處開裂及底板破壞等等。

  一般而言,地下室上浮的原因是結(jié)構(gòu)體重量及地下室側(cè)壁摩擦力之和小于水浮力所引起。上浮處理方法有抽水、解壓、加載及洗砂等方法配合運(yùn)用,其中以洗砂作業(yè)程序最復(fù)雜,常在其它方法處理失效后才使用。處理后,上浮的地下室很少能回沉至原高程,殘存的上浮量需借建筑收尾工程處理。由于地下室無法回沉至原高程,并且有些結(jié)構(gòu)在上浮時受到損壞,基礎(chǔ)底板下的空隙需另施做填縫灌漿填補(bǔ)之。

  地下室上浮的意外事件可能發(fā)生在各種地層中,包括透水性極低的軟件粘土層或極穩(wěn)定的卵石層中。低水位也不保證不會發(fā)生上浮,因地下水位可能因暴風(fēng)雨、地表逸流或施工不慎等因素突然升高,地下水浮力一旦超過結(jié)構(gòu)物重量及側(cè)壁摩擦力時則上浮隨之發(fā)生,建筑物將產(chǎn)生變形等破壞。不能保證正常使用中的安全,必須采取有效的處理措施。地下結(jié)構(gòu)物的抗浮問題成為影響結(jié)構(gòu)工程設(shè)計和工程投資效益的難題之一,并引起結(jié)構(gòu)工程師的重視和廣泛關(guān)注。

  在國內(nèi)外,關(guān)于抗浮設(shè)計這方面全面系統(tǒng)的研究和文獻(xiàn)資料并不多。結(jié)構(gòu)工程師們通常對此類情況感到十分的困惑,主要原因之一是有關(guān)的設(shè)計規(guī)范規(guī)程中未提出明確的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計依據(jù)在具體應(yīng)用時尚存在很多問題,引起很多的爭議。

  2、抗浮方法當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)物的自身重量(如頂板有覆土,也包括在內(nèi))不能抵抗地下水浮力時,地下結(jié)構(gòu)物則產(chǎn)生上浮,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形損壞,由此需進(jìn)行抗浮設(shè)計。

  工程抗浮設(shè)計包括整體抗浮驗算和局部抗浮驗算。通過整體抗浮驗算雖然可以保證地下結(jié)構(gòu)物不會整體上浮,但不一定能保證結(jié)構(gòu)物底板不開裂等變形現(xiàn)象,因此,還應(yīng)對結(jié)構(gòu)物底板進(jìn)行局部抗浮驗算。在具體的設(shè)計中應(yīng)根據(jù)工程特點、地質(zhì)情況、場地條件和環(huán)境等因素(如基坑的支護(hù)形式、基坑深度、基坑底的土層條件等),綜合考慮,因地制宜,選擇一個最佳有效的抗浮方案。

  2.1 增加自重法增加自重法包括頂板壓載、基板加載及邊墻加載等方法增加地下結(jié)構(gòu)物自身重量(即恒載),使其自身的重力始終大于地下水對結(jié)構(gòu)物所產(chǎn)生的浮力,確保結(jié)構(gòu)物不上浮。這種方法的優(yōu)點是施工及設(shè)計較簡單;缺點是當(dāng)結(jié)構(gòu)物需要抵抗浮力較大時,由于需大量增加混凝土或相關(guān)配重材料用量,故費(fèi)用增加較多。

  2.2 摩擦抗浮法土壤與地下結(jié)構(gòu)物間存在摩擦力,這種力量也可以抵抗地下結(jié)構(gòu)物的上浮。該力的大小依土壤的側(cè)壓力及各土層的摩擦情況而定。但是這種側(cè)壓力的大小很難準(zhǔn)確確定,所以它的可靠度不高,如需采用,其設(shè)計的安全系數(shù)應(yīng)當(dāng)提高,并且要在地下結(jié)構(gòu)物有相當(dāng)?shù)奈灰坪螅拍苷嬲仄饎舆@種摩擦力。若地下水位不時變動則這種位移也會變動。這種位移的數(shù)量及其隨水位變動的性質(zhì),往往不能適用于某些地下結(jié)構(gòu)物,在實際工程中,對規(guī)模較大的地下結(jié)構(gòu)物的抗浮,很少采用此法作抗浮措施。

  2.3 延伸基板法延伸基板法是將地下結(jié)構(gòu)物的基板向外延伸而形成翼板,由翼板承托覆土以抵抗上浮力。這種抗浮力可能有兩種:一種是垂直壓力和側(cè)翼壓力之和;另一種是為垂直壓力與土間摩擦力之和,要取這兩種力量中的較小者。但是,為了要延伸基板而成翼板,開挖的范圍將因而加寬,土方及使用土地面積也將因而加大,其所增加的抗浮力變大。此法一般適用于不受場地限制的規(guī)模較小地下結(jié)構(gòu)物的抗浮,否則,不宜采用。在實際工程中,對規(guī)模較大的地下結(jié)構(gòu)物的抗浮,很少采用此法作抗浮措施。

