張世春 趙遠清 盧偉 楊君華 鄭一葦

（1.中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司 成都610081；2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司 天津300074）

1 工程概況

隨著設(shè)計水平不斷提高，我國的設(shè)計工作也逐步開到國外，但國外設(shè)計使用的標準、規(guī)范及制圖方式與國內(nèi)有較大的差異，給設(shè)計工作造成一定難度。位于馬來西亞首都吉隆坡（Kuala Lumpur）的PANTAI 2污水廠，是以英標計算設(shè)計的全地埋污水處理工程。本工程設(shè)計規(guī)模為32.0175萬m3／d，主要構(gòu)筑物為地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池頂覆土約1.0m，地面為球場、人工河、景觀公園等。

本文重點介紹PANTAI地埋式污水廠中的超長地埋式二沉池主要節(jié)點的設(shè)計方法及計算方式。二沉池外輪廓尺寸183.30m×98.95m，X1～X17軸埋置深度14.90m，X17～X18埋置深度18.30m，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)形式，剖面簡圖見圖1。

2 工程水文地質(zhì)條件

根據(jù)英標提供的地勘標準，給出的勘察報告主要內(nèi)容為土層描述及各土層的標貫級數(shù)，場地主要土層總體描述如下：（1）表層土（Top Soil）：每個鉆孔頂面均有一層很薄的表層土，厚度約為0.1m ～0.3m。（2）礫砂或粉沙（Gravelly Sand or Silty Sand）：每個的鉆孔均有本類土，顏色通常為棕色，淺灰色到深灰色。從松散到密實的變化規(guī)律隨著深度很一致，通過標準貫入實驗的N值來表示其密實度，本土層的厚度范圍為4m～20m。（3）礫質(zhì)粉土或砂質(zhì)粉土（Gravelly Silt Sandy Silt or）：本土層的顏色變化范圍是淺黃色到帶有紅色的淺灰色。其顆粒大小較均勻，屬礫質(zhì)粉土和砂質(zhì)粉土。標準貫級數(shù)值N值通常從0到300。（4）粉砂巖／砂巖基巖（Siltstone／Sandstone Bedrock）：本巖層由粉砂巖、砂巖巖層構(gòu)成?，F(xiàn)場出現(xiàn)粉砂巖基巖的鉆孔相對較少，顏色為淺灰色到黑色，核心取樣困難，中等破碎。

圖1 平面及典型剖面簡圖Fig.1 Typical section plane and sketch

根據(jù)在現(xiàn)場勘查期間安裝的6個豎管壓強計的測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)地下水位一般在現(xiàn)有地面的0.85m～3.15m以下范圍變化。地下水位沿地質(zhì)剖面圖中原始地面標高變化而波動。

3 結(jié)構(gòu)布置設(shè)計

3.1 伸縮縫的布置

方案一：按照國標《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50069－2002）［1］規(guī)定設(shè)縫距離設(shè)置變形縫。

方案二：按GB 50069－2002設(shè)置X向變形縫，Y向變形縫距離增大，并設(shè)置適當?shù)暮鬂矌А?/p>

方案三：按方案二設(shè)縫，不設(shè)置后澆帶，采用跳倉法施工。

1.方案一分析

二沉池外軸線尺寸為183.30m×98.95m×13.9m，局部X17～X18深17.3m。X向需設(shè)置2道變形縫，Y向設(shè)置5道變形縫。若Y向按30m設(shè)縫則共需設(shè)5道變形縫，相當于將二沉池分為獨立的18塊池體，18塊池體間采用止水帶連接止水。若采用這種方式處理，單獨池體在地震下碰撞將導致池體整體抗震性能差，分塊越多則出現(xiàn)橡膠帶老化和漏水情況的幾率越大。且因工藝流程影響，Y向設(shè)縫時需設(shè)置雙墻，設(shè)置雙墻將增加造價以及占地面積。

2.方案二分析

因Y向設(shè)置變形縫需設(shè)置雙墻，可能影響工藝布置及增加造價，將Y向設(shè)置兩道變形縫，X向按規(guī)范設(shè)置變形縫。則Y向根據(jù)工藝流程，可以分為47.6m、87.2m、47.6m 三塊，再設(shè)置5 處后澆帶，可以滿足要求。但后澆帶設(shè)置處要經(jīng)歷整個施工過程，后澆帶中難以避免會積雜質(zhì)及施工過程中產(chǎn)生的垃圾，若不清理干凈，將對工程質(zhì)量造成較大影響；后澆帶灌注混凝土前需將兩側(cè)鑿毛，底板澆筑間隔時間一般為42d左右，工期增加較多。

