高水位下U 型槽抗浮优化设计

栾兆健

[济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，山东 济南 250003]

0 引言

随着城市交通的不断发展，下穿通道U 型槽[1]等市政设施得以大量修建。对于水系发达、地下水位较高的地区，这些设施的抗浮问题日益显现。鉴于设计人员很少对抗浮措施进行仔细研究，取值过于保守，抗浮措施过于简单，因而造成较大浪费。现在投资方越来越重视建设成本，希望从解决工程实际问题角度出发，根据规范及工程实际经验，解决工程的抗浮稳定问题，减少工程抗浮的投资。

合理的抗浮设计对整个工程的安全和造价影响较大。合理制定抗浮措施，为以后的抗浮设计做好准备，是迫在眉睫的问题。

1 浮力计算

1.1 抗浮设计水位确定

抗浮设防水位应包括施工期抗浮设防水位和使用期抗浮设防水位，可按施工期、使用期分别或统一确定。应根据设计使用年限、抗浮设计等级、抗浮工程勘察抗浮设防水位建议值和抗浮设防水位预测结果并结合地方经验综合确定。

1.2 浮力标准值计算

地下结构底板底面上的浮力应取下列地下水状态计算水压力的组合值（见图1）。

（1）抗浮设防水位高程与地下结构底板底面高程水位差产生的静水压力（见图1（a））。

（2）承压水压力扣减承压水层顶面与地下结构底板间隔水层浮重度自重差压力（见图1（b））。

（3）稳态渗流在渗流反方向上地下结构对应外墙之间水位差形成的静压力（见图1（c））。

图1 浮力值计算简图

1.3 抗浮安全稳定系数确定

抗浮稳定性是指建筑工程范围内的抗浮设防水位条件下抗浮总荷载与总浮力的比较，其前提必须是各组成区域在浮力出现时，其“整体”、“局部”、“锚固体系和构件”均满足抗浮强度和变形的要求。因采用的荷载及其组合方式的不同而采用不同的安全系数，目前不同标准对抗浮稳定性安全系数尚没有统一的规定。不同规范的抗浮安全系数见表1。

表1 各规范抗浮安全系数

对于全埋式地下建筑物，在不记外墙与其背后填土层之间摩擦力的前提下，抗浮安全系数取1.05是公认安全可靠的，其主要理由在于：首先，大量的实际工程证明其安全性；其次，抗浮验算中将外墙与土层之间的摩擦力作为安全储备；再次，由于勘察报告提供的抗浮设防水位已经综合考虑了各种不利因素，同样具有一定的安全储备。

2 主要抗浮措施

地下结构抗浮措施宜按预防、减压和结构抗浮的顺序进行比较选择。抗浮措施可分抵抗地下水浮力法（主动抗浮）和减小地下水浮力法（被动抗浮）2大类（见表2）。

表2 主要抗浮措施表

3 U 型槽抗浮措施细化分析

3.1 模型简介及条件假定

依据实际工程中遇到的常规U 型槽断面，本次U 型槽计算模型按照双向6 车道，两侧各留1.5 m 的检修断面设置，具体断面尺寸见图2。

图2 U 型槽计算模型断面（单位：cm）

通过对实际工程的梳理，抗浮设防水位高于8.0 m 的情况比较少见，所以此次计算模型最小水位采用0.5 m，最大水位采用8.0 m，按照0.5 m 一个间隔进行建模计算，抗浮设防水位采用与地面标高一致的最不利情况；地质情况按照基础底土层为黏性土（m=3 000 kN/m4）考虑，造价对比中按照以下材料单价计算：钢筋混凝土1 000 元/m3，挖土方50 元/m3，回填土方70 元/m3，抗拔桩1 500 元/m；考虑到U型槽基坑开挖及模板支护时也需要往外扩，所以两侧抗浮脚趾的最大设置长度定为3 m。

3.2 结构分析计算

采用桥梁博士4.3 建模计算，每一个抗浮水位下分别建立2 个模型：一个为考虑车辆荷载，不考虑底板受浮力荷载影响；另一个不考虑车辆荷载，考虑底板受浮力荷载影响。

纵向取宽1 m U 型槽长度进行建模，在底板底加设具有弹性系数的土弹簧，以此模拟地基对U 型槽底板的弹性支撑作用。结构分析模型见图3。

图3 结构分析模型

荷载输入情况：

荷载考虑：侧墙土压力，挑臂所受的垂直土压力，U 型槽内铺装，车辆荷载采用车辆横向加载，底板所受的水浮力。考虑车辆荷载的荷载图和考虑底板浮力的荷载图见图4 和图5。

图4 考虑车辆荷载的荷载图

图5 考虑底板浮力的荷载图

通过建立有限元模型，计算得出U 型槽在不同抗浮设计水位下满足承载能力要求的最小结构尺寸，然后根据规范及构造要求确定合理的U 型槽底板厚度、侧墙底厚度以及抗拔桩[2]数量。