  2.4 利用臨時擋土設(shè)施法一般來說,在基坑開挖時用以擋土的連續(xù)墻除在與地下結(jié)構(gòu)物接觸的部分外,大部的墻體在開挖區(qū)回填后就沒有任何利用價值了。若能妥善相連或直接與地下結(jié)構(gòu)物結(jié)合,即可利用擋土的連續(xù)墻來抵抗地下水浮力。此法除剪力鍵的安置費(fèi),無其它額外費(fèi)用,并且可靠性很高。此外還可以將連續(xù)墻與土壤間的摩擦力計入考慮,其安全系數(shù)也將由此提高。采用此法得先驗算擋土連續(xù)墻的抗拔力等,并視該工程的擋土連續(xù)墻和地下結(jié)構(gòu)物外墻之間的間距等情況而定,如間距太大,則需澆筑大量的混凝土和不易安裝剪力鍵,由此增加造價和浪費(fèi)。此法一般適用于擋土連續(xù)墻的抗拔力足夠,且擋土連續(xù)墻和地下結(jié)構(gòu)物外墻之間的間距較小等條件的地下結(jié)構(gòu)物抗浮。

  2.5 抗拔樁下拉法抗拔樁是指抵抗建筑物向上位移的各種樁型的總稱,抗拔樁不同于一般的基礎(chǔ)樁,有其自身的獨(dú)特性能,抗浮樁為抗拔樁,樁體承受拉力,樁體受力大小隨地下水位大變化而變化,二者在受力機(jī)理上不同。在工程實踐中常用的樁型有預(yù)制樁和灌注樁,抗浮樁多采用人工挖孔灌注樁或機(jī)械鉆孔灌注樁。

  3、抗拔樁設(shè)計抗拔樁是抗浮設(shè)計中常用的方案之一,只要條件允許,抗拔樁一般均嵌入豎硬而埋藏較淺的基巖中。

  由于造價及施工條件的限制,抗拔樁一般入巖不深,需要對入巖樁段部分進(jìn)行樁端灌漿處理。如果上覆土層較厚,樁無法埋入基巖,那就只能全靠樁側(cè)土的表面摩擦阻力抗拔,此摩擦阻力較小,抗浮效果不佳;若在樁端設(shè)置擴(kuò)大頭,則能大大提高樁的抗拔能力。

  這對于抗拔樁的承載力設(shè)計而言,相對于受壓樁存在兩個突出的特點:

  3.1受壓樁的承載力組成中有端承力部分,而抗拔樁則無。

  3.2受壓樁的樁身彈性壓縮引起樁身側(cè)向膨脹使樁土界面的摩阻力趨向于增加,摩阻力的增加則隨樁身位移由上而下逐步發(fā)揮;而抗拔樁在拉伸荷載作用下樁身斷面有收縮的趨向,使樁土界面摩阻力減小。而由于拉伸荷載系作用于樁頂,摩阻力的發(fā)揮同樣系由上而下逐步發(fā)生。在設(shè)計抗拔樁時,在單位面積樁身摩阻力的選用上自然比受壓樁要低。

  3.2.1單樁或群樁呈非整體破壞時,樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

  ——破壞表面周長,對于等直徑樁取,對于擴(kuò)底樁按規(guī)范取值;

  一一樁側(cè)表面第i層土的抗壓極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;

  一一抗拔系數(shù);

  一一管樁第i層土(巖)的側(cè)阻力修正系數(shù);

  一一樁穿越第i層土(巖)的厚度。

  3.2.2群樁呈非整體破壞時,基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值一一樁群外圍周長。

  我國現(xiàn)行規(guī)范中所提供的抗拔計算公式是一個半理論半經(jīng)驗的公式,其中雖然考慮到了抗拔樁帶有擴(kuò)大頭的情況,但沒有考慮擴(kuò)大頭對上方土體作用而引起的樁周摩阻力的變化,也沒有考慮到樁周摩阻力變化的復(fù)雜性。

  4、結(jié) 論

  本文主要介紹和探討了地下結(jié)構(gòu)的基本方法,并針對抗拔樁,對其抗浮的基本原理和典型抗拔計算公式及設(shè)計方法進(jìn)行了比較全面的研究。

  參考文獻(xiàn)

  [1]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。建筑樁基技術(shù)規(guī)范JG194-94[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1995.

  [2]陳志龍,劉念。地下工程抗浮爆擴(kuò)樁抗拔承載力的試驗研究[J].特種結(jié)構(gòu),1999,(4)。

  [3]楊瑞清,朱黎心。地下建筑物設(shè)計和施工防水位的選定與抗浮驗算的探討[J].工程勘察,2001,(1)。

楊燕艷

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