3.方案三分析

根據(jù)方案二中按X、Y向各設(shè)置變形縫兩道（如圖2c），采用間隔分塊澆筑方法可控制混凝土水化熱，與國內(nèi)通常所說的跳倉法施工大致相同。跳倉法施工常用的分倉方式有展開跳倉施工、遞推跳倉施工及緊湊跳倉施工，本工程面積較大，根據(jù)工程實踐，選取緊湊跳倉法施工。根據(jù)《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB 50496－2009）［2］國內(nèi)施工要求倉邊不大于40m，但馬方政府及監(jiān)理根據(jù)當?shù)亓晳T及標準，要求施工時單塊澆筑面積不大于7m×6m。在施工過程中，加強信息化施工，實時監(jiān)控混凝土溫度，采用測溫法實現(xiàn)溫控。綜合養(yǎng)生措施則采用草袋保溫加塑料薄膜保濕，保證降溫時間較緩，從而使混凝土的應力松弛效應充分發(fā)揮，達到降低約束應力的效果。跳倉法在混凝土施工過程中實時跟進與監(jiān)控，因混凝土的結(jié)構(gòu)長度和溫度應力不是線性關(guān)系，超過國內(nèi)規(guī)范規(guī)定的地下構(gòu)筑物30m設(shè)縫要求的超長構(gòu)筑物裂縫是可控的。

圖2 二沉池變形縫平面位置示意Fig.2 Sketch map of deformation plane of clarifier tank

4.方案選擇

經(jīng)以上分析，方案三較為適宜。在本工程材料選擇時，選用低收縮性水泥，嚴格控制水泥用量，優(yōu)化混凝土配合比，從而有效減少混凝土收縮變形和控制混凝土溫度應力。嚴格控制混凝土坍落度及混凝土原材料中粗細骨料含泥量，以達到提高混凝土抗拉強度和極限拉伸變形能力。方案三的分縫方案同方案二，中間兩處尺寸標注為池體變形縫位置（見圖3）。

圖3 水平傳力體系梁示意Fig.3 Sketch map of horizontal force transfer system beam

3.2 中板及傳力路徑設(shè)計

傳統(tǒng)土壓力系數(shù)取值為1／3，根據(jù)英標、馬來標、本工程監(jiān)理及馬來西亞政府相關(guān)要求，本工程主動土壓力系數(shù)取值0.50，由此計算得到的土壓力較傳統(tǒng)的土壓力（ka＝tan2（45°－φ／2））計算值大。二沉池整體埋深14.90m，局部埋深18.30m，埋深較大，受水土壓力大。池壁受較大水平力，其傳遞采用底板、負一層板及池體頂板三條傳力路徑。由于二沉池負一層大部分無板，水平力無法有效傳遞，故在沿池壁方向負一層標高處設(shè)置800mm×2200mm水平橫梁（見圖3中Y38軸負一層標高），將原板體系外池壁轉(zhuǎn)換為類梁板體系，可使池壁在負一層標高處形成支點。水平力傳遞則采用在負一層標高處垂直池壁設(shè)置支撐梁，其截面尺寸為1000mm×1200mm，水平間距約6m（見圖3中Y30～Y38支撐梁）。支撐除受外池壁傳來的土壓軸力外，尚有自重產(chǎn)生的彎矩，其計算應按偏壓構(gòu)件計算。

考慮經(jīng)濟效益及分析池壁實際受力情況，外池壁負二層標高處采用400mm×1200mm腋角，采用加腋方式后，外池壁負二層至負一層壁厚取700mm能夠滿足要求，較為經(jīng)濟合理。池體典型剖面見圖4。

