地下结构的浮力计算与抗拔桩设计方法研究_李镜培

例如 , 当单建式地下室埋深较浅 、地下水位又 较高且变化幅度范围大时 , 考虑上部覆土等的较 大恒载及上部消防车等的较大活载 , 由于水位变 化 , 荷载组合形式不同 , 会出现抗拔桩转换成抗压 桩的情况 。
因此 , 需要就两种情况进行分类讨论 , 设计人 员往往会忽略这个问题 。 对各工况下的荷载也没 有统一 、较合理的荷载组合方法 。
承压水水位 。计算模型见图 6。
图 3 情况 3计算模型
水浮力为
p
=H γw
d t
情况 4 地下室穿过上部隔水层 , 底板位于
下部承压水层中 , 浮力计算设计水位为承压水水
位 。计算模型见图 4。
图 4 情况 4计算模型
水浮力为 p =γw (H +d)
情况 5 地下室穿过上部潜水层 , 底板位于 隔水层中 , 隔水层下有承压水层 。 上下含水层的 水位均为设计水位 , 浮力计算应考虑上下含水层 的渗流作用 。计算模型见图 5。
就抗浮设计而言 , 抗浮设防水位确定与地下 水位的类型 以及 建筑 物所 处位 置都有 关 系[ 5] 。 一个共同的特点就是 , 对地下室的浮力作用取决 于地下室底板直接持力含 (隔 )水层的类型及地 下水位 (水头 )值 , 详见表 1。
S tructu ra l Engineers Vo.l 23, No. 2
合理的确定方法应该是 , 在结构设计基准周 期内 (包括施工期 ), 对多层地下含水层的水位进 行测量 , 确定各含水层的赋存状态和地下水位 , 在 此基础上确定抗浮水位 。
2. 2 地下水的类型
根据赋存状态 , 一般将地下水划分为上层滞 水 , 潜水和承压水 [ 5] 。
(1)上层滞水 :是指埋藏在地表浅处 , 且具有 自由水面的地下水 。 它的分布范围有限 , 其来源 主要是由大气降水补给 。
图 5 情况 5计算模型
水浮力为
p
=
h1
h1 -
-H d
t
γw
情况 6 地下室穿过上部潜水层和隔水层 ,
底板位于下部承模型
水浮力为 p =γw (H +d)
4 考虑水位变化幅 度对桩基设计的影响
4. 1 水位变化幅度
当地下室底板处于上层滞水或潜水层中时 , 由于其受大气降水渗透或河流渗入土中而得到补 给 , 同时也直接由于蒸发或流入河流而排泄 。 因 此 , 其水位的变化直接受气候条件变化影响 。
虽然 , 现行的设计规范中要求 , 在进行设计时 需对所有地下结构物进行抗浮验算 , 然而 , 规范没 有具体的设计方法规定 。 因此 , 对设计人员而言 , 抗浮验算方法以及设防水 位的选取没有 统一规 定 , 造成了很多不合理的设计 。 从经济角度来看 , 经常考虑抗浮原因而大量使用抗拔桩 , 地下工程 造价与地上结构相比大了许多 ;从安全角度来看 , 时常造成施工过程中或竣 工后结构物的 上浮事
本文在水浮力分类计算方法 [ 5] 的基础上 , 提 出了通过对含水地层的不同分布 , 对地下水赋存
状态的不同情况与产生地下水位的不同 , 有针对
性地选取合理的抗浮水位 ;并根据水位变化的范
围来考虑桩基础的抗拔与抗压受力性状的变化 , 以此提出抗拔桩的合理设计方法 。
地基基础
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结构工程师第 23卷第 2期
计算 ———分别计算出抗拔 (压 )所需的桩数 ;
结果 ———取大值作为设计所需桩数 。
4. 3. 2 计算步骤
(1)抗浮状态下设计
① 浮力计算
根据地下室底板直接持力含 (隔 )水层的类
型及地下最高水位 (水头 )值选 取合适的浮力计
算模型 , 确定产生最大水浮力的设计水位 , 并按照
本文前述方法完成对水浮力的计算 。
2 抗浮设防水位的确 定方法
2. 1 对抗浮设防水位认识的现状
现有的岩土工程勘察报告只提及最高水位及 常年平均水位 。 因此 , 设计人员出于安全考虑 , 通 常以最高水位作为设计水位 。 但以勘察报告提及 的最高水位作为设计水位显然缺乏合理性和经济 性。
其实 , 地下水 位包括历 年最高水 位 、最 低水 位 、静止水位 、稳定水位等 , 它是随季节或补给条 件而变化的 。地下水位变化是一个随机过程 , 受 人为因素和自然因素影响很大 , 因此 , 确定合理的 抗浮水位十分困难 , 取历史最高水位明显是不合 理的 。
② 荷载组合
恒载 :地下室顶板覆土 , 结构自重 ;
活载 :车库内车辆 , 地下室顶板处车辆 (消防
车 );
水浮力 :在抗 浮设计状 态下 , 应取最大 水浮
力 , 并在设计中作为活载考虑 。 根据建筑结构荷载规范 GB5009— 2001[ 8] , 对
活载仅考虑其对结构的不利效应, 分项系数取
1. 4。恒载 其效应 对结 构 有利 时的 分项 系数 取 0. 9, 不利时的分项系数取 1. 35。
