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施工期的抗浮稳定标准应如何满足?

353 2020-11-12 11:13:36


   施工期的抗浮稳定标准
标准中唯一的强条,告诉我们抗浮稳定所包含的内容:

依据3.0.4的条文说明,标准通过强调抗浮构件的承载力、变形和抗浮设施的自身性能、建筑结构性能以及耐久性等要求,目的是确保建筑工程在全生命周期内的抗浮稳定性、结构安全性及使用功能
显而易见,稳定性要求包含在抗浮稳定标准之中,并结合抗浮结构和构件的整体性能加以保证。
考虑到施工周期是建筑工程全生命周期的一部分,该阶段的抗浮稳定性也是必须验算和满足的。为此,3.0.3条提供了计算公式:
式中,G为所有抗力设计值的总和,包含结构自重、附加物自重、抗浮结构及构件抗力的总和(kN);Nw,k是浮力设计值(kN);Kw为抗浮稳定安全系数,其值见下表:
   施工期的浮力
当大白从上式的浮力端入手,查询与施工期设防水位相关的具体规定时,可以找到下述内容:
正常情况下,抗浮设防水位应根据项目具体条件,按施工期和使用期分别确定。
从经济性的角度出发,施工期的设防水位肯定要和使用期的分开的。若从安全和简化的角度来说,两者按同一设防水位进行稳定分析和设计也是可以的。
对于施工期的抗浮设防水位取值,标准也给出了具体的指引:
综上可认为,施工期的抗浮设防水位综合了各种不利工况,取值较为明确,可直接用作设计依据。

   施工期的抗浮力
有趣的是,当研究起稳定性公式的抗力端时,清晰感就不复存在了,多个疑问纷至沓来。其中最大的疑惑点,则在于施工期抗浮力组合取值的规定上面:

疑惑点一:
与使用期相比,施工期的抗浮力未包括抗浮构件(如抗浮锚杆、抗浮桩)提供的抗拔力。
对于一般工程项目,常通过设置抗浮构件以满足使用期抗浮稳定性需求。若不计入构件抗拔力的有利作用,其稳定性自然无法满足。同理,同一项目的施工阶段仅靠原有的结构自重和填筑材料自重抵抗浮力,就算抗浮稳定安全系数上有所差别,这种工况下的抗浮状态有极大概率是不稳定的。

疑惑点二:
条文说明与正文存在冲突;
地下结构外墙与填筑材料的侧摩阻力,按正文是可以计入抗浮力组合的,但条文说明中则给出了相反的说法。
考虑到6.3.5条给出了侧摩阻力的具体计算方法,大白猜测该条文说明并未能及时更新。我们亦可以合理地怀疑,不考虑地下水控制有利作用的做法是否需要调整?
此外,做过抗浮设计的朋友们都知道,肥槽区土体与外墙的侧摩阻力对整体抗浮稳定性是有用的,但对局部稳定性的贡献不大。就算计入抗浮力组合,施工期的抗浮状态仍然是难以满足的。

疑惑点三:
结构自重应取不同施工阶段下的值;填筑材料或其与外墙的侧摩阻力应按实际情况组合,似乎较适合针对特定时间节点下的工况进行验算。
施工过程中的防范意识不强,是造成抗浮结构和构件在浮力下产生损害的诱因之一。标准3.0.11条的条文说明列举了失效事故的部分原因,大白将其简单归纳如下:
一、地下水位较高,底板下土层的渗透性较强,施工降水停止过早或肥槽未及时回填;
二、地下水位较低,但施工过程中地表水排水不畅,雨季的到来提高了底板下的浮力;
三、结构覆土未及时填筑,或上部建筑荷载不能及时施加,遭遇暴雨等意外情况导致地下结构的上浮等等。
构思结构讨论群的朋友们也遇到过类似问题,可见失效事故并不是个例:
帅哥A说:
帅哥B说:
需要注意的是,上述事故发生时,主体、覆土、肥槽回填等的施工完成状态均是不同的,从满足标准要求的角度来说,单一项目的抗浮力可能存在N种组合状态。