圖4 外池壁典型剖面示意Fig.4 Typical profile of external pool wall

3.3 結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計

構(gòu)件的抗彎計算應根據(jù)BS 8110［3］相關(guān)規(guī)定，計算簡圖如圖5所示。

圖5 抗彎計算簡圖Fig.5 Calculation sketch of bending

根據(jù)力矩平衡可得：

由式（1）和式（3）可得：

當應力重分布不超過10%時，x＝d／2或z＝d－0.45x＝0.775d。

由式（4）可得K′＝0.156，假定K≤K′，可得無受壓鋼筋的截面計算為：

否則應配受壓鋼筋，其截面計算為：

構(gòu)件抗剪計算根據(jù)BS 8110［4］中相關(guān)規(guī)定，混凝土的抗剪強度采用截面平均剪應力v＝Vmax／（bvd）衡量，在任何情況下v不應超過或5N／mm2。混凝土抗剪的基本公式為：

根據(jù)BS 8110［3］，平均剪應力最大位置為H≤av≤2H范圍，此范圍破裂面的角度為26°～45°，在此范圍內(nèi)最不利，其中引起剪切破壞的是作用在截面X－X上的應力，見圖6。和國內(nèi)標準對于一般板類受彎構(gòu)件有既定的受剪承載力計算公式不同，英標對于抗剪計算的方法顯得更加繁瑣。除以上抗彎、抗剪外，受壓計算、撓度計算、鋼筋應力、裂縫計算等，均依據(jù)BS 8110［3］及BS 8007［4］相關(guān)規(guī)定計算，其中計算裂縫時，應根據(jù)板厚選擇不同的水泥水化峰值溫度與環(huán)境溫度差值T1。

4 地基基礎(chǔ)與抗浮設(shè)計

4.1 承載力確定

英標及馬來西亞當?shù)爻Ｒ?guī)地勘出具標準，與國內(nèi)地基有較大的不同，其報告不提供地基承載力特征值，文本及柱狀圖中僅提供土層相關(guān)信息及標貫值。其地基承載力根據(jù)BS 8004［5］相關(guān)規(guī)定，采用公式（9）計算：

圖6 抗剪截面破壞面簡圖Fig.6 the failure surface of shear section

式中：Qall為地基總變形為25mm時的允許承載力（t／m2）；Cb為影響系數(shù)，根據(jù)土層差異取值不同，其中：粉砂0.75、粉細砂1.00、中粗砂1.50、砂礫層2.00；N為標貫擊數(shù)；B為構(gòu)筑物基礎(chǔ)寬度（m）；Rw為地下水水位修正系數(shù)，基礎(chǔ)面在地下水位以上取1.00，基礎(chǔ)面在地下水位以下時取0.5；Dt為基礎(chǔ)厚度影響系數(shù)，Dt＝（1 ＋Df／B）≤2，其中Df為底板厚度。

4.2 抗浮設(shè)計

因本工程所在構(gòu)筑物池體埋深14.90m～18.30m，埋深較大，所處持力層土質(zhì)好，采用天然地基時，承載力能夠滿足設(shè)計要求，故本構(gòu)筑物采用天然地基。廠區(qū)內(nèi)有部分單體需采用灌注樁，灌注樁的計算方式也采用標貫級數(shù)等參數(shù)進行計算。

同時由于埋深較大，地下水位較高，池體自重遠不能滿足抗浮要求，本工程考慮采用錨桿抗浮措施。與國內(nèi)抗浮安全系數(shù)1.05取值不同的是，BS 8007［4］規(guī)定的安全系數(shù)為1.10，其基本計算公式見式（10）：

式中：Hw為底板地面與計算抗浮水位高差（m）；W／A為單位面積抗浮結(jié)構(gòu)自重（kN／m2）；γw為地下水容重（kN／m3）。

錨桿承載力計算公式與國內(nèi)規(guī)范大致相同，但其中的安全系數(shù)差距較大。錨桿計算公式見式（11）：

式中：Tw為單根錨桿抗拔承載力（N）；As為單根錨桿鋼筋的截面積（mm2）；fy為錨桿鋼筋的屈服強度設(shè)計值（MPa）；Sf為安全系數(shù)，BS 8081中臨時錨桿取值為2、永久錨桿取值為3。

假定錨桿只能承受拉力，不能受壓，屬于非線性材料，其中Kp＝15000kN／m。經(jīng)自重與浮力差值計算，采用2.20m×2.20m的錨桿布置間距，直徑40mm的螺紋鋼筋（單根錨桿承載力為192.6kN），平均錨桿長度8.0m滿足要求。

