地下大型污水池爆扩抗浮锚固结构设计与应用

第28卷增1岩石力学与工程学报Vol.28Supp.12009年5月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMay，2009收稿日期：2007–09–24；修回日期：2008–01–07基金项目：江苏省“青蓝工程”和“333高层次人才培养工程”资助项目作者简介：韩立军(1966–)，男，博士，1989年毕业于山东矿业学院矿井建设专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩土力学与工程稳定、岩土工程加固方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]地下大型污水池爆扩抗浮锚固结构设计与应用韩立军，王德亮，渠涛，郑天翔(中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221008)摘要：通过综合分析各种地下工程的抗浮加固方式，提出爆破扩孔变截面抗浮锚杆结构型式，以提高地下池体的抗浮能力，并保证池体尽快投入生产。采用变截面结构锚固孔，利用锚固段和孔底扩大头的端头效应，可提供足够的锚固抗拔力，同时可减少锚固深度及孔径，提高施工效率。爆破扩孔则是利用炸药爆炸时产生的爆轰作用，对锚固孔周围土体迅速挤压，扩大锚固孔断面，提高土体力学性能及与锚固体间的黏结强度，从而显著提高抗浮锚杆的抗拔力。应用情况表明：将抗浮锚杆与爆破扩孔相结合进行地下大型工程的抗浮抢险加固，是一种经济高效的抗浮加固形式，可为同类地下工程抗浮加固设计和施工提供借鉴。关键词：地下工程；抗浮锚杆；锚固结构；爆破扩孔；抗拔力中图分类号：TU91文献标识码：A文章编号：1000–6915(2009)增1–2960–06DESIGNANDAPPLICATIONOFANTI-FLOATINGANCHOREDSTRUCTUREBYBLAST-EXPANDINGBOREINLARGE-SCALEUNDERGROUNDSEWAGEPOOLHANLijun，WANGDeliang，QUTao，ZHENGTianxiang(StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou，Jiangsu221008，China)Abstract：Accordingtothestructureandgeologicalfeatureofsewagepoolandintegratedanalysisofvariousanti-floatingmethods，thetypeoftheanti-floatinganchorwithblast-expandingboreandvariablesectionareputforward.Thosewayscansolvetheanti-floatingproblemandensurethesewagepoolcanbeputintoproductionassoonaspossible.Becauseofendeffectsoftheanchorageandtheexpandingpartattheboreend，notonlythebondstrengthofanchorcanbeimprovedeffectively，butalsothedepthanddiameteroftheboreareshortened，andtheconstructionefficiencyissignificantlyenhanced.Themethodofblast-expandingborecansqueezesoilrapidlyaroundtheanchorbore，expandtheboresection，raisethebondstrengthbetweensoilandgroutingbody，andincreasetheanchoringforceofanchors.Practicehasprovedthat，asareinforcementmethodofengineeringanti-float，itsacost-effectiveandefficientanti-floatingmethodtocombineanti-floatinganchorandblast-expandingbore.Thiscanprovidereferencetothesimilarprojectsindesignandconstruction.Keywords：undergroundengineering；anti-floatingbolt；anchoredstructure；blast-expandingbore；pull-outresistance1引言随着城市建设规模的不断扩大，兴建了大量带有地下室的高层建筑物、地下车库、下沉式广场以及地铁、地下商场等地下建(构)筑物。而土体孔隙及岩体裂隙中赋存着大量的地下水，且潜水位较高，对岩土体中的地下结构物会产生较大的上浮力，若第28卷增1韩立军，等.地下大型污水池爆扩抗浮锚固结构设计与应用•2961•地下结构物的自重和附加约束力小于地下水提供的上浮力，则会导致地下结构物产生上浮变形，并可导致其上部构筑物或与其相连的结构物(包括管路、线路、道路)等发生不均匀变形，并引起地下结构物的变形破坏，包括底板开裂、结构物偏转、墙壁开裂出现大变形、整体失稳等一系列问题。因此，在建设地下工程时必须重视其抗浮问题，以保证其长期稳定[1，2]。本文结合淮安市安邦电化有限公司大型地下污水池设计中因忽略了空池状态存在抗浮力严重不足的问题，采用了爆破扩孔变截面锚固结构对其进行抗浮抢险加固的设计和应用情况。2工程概况2.1水文地质条件江苏省淮安市安邦电化有限公司新建污水处理池的主体位于地坪以下，池边露出地表100.0mm。