然而,设计工作是无法进行穷举验算的,仅能针对特定时间节点。例如项目施工到某一阶段,因工程停工必须临时停止基坑降水,此时主体完成情况、填筑材料的施工完成量、肥槽填筑情况等状态才是确定的,方能进行具体工况组合下的施工期抗浮稳定计算。
这种确定状态下,根据条文要求进行设计,不计入抗浮构件的抗拔力,通过临时措施对其进行保护;项目复工后,令其能完成正常使用阶段的结构性能,是合理的。

   施工期抗浮稳定设计
看完上面3个问题,大家估计会同大白一样,脑子里有个巨大的问号???
标准怎么会设置一个根本算不过的工况?施工期的抗浮稳定性该如何满足?我们是不是遗漏了什么内容?
带着问题,大白回头翻阅了相关规定,以找寻答案的蛛丝马迹。
3.0.2条告诉我们,稳定性设计的过程中,抗浮状态不稳定是存在的,我们必须采取相应的抗浮措施。而标准对抗浮措施的定义是,防止、减小或控制地下水浮力所采取的工程技术方法(2.1.15条)。
其条文说明中则提到:
施工期的临时性措施也是抗浮措施之一。
施工期抗浮不稳定状态下的临时性抗浮措施可参考6.1.4条要求,需要采用具体的抗浮治理方案。
依据表6.5.1的相关内容,并结合以往工程实践经验,建议采用排水限压法来控制施工期的地下水浮力。
施工期场地地下水控制的目标水位,可参考8.1.2条,取结构底板底面下1.0m。
依据5.1.1条,此时的抗浮设防水位可采用地下水控制措施下的目标水位,以满足期间结构和构件的稳定性和整体性能要求,从而满足施工期的抗浮稳定标准要求。

   大白的理解
新抗浮标准提出施工期抗浮稳定标准,原因在于大部分抗浮失效的工程事故都发生于施工期间,无论是设计或施工单位,均普遍忽视该阶段结构的抗浮力不足以抵抗地下水浮力这一事实。
就算施工期间采用控制地下水位的临时性措施,结构工程师仍需在图纸上提醒施工单位,应对降水系统进行全过程的运行控制和维护管理,以保证具体措施的有效性。
同时,设计图中还需注明,极端情况下(例如项目烂尾或临时停工导致的停止降水),施工单位应提前报请设计单位进行正常施工期设防水位下的抗浮稳定标准验算。若验算结果不满足,可参考既有工程抗浮失效的应急处理措施进行处置。
大白以为,施工期的抗浮稳定性规定,更适用于施工过程中极端情况下的抗浮结构及构件的复核与验算。

   设计对策
综合上述内容,满足施工期抗浮标准的设计对策如下:
一、根据勘查单位提供的施工期抗浮设防水位(若有)或直接采用使用期设防水位进行初步试算,不计入抗浮构件(锚杆或桩)的抗拔力贡献,仅考虑地下结构的自重(不计入覆土等填筑材料和地上结构自重)。若不能满足,应得到抗浮状态不稳定的结论,并记入计算书中;
二、计算书内应明确临时性的抗浮治理方案(如排水限压法等),来控制地下水位至结构底板底面下1.0m,得出抗浮结构及构件满足抗浮稳定性的结论;
三、考虑到项目的全生命周期性能,应进行抗浮结构及构件在无抗浮水位工况下的承载力、变形等验算,特别是复核抗浮构件在受压工况下的承载能力(3.0.10条第5款),以满足相关要求并提供计算书,从而最终得到施工期抗浮稳定标准满足要求的结论;
四、设计图纸上注明施工期应采用的临时性抗浮治理方案与具体控制水位,否则抗浮稳定标准便无法满足;补充期间降水系统过程控制及维护要求;
五、注明施工单位若必须临时或永久性的停止施工降水时,应提前报请设计单位复核或处置,经设计单位确认并实施应对方案后,方可停止施工降水;
六、使用期的抗浮稳定标准应另行设计。

   两点笔误
一、条文“3.1.10”条应为“3.0.10”条;
二、参照其他规范,续表7.1.10-1中,最大碱含量“0.3”kg/m3应为“3.0”kg/m3

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稿源:构思结构

作者:大白

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大白,一线结构工程师,国家一级注册结构工程师,高级工程师,《建筑结构》杂志上独立发表论文。从事结构设计工作15年,一注10年。擅长剪力墙结构分析及优化、复杂公建分析及精细化设计等内容。