筏形基礎(chǔ)與地下室防水板設(shè)計(jì)問題探討

羅學(xué)鋒

（中國冶金地質(zhì)總局二局，福建 閩侯 350108）

1 筏板類型選擇

筏形基礎(chǔ)分為平板式基礎(chǔ)和梁板式基礎(chǔ)，平板式基礎(chǔ)支持局部加厚筏板類型，梁板式基礎(chǔ)包括肋梁上平及下平2種形式。

筏形基礎(chǔ)形式應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)體系、柱墻間距、荷載大小及工程地質(zhì)條件、施工條件等綜合分析確定。在工程設(shè)計(jì)中，一般認(rèn)為柱距變化、柱間荷載變化不超過20%時(shí)，對于柱網(wǎng)均勻且間距較小及上部荷載不大的結(jié)構(gòu)，通?？紤]選用平板式筏形基礎(chǔ)；對于縱橫柱網(wǎng)尺寸相差較大，且上部結(jié)構(gòu)荷載也較大時(shí)，宜選用梁板式筏形基礎(chǔ)。對于上部結(jié)構(gòu)為剪力墻體系時(shí)，如果每道剪力墻均直通基礎(chǔ)，一般采用平板式筏形基礎(chǔ)。平板式筏形基礎(chǔ)由于施工工藝簡單且快捷，在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用。

2 筏形基礎(chǔ)厚度

2.1 設(shè)計(jì)規(guī)范

梁板式筏形基礎(chǔ)底板厚度，當(dāng)樓層數(shù)大于12層時(shí)，不應(yīng)小于1/14 Ld且不應(yīng)小于400mm，Ld為最大雙向板格的短邊凈跨，假設(shè)采用8m×8m雙向板，則最小厚度為570mm；當(dāng)樓層數(shù)不大于12層時(shí)，底板厚度不小于1/20 Ld且不小于300mm，假設(shè)采用8m×8m雙向板，則最小厚度為400mm；高層建筑的平板式筏形基礎(chǔ)板厚不應(yīng)小于500mm。

2.2 工程經(jīng)驗(yàn)

筏板厚度的選取應(yīng)通過計(jì)算確定，其與樓高及柱墻間距關(guān)系最大，與混凝土強(qiáng)度、荷載均勻性及地基承載力大小等也有關(guān)系。當(dāng)建筑高度為15層以下時(shí)，可按每層50mm估算筏形基礎(chǔ)厚度。

實(shí)際上，筏形基礎(chǔ)厚度主要取決于混凝土的抗沖切計(jì)算。如有2個(gè)建設(shè)高度分別為25層和32層的工程項(xiàng)目，均設(shè)1層地下室，采用平板式筏形基礎(chǔ)，25層建筑筏形基礎(chǔ)厚度采用2000mm，而32層建筑筏形基礎(chǔ)厚度卻只用1200mm。因此，筏形基礎(chǔ)厚度按每層50mm估算，只是經(jīng)驗(yàn)值。

3 平板式筏形基礎(chǔ)沖切計(jì)算

3.1 平板式筏形基礎(chǔ)內(nèi)柱下板厚受沖切承載力計(jì)算

3.1.1 計(jì)算公式

內(nèi)柱沖切截面如圖1所示，計(jì)算公式如下。

圖1 平板式筏形基礎(chǔ)內(nèi)柱下板厚受沖切截面

式中，F(xiàn)l為相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時(shí)的沖切力（kN）；um為距柱邊緣不小于h0/2處的沖切臨界截面的最小周長（m）；h0為筏板的有效高度（m）；Munb為作用在沖切臨界截面重心上的不平衡彎矩（kN·m）；cAB為沿彎矩作用方向沖切臨界截面重心至沖切臨界截面最大剪應(yīng)力點(diǎn)的距離（m）；Is為沖切臨界截面對其重心的極慣性矩（m4）；βs為柱截面長邊與短邊的比值；βhp為受沖切承載力截面高度影響系數(shù)；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（kPa）；c1為與彎矩作用方向一致的沖切臨界截面的邊長（m）；c2為垂直于 c1的沖切臨界截面邊長（m）；as為不平衡彎矩通過沖切臨界截面上的偏心建立傳遞分配系數(shù)。

3.1.2 計(jì)算分析

1）公式（1）右側(cè)第1項(xiàng)是集中力作用下的沖切承載力，右側(cè)第2項(xiàng)是作用在沖切臨界截面重心上的不平衡彎矩產(chǎn)生的附加剪力。

2）基礎(chǔ)邊柱和角柱的沖切驗(yàn)算，其沖切力應(yīng)分別乘以1.1和1.2的增大系數(shù)。

3）試驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)柱的沖切破壞呈完整的錐體狀。

4）對于內(nèi)柱，柱截面形心與臨界截面重心重合，沖切臨界截面重心上的彎矩取柱根彎矩設(shè)計(jì)值。當(dāng)結(jié)構(gòu)體系較簡單柱根彎矩較小時(shí)，最大剪應(yīng)力可以按公式（1）右側(cè)第1項(xiàng)進(jìn)行估算。