所处地貌属黄泛冲击平原，工程地质情况为：第一层为杂填土，夹粉质黏土及粉土，成分复杂，工程性质差，均匀性差，层厚为0.9～1.8m；第二层为素填土，主要为粉质黏土，工程地质条件差，均匀性差，层厚0.6～1.6m；第三层为黏土，可塑状，中等压缩性，均匀性较好，层厚3.6～5.8m；第四层为粉土，局部夹粉细沙，密实状，中低压缩性，均匀性稍差，层厚为1.1～2.4m；第五层为黏土，硬塑状，中等偏低压缩性，均匀性较好，钻孔勘探时未钻透此层。勘查期间，测得场地地下水位一般位于相对标高－0.8m左右，初见水位一般位于相对标高－0.6m左右，历史最高水位－0.6m左右，最低地下水位－2.6m，变化幅度约2.0m。勘察深度内的地下水为潜水和微承压水，第一、二层为主要的潜水层；第四层为微承压含水层。2.2池体设计与施工状况污水处理池占地面积为2369m2，设计处理规模为6000t/d。污水池底板底面标高为－5.30m，采用现浇钢筋混凝土结构。池体结构断面如图1所示。污水池底板厚为400mm，分上下2层配筋，钢筋直径为16mm，间距为150mm。底板下面是2层厚度各为100mm的素混凝土垫层。施工单位采取降水措施后，根据设计完成了池体及配套工程的施工与管路安装，准备投入使用。但当停止池体周围的降水措施后，导致地下水位迅速上升，引起池体出现明显的不均匀上浮，并导致池体开裂，池体与周围构筑物产生较大相对位移(见图2)。建设方迅速采取向池内灌水压重，实现压图1污水池结构断面Fig.1Structuresectionofsewagepool(a)隔墙开裂(b)隔墙上拱图2污水池中心隔墙破坏情况Fig.2Damageconditionsofcenterwallinsewagepool力平衡，使池体恢复了平衡状态。经测算分析，该污水池体结构质量为4150t，正常状态下池体承受的地下水浮力约为109190.2kN。污水池在蓄水状态下，其池体和蓄水自重将大于地下水所形成的上浮力，不会引起池体的上浮，而当池体处于空载或检修状态时，两者差值达68492.6kN，因此，仅靠污水池的自重难以抵消如此大的上浮力，而设计单位未考虑可能出现的空载状态，从而导致池体的抗浮力严重不足。根据池体出现的变形特性分析表明，由于池壁重力与池壁四周土体摩擦力的作用，池底边缘部分上浮变形较小，池壁与地面接触处混凝土有不同程标高单位：m尺寸单位：mm•2962•岩石力学与工程学报2009年度的开裂；水池底板跨度较大(最大为50.35m)，抗弯能力不足，底板结构刚度较差，在池底浮力的作用下，水池中央部位隆起变形最为明显(见图3)。而池底的隆起导致池内隔墙上拱，并出现了多处裂缝。为了保证污水池的正常使用，需对池体采取抗浮加固措施，保证池体的抗浮需要，限制污水池变形的进一步发展，使池体尽快投入使用。图3池体上浮和弯曲变形示意图Fig.3Floatingandbendingdeformationofthepool3锚固抗浮加固结构设计3.1抗浮加固方案的选择可以选用的抗浮加固措施[3～8]有如下几种：(1)压载抗浮。针对本工程的实际情况，浮力较大，可采取池底增重和池体上部增重2种方法。单单增加池底的厚度，需要使用大量的混凝土，而且会占用一定的水池储水空间，影响水池的正常使用；而采用池体上部增加自重，必然导致池体突出地表，这样导致与原设计的管路系统不配套。增加自重是一种主动的抗浮方式，但要求结构自重要等于或大于浮力，且在水池内储存有一定量的污水时，池底作为持力层的土层会有承载力不足的可能，这种情况下水池会发生沉降。计算和分析表明，靠结构自重抵消浮力，既不经济也不科学。(2)降排截水。由于地下水浮力是造成地下建(构)筑物上浮的主要因素，在条件许可的前提下，可采取降水、排水或截水等处理措施直接排除隐患。但因水池周围为杂填土，土质复杂，且污水池临近河道，地下水来源丰富，很难保证降排截水的抗浮效果；另外，水池附近埋藏有化学材料输送管道，容易给施工带来不便。因此，降排截水措施不宜采用。(3)抗浮桩。抗浮桩技术是一种比较成熟的抗浮加固技术，抗浮桩的直径较大，抗拔力高，且抗浮桩的末端处于高承载力的土层中，同时可以解决地基承载力不足造成的结构沉降等问题。因此，在抗浮工程中得到较好地应用。但抗浮桩配置的钢筋数量多，结构较复杂和庞大，需要专门的吊装机械，而污水池周围空间狭小，不利于大型设备的使用；且由于污水池主体结构已经形成，大直径的抗浮桩对池体底板结构的整体性造成较大的破坏，会进一步降低底板结构的刚度，另抗浮桩施工过程相对比较复杂，工期较长，造价较高。因此，对已完成施工的池体不宜采用大型抗浮桩解决其抗浮抢险加固问题。(4)抗浮锚杆。可采用变截面的抗浮锚杆，其自由段可采用较小的直径，以尽量保持池体底板结构的整体性，而锚固段则采用较大的直径，可提高锚杆的锚固力和降低锚固段长度。由于抗浮锚杆具有良好的地层适应性，易于施工，锚杆布置非常灵活，锚固效率高，且由于其单向受力特点，其抗拔力易于控制，有利于池体结构的应力与变形协调，并能显著降低工程造价。通过对几种抗浮加固方案的比较，确定在增加部分自重的基础上，与抗浮锚杆相结合，组成联合抗浮抢险加固方式。方案的主体采用抗浮锚杆提供抗浮力，而在池底浇筑200mm厚的钢筋混凝土面层，一方面可增加池体质量2039.4t左右，另一方面可解决上浮事故造成底板开裂而影响底板整体性的问题，且底板钢筋混凝土面层结构在提供部分抗浮力的同时，又能起保护锚杆锚头免受侵蚀作用。3.2锚杆结构与参数设计由于岩土锚固结构失稳破坏形式主要有3种类型[9，10]：一是杆体材料的破坏，二是锚固结构从岩土体中拔出，三是锚固结构与岩土体整体破坏。这里根据第一、二类破坏形式设计主要锚固参数，再根据第三类破坏型式进行整体稳定性的验算。从力的传递机制来看，锚杆一般由锚固段、自由段及锚头3个部分组成。由于土体与锚孔内胶结砂浆间的黏结力远小于砂浆与钢筋间的黏结力，因此，土层锚杆的最小锚固长度将受土层性质的影响，主要由土层抗剪强度所控制。一般锚杆都是做成等截面形式，抗拔力主要是靠锚固体与周围土体提供，正常情况下该值较小