地下结构抗浮计算方法探讨.pdf

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1、地下结构抗浮计算方法探讨■鞠忠伟[摘要】地下结构抗浮与静水中抗浮存在一定的区别。由于缺乏合理的理论指导及地下结构浮力问题本身的复杂性，人们对于如何确定地下结构的浮力并没有统一的认识，这就对如何正确计算抗浮安全系数造成了一定的困难。笔者在设计中见过的抗浮安全系数的简化计算方法有两种，其存在一定区别，本文就对此两种方法进行了辨析。[关键词J地下结构抗浮计算方法探讨近年来我国城市轨道交通发展迅速，地下结构的抗浮问题也越来越引起工程界和学术界的重视。地下结构抗浮与静水中抗浮存在一定的区别，土颗粒构成土的骨架，水存在于土颗粒之间的孔隙当中，土颗粒既是水的容器

2、同时又承受着水的浮力的作用。地下结构与土颗粒和孔隙水相接触，承受着水和土的共同作用，这就使得原本看似简单的浮力问题变得复杂起来，也给计算抗浮安全系数造成了困难。一、研究现状与地上结构相比，地下结构的受力更复杂，其中一个重要原因就是地下结构要受到地下水的浮力作用，而浮力又与结构所处的水文地质、工程地质和地下结构本身的设计及旋工等因素有关。目前，抗浮设计时对于埋藏在不同性质土层中的地下结构所受浮力合理取值的问题是学术界争论的焦点问题之一。不同的研究者通过理论分析、室内试验和现场实测得到的结论也不尽相同：有研究者认为砂土、碎石土中浮力等于100％的静水压

3、力，而对黏性土则需进行一定比例折减；有研究者认为，无论是黏性土还是无黏性土，浮力均等于排开同体积的水重，而不需折减；也有研究者认为无论是无黏性土还是黏性土，浮力均需按一定比例或方法折减。但对于如何折减，并未给出明确的方法，只说明“应根据场地的孔隙水压或地下水水压力实测曲线，分析推定衰减变化规律，据此计算基底浮力”。向科在其博士论文中经实验给出数据，其实验结论与本段中前述观点不同，其认为饱和砂性土中的地下结构受到的浮力比相同条件下水中浮力小约4％～5％，且砂性土的粒径大小和颗粒级配对浮力无明显影响，其折减的机理尚不明确；而淤泥质黏土中，地下结构受到的

4、浮力与相同条件下水中浮力基本相等，其作用机理有待进～步分析。同时，填土结束后，粉土和乳性土中浮力达到稳定需要的时间比砂土中要长得多。综上，可见各研究者的研究结论观点较多，结论相互不同，对于砂性土和黏性土中的结构浮力，有的学者人为均需折减，有的认为均不需折减，有的学者认为粘性土需折减砂性土不需要折减，还有学者认为粘性土不折减砂性土需要折减(折减值不大，为4％～5％)。二、规范要求同时，作为指导设计的准则，《地铁设计规范》城市建筑I结构·抗震IURBANISMANDARCHITECTURElSTRUCTURE·ASEISMATIC(GB5015720i

5、3)对抗浮验算作出了较为详细的说明。根据11．2．3条规定可知，“作用在地下结构上的水压力，原则上应采用孔隙水压力，但孔隙水压力的确定比较困难，从实用和偏于安全考虑，设计水压力，一般都按静水压力计算；使用阶段无论砂性土或黏性土，都应根据正常的地下水位按全水头和水土分算的原则确定；施工阶段可根据围岩情况区别对待，置于渗透系数较小的砂性土地层中的隧道，在进行抗浮稳定性分析时，可结合当地上程经验，对浮力作适当折减：置于砂性土地层中的隧道，应按全水头确定作用在地下结构上的浮力”。同时，“抗浮安全系数目前前尚无统一规定，宜参照类似工程，根据各地的土程实践经验

6、确定”。除上海外，我国大部分城市地铁采用的抗浮安全系数为，不计侧摩阻力时为i．05，计入侧摩阻力时为1．15。三、工程设计中的简化计算方法在实际的工程设计中，通常采用《地铁设计规范》中偏于实用和安全的做法，一般按静水压力计算。视具体情况判断是否考虑结构上方覆土的剪切强度和结构侧摩阻力。本文以一矩形断面结构为例(结论同样适用于圆形盾构及马蹄形矿山断面)，只考虑覆土自重，不考虑结构上方覆土的剪切强度，同时不考虑结构侧摩阻力。在设计中，笔者见过两种计算方法，计算公式不同，以下对此两种方法进行介绍及辨析。c劬村¨‘d，一"一王W—i^ijilll二lil㈠

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8、图I整体抗浮安全系数计算方法一简图，，杜7‘t?，

9、0'々々6一工F，，阿ⅡnⅥ丁rrr。]lcJ图2整体抗浮安全系数计算方法二简图计算方法一：忙等=垡掣063计算方法二：．，F{+G1Jb挑+k)+Gh2—F2彳盏i着F式中：-yF为抗浮安全系数：w‘为结构上方土体有效重量；w’为结构上方土体有效重量；C-为结构自重：P*为结构所受浮力；F，为结构上表面所受向下方向的力；P：为结构下表面所受向上方向的力；V为土天然重度；叩’为土浮重度：V。为水的重度。计算方法一中，认为抗浮安全系数等于结构自重与结构上方覆土有效重量的和

10、与结构所受的浮力的比值；计算方法二中，认为抗浮安全系数等于结构所受向下方向的力与结构所受向上方向的力的比值；二者对抗浮安全