根據(jù)BS 8081［6］要求，錨桿計算時需計算土體整體破壞及局部破壞穩(wěn)定性，且外部需采用塑料套錨桿采用C40混凝土的防腐措施。中國標準對抗浮設(shè)計的安全系數(shù)為1.05，對于BS標準計算錨桿時采用標準值并取安全系數(shù)3，中國標準略小于BS標準，英標計算的抗浮錨桿結(jié)果較中國標準安全富余更大。

5 水池結(jié)構(gòu)SAP2000三維有限元分析

因本工程埋深較大，地下面積較大，傳統(tǒng)的計算方法不適宜，因此在設(shè)計過程中采用有限元軟件SAP2000 進行空間受力計算［7，8］。其中有限元采用的材料參數(shù)及控制參數(shù)主要依據(jù)英標BS

8007、BS8102［9］和BS8110 選取：最大計算裂縫控制在0.2mm 以內(nèi)，采用C35 抗?jié)B混凝土［9］，根據(jù)BS 5950［10］規(guī)定，鋼筋采用屈服強度460MPa螺紋鋼筋以及屈服強度250MPa圓鋼；環(huán)境溫度差值與水泥水化峰值溫度T1取值為T1＝25°～47°，基于BS8007［4］相關(guān)規(guī)定，季節(jié)溫差T2＝10℃，混凝土有效線膨脹率采用1×10－5／℃。

典型的部分有限元模型見圖7。由于有限元分析考慮空間受力及變形協(xié)調(diào)，更能真實地反映體系受力的實際情況，故根據(jù)空間受力所得應力云圖進行結(jié)構(gòu)設(shè)計更為經(jīng)濟合理。圖7中的二沉池頂板開孔處為天河，二沉池底板位置設(shè)置土彈簧模擬土層狀況，同時設(shè)置僅受拉力的錨桿，土彈簧根據(jù)BS8004取值為50000kN／m3。建模過程中的底板、內(nèi)外池壁、各類渠道、走道板及頂板均采用shell單元，池體負一層及負二層的梁柱采用frame單元。根據(jù)英標BS系列標準，恒荷載系數(shù)取值為1.4，活荷載系數(shù)取值為1.6［12］，荷載組合時，大致根據(jù)國內(nèi)的水池設(shè)計工況設(shè)置，主要有：全滿水、全空池、一格滿水一格空池三種工況。因有限元分析時，二沉池底板下放置抗拔錨桿及設(shè)置土彈簧模擬土體的實際作用，空間分析過程中，錨桿對底板有拉力作用，與傳統(tǒng)表格計算相比較，可降低底板彎矩值，減少配筋，以X1～X2軸與Y29～Y38軸間計算跨度為9.5m×46m底板為例，采用傳統(tǒng)計算方式得出短跨支座彎矩為1084kN·m，SAP2000計算得出為925kN·m，彎矩值小14.6%。

圖7 SAP2000有限元空間模型Fig.7 SAP2000 finite element space model

6 結(jié)語

本工程完全采用英標設(shè)計，設(shè)計過程中總結(jié)了以下幾個需要注意的地方，供類似工程參考：

1.根據(jù)國內(nèi)標準，對水池設(shè)縫間距有明確規(guī)定，以往的水池漏水處常在設(shè)縫的位置，但英標及馬來標未要求最小設(shè)縫長度超長池體可以考慮少設(shè)縫，本工程采用跳倉法施工是一種有效合理的選擇。

2.地埋廠池壁所受到的水土壓力較大，在負一層頂標高無板處需設(shè)置水平向連貫支持，保證水平向傳力路徑明確，避免單一依靠池壁承受外部水土壓力，保證池體整體安全。

3.和中國標準計算采用現(xiàn)成公式不同，英標中更重視介紹過程計算，其中恒載活載系數(shù)分別為1.4和1.6與國內(nèi)標準相差較大；正截面和斜截面計算均采用應力計算，其中斜截面抗剪采用斜截面最大應力法，破壞面和國內(nèi)標準完全不一致。

4.英標中地基承載力僅有土層信息及標貫值，地基承載力需根據(jù)參數(shù)計算，這與國內(nèi)地勘報告已經(jīng)給出地基承載力值不同。

5.英標抗浮需計算土體整體及局部穩(wěn)定，臨時錨桿和永久錨桿抗浮系數(shù)分別取值為2和3，相較于國內(nèi)標準計算，其安全儲備更大。