3.3 抗浮措施对比

满足规范及结构受力要求以后，进行抗浮措施[2]的对比分析（抗浮安全系数按照1.05 计算），抗浮措施主要为：

（1）调整底板及侧墙厚度。

（2）增设挑臂并调整挑臂长度。

（3）增设抗拔桩。

根据对比分析结果，可针对抗浮设防水位h 分别为h＜2 m、h=2～4 m、h=4～8 m 这3 种情况采取抗浮措施。

3.3.1 抗浮设防水位h＜2 m

抗浮设防水位h＜2 m 的造价对比见表3。

表3 抗浮设防水位h＜2 m 的造价对比

分析表3 可知，对于U 型槽在抗浮设计水位h＜2 m 的情况下，结构受力主要控制因素为车辆荷载、铺装及土压力，水的浮力不起决定性作用，结构计算可以仅计算车辆荷载、铺装及土压力下的承载能力即可。此时抗浮不需要增加其他措施，仅靠结构自重就能满足抗浮设计要求。

3.3.2 抗浮设防水位h=2～4 m

抗浮设防水位h=2～4 m 的抗浮措施造价对比见表4。

表4 抗浮设防水位h=2～4 m 抗浮措施造价对比

由表4 可见，在抗浮设防水位h=2～4 m 的情况下，3 种抗浮措施中增设挑臂的造价最低。因此，在不考虑其他工程条件约束的情况下，建议先考虑增加挑臂长度来满足抗浮设计要求。

3.3.3 抗浮设防水位h=4～8 m

抗浮设防水位h=4～8 m 的抗浮措施造价对比见表5。

表5 抗浮设防水位h=4～8 m 抗浮措施造价对比

由表5 可见，在抗浮设防水位h=4～8 m 情况下，3 种抗浮措施中增设抗拔桩[4]+ 挑臂的造价最低。因此，在不考虑其他工程条件约束的情况下，建议优先考虑增设抗拔桩+ 挑臂来满足抗浮设计要求。

4 工程实例分析

4.1 工程概况

临沂市双月园路通道全长439 m，暗埋段为双孔箱涵结构，敞开段为U 型槽结构+ 挡墙结构。工程地质主要以杂填土、黏土、全风化泥岩、强风化泥岩、中风化泥岩和中风化石灰岩为主；地下水类型为潜水，以岩溶裂隙为主，抗浮水位位于地表以下约2.5 m。结构施工采用大开挖形式。双月园路下穿通道立面图见图6。

图6 双月园路下穿通道立面图

抗浮水位确定：按照地勘抗浮水位取值。

浮力计算：根据地勘描述，该位置处地下水为潜水，未提及隔水层及承压水，浮力计算按照完全排开水的体积计算，不考虑弱透水层的浮力折减。

4.2 抗浮设计思路

本工程主要从工程经济性及工期的合理性确定抗浮措施。本工程主要制约因素：

（1）施工工期，由于本项目为现状道路改建，施工工期要求较严格。

（2）本工程两侧用地受限，开挖断面不宜过大。

（3）本工程局部位于中风化岩层上，开挖断面不宜太深。

（4）根据当地建设经验，不推荐采用主动抗浮措施。综合以上因素，确定结构抗浮以压重为主，局部位置为减小断面开挖，采用抗拔桩。

4.3 抗浮措施选用

根据抗浮水位位置、抗浮措施、受力情况，U 型槽段共划分为4 段，每段长度约27 m。第1 段U 型槽（见图7）水浮力较小，结构尺寸根据受力计算确定；第2 段（见图7）适当增加底板及U 型槽厚度，通过增加结构自重来抗浮；第3 段（见图8）通过增加板厚及采用抗浮脚趾进行抗浮，主要通过增加结构自重及两侧压重来抗浮；第4 段（见图9）是在第3 段基础上通过增加抗拔桩进行联合抗浮。箱涵段抗浮通过覆土完成。

图7 第1、第2 段U 型槽图（单位：cm）

图8 第3 段U 型槽图（单位：cm）

图9 第4 段U 型槽图（单位：cm）

该U 型槽设计断面与上述理论计算吻合，且该项目施工已基本完成。按照设计断面施工后，施工单位和建设方均反映无问题，且从结构及经济造价上均满足要求，证明该理论计算满足施工及设计要求，可以用于实际施工中。

5 结语

（1）使用期抗浮水位采用与设计使用年限相同时限期内观测到的最高水位和勘察单位预测水位，取两者之中大者。

（2）浮力标准值取用静水压力、渗流压力及承压水头压力三者之和。

（3）通过对不同规范抗浮安全系数的对比，常规地下结构通道、U 型槽等抗浮安全系数按照《建筑工程抗浮技术标准》（JGJ 476—2019）选用，施工期抗浮稳定系数不小于1.00，使用期抗浮稳定系数不小于1.05。

（4）总抗浮力组合系数选用：结构自重、结构和构件提供的抗拔力采用1.0，结构内部固定设备、永久堆积物采用0.95，结构上部填筑体、结构内部填筑体采用0.9。

（5）对U 型槽抗浮措施进行细化分析和造价对比后得出：抗浮设计水位h＜2 m 的情况下，仅靠结构自重就能满足抗浮设计要求；h=2～4 m 情况下，优先选择增设挑臂抗浮措施；h=4～8 m 情况下，优先考虑增设抗拔桩+ 挑臂来满足抗浮设计要求。