针对此情况 , 勘察部门应该对拟建场地进行 较长期的跟踪观测和水文地质勘察 , 在此周期内 给出历年的最高最低水位 , 为设计人员提供合理 的抗浮设计水位的变化范围作为设计依据 。
4. 2 抗拔桩与抗压桩的关系
由于抗拔桩与抗压桩的工作机理不同 , 所以 其受力模型不同 。 随着地下建筑受力状态变化 , 桩的受力性状也会出现变化 , 而这种桩受力模型 的改变正是由于地下水位的变化而造成 。
(2)潜水 :是指埋藏在地表以下第一个稳定 隔水层以上 , 具有自由水面的地下水 。潜水直接 受雨水渗透或河流渗入土中而得到补给 , 同时也 直接由于蒸发或流入河流而排泄 。
(3)承压水 :是指埋藏在上下两个隔水层之 间的地下水 。承压水主要是依靠大气降水与河湖 水通过潜水补给的 。
2. 3 地下室埋深与含 (隔 )水层的几种关系
DO I 牶牨牥牣牨牭牴牫牭牤j牣cnki牣jggcs牣牪牥牥牱牣牥牪牣牥牨牱 第 23卷第 2期
2007年 4月
结 构 工 程 师 Structural Eng inee rs
V o .l 23, N o. 2 A pr. 2007
地下结构的浮力计算与抗拔桩设计方法研究
李镜培 孙文杰
(同济大学地下建筑与工程系 , 上海 200092)
the chang ing w ater level are propo sed . K eyword s unde rg round space, design o f w a te r leve l, design o f up lift pile
1 引 言
随着城市建设的发展和居民生活水平的不断 提高 , 地下空间 (地下室 、地下车库 、地下商场等 ) 的利用已经成为了一种趋势 。 地下建筑设计中最 重要的核心问题就是抗浮设计 , 其关键是以抗浮 设计水位的确定和抗拔桩的合理设计方法为主 。
Study on Design of Uplift P iles and Calculation of Float in Underground Structures
L I Jingpei SUN W enjie
(D epa rtm en t o f G eotechnica l Eng ineering, T ong ji Un ive rsity, Shangha i 200092, Ch ina)
要折减 。水浮力为 p =γw h
式中 , h为抗浮设计水头高度 (取岩土工程勘察报 告中的 最高 静水 水位 标高 与基 底 标高 之 差 )。
3 浮力的合理计算
3. 1 浮力的计算原理
基本原理是根据阿基米德定律 :浮力等于它
所排开水体体积之重量 , 即
p
=ρg v A
=rw v A
=γw h
式中 p———单位面积水浮力 ;
收稿日期 :2006 - 09 - 05
故 。因此 , 如何正确地进行地下结构的抗浮设计 ,
已成为岩土工程界共同关注的问题 。
随着人们逐渐意识到对水浮力计算方法规范 化 、统一化的必要性 , 学者提出了一些符合本地区
地质情况的水浮力计算方法 , 并取得了不错的成 果 。如王建英等 [ 1] 建议利用总安全系数法 , 裴豪 杰 [ 2] 利用水头折减系数 法考虑各种情况 下的水 头折减 , 李 广信等 [ 3] 提 出的粘 土地基 水浮力 计 算 , 以及杨瑞清等 [ 4] 提出的浮力折减系数等 。
图 1 情况 1计算模型
情况 2 地下室穿过上部潜水层 , 底板进入隔 水层 , 设计水位为潜水水面 , 但是由于存在隔水层 部分浮力而考虑渗流作用 。 计算模型见图 2。
水浮力为
图 2 情况 2计算模型
p
=
h1
-
h1 d t
γw
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结构工程师第 23卷第 2期
情况 3 地下室位于上部隔水层中 , 浮力计 算设计水位为承压水位 , 但要考虑渗流作用 。计 算模型见图 3。
definition o f the w a te r leve l and the app ropria tion of the design of uplift piles. The diffe rence of the soil layers and the depth o f underground structu res w ill e ffect the difference of design o f float-resistan t w ater leve.l B ased on the experience of pro jects, the concula tion m ethod of w ate r float and the suitable design o f the up lift piles in
综上 , 抗拔桩设计公式为
1.