3.2 平板式筏形基礎(chǔ)在內(nèi)筒下的板厚受沖切承載力計(jì)算

3.2.1 計(jì)算公式

式中，F(xiàn)l為相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時(shí)內(nèi)筒所承受的軸力設(shè)計(jì)值與內(nèi)筒下筏板沖切破壞錐體內(nèi)的基底凈反力設(shè)計(jì)值（kN）；um為距內(nèi)筒外表面h0/2處沖切臨界截面的周長（m）；η為內(nèi)筒沖切臨界截面周長影響系數(shù)，取1.25。

3.2.2 計(jì)算分析

1）混凝土抗沖切承載力隨臨界截面的周長與有效高度比值的增加而降低，核心筒占有相當(dāng)大的面積，其下筏板的受沖切承載力實(shí)際上降低了，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提高核心筒下筏板的厚度。

2）框筒結(jié)構(gòu)下筏板底部最大應(yīng)力出現(xiàn)在核心筒邊緣處，提高厚度有利力核心筒邊緣處筏板應(yīng)力較大部位的配筋。

4 筏形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)步驟

JCCAD→選擇基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)→地質(zhì)資料→地基承載力參數(shù)及深寬修正系數(shù)→基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)→荷載輸入→荷載組合→選擇目標(biāo)荷載（最大和最小軸力、最大偏心矩、最大彎矩等）→圍區(qū)生成，完成筏板布置設(shè)計(jì)。

4.2 沉降計(jì)算

一般采用文克爾模型，輸入回彈再壓縮模量/壓縮模量（目前地勘單位提交的工程勘察報(bào)告一般不提供回彈再壓縮模量指標(biāo)，可采用壓縮模量參數(shù)）→選擇廣義文克爾模型進(jìn)行地梁內(nèi)力計(jì)算。廣義文克爾假定計(jì)算，基礎(chǔ)邊角部分的K值大，中部的K值小，以剛性樓板假定進(jìn)行沉降計(jì)算，不選擇該項(xiàng)。按一般文克爾假定計(jì)算，K值為常量，不考慮地基土的相互影響。

4.3 彈性地基梁結(jié)構(gòu)計(jì)算

彈性地基基床反力系數(shù)K由于地勘單位的勘察報(bào)告一般不會提供，可采用經(jīng)驗(yàn)參考值進(jìn)行估算，基床反力系數(shù)的合理性是看沉降技術(shù)結(jié)果，要不斷調(diào)整基床系數(shù)，使與經(jīng)驗(yàn)值或分層總和法手算結(jié)果相近，從而得出合理的K值，再由K值計(jì)算彈性位移。

5 地下室抗浮與防水設(shè)計(jì)

對于地下室連接體，由于其自身重量較小，地下水的浮力作用對地下室的穩(wěn)定性、基礎(chǔ)選型、底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程施工及建成后的正常使用等有全方位影響，因此地下室抗浮設(shè)計(jì)極為重要。

5.1 抗浮設(shè)計(jì)

地下室抗浮設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)滿足整體抗浮和局部抗浮，施工期間和使用期間的抗浮驗(yàn)算應(yīng)保證地下室的梁板柱有足夠的強(qiáng)度和剛度。

地下室結(jié)構(gòu)及頂板覆土自重除以水浮力作用值應(yīng)不小于1.05（安全系數(shù)），當(dāng)抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算不能滿足要求時(shí)，可采用配重法、抗拔樁或抗浮錨桿、增加結(jié)構(gòu)剛度等措施加以保證，對于地下水位或使用荷載變化較大的地下建（構(gòu)）筑物宜優(yōu)先使用抗浮樁?？垢≡O(shè)計(jì)常用方法如下。

1）結(jié)構(gòu)自重＋頂板覆土壓重方法 采用回填土、磚石或混凝土等壓重措施平衡地下水浮力。

2）增加抗拔力方法采用抗拔樁（錨）構(gòu)件承擔(dān)部分地下水浮力。

3）浮力控制方法 采取截水、疏水、排水等措施，使地下水位控制在預(yù)定的標(biāo)高以下或減小地下水對建筑物的浮力作用。

5.2 防水板設(shè)計(jì)

1）抗浮水頭×1.35（1.40）－（抗水板＋面層）自重作為浮力，進(jìn)行抗水板受彎計(jì)算。

2）獨(dú)基＋梁＋抗水板時(shí)，可按倒置的肋形樓蓋模型計(jì)算板底筋及支座筋。

3）獨(dú)基＋抗水板時(shí)，可采用有限元計(jì)算，或按倒置的無梁樓蓋的計(jì)算。

4）裂縫應(yīng)按0.20mm控制。

6 倒樓蓋模型計(jì)算方法

倒樓蓋法類似于計(jì)算柱下條形基礎(chǔ)的倒梁法，按該方法計(jì)算平板式筏形基礎(chǔ)的內(nèi)力，是把筏形基礎(chǔ)看成倒置的無梁樓蓋，計(jì)算時(shí)在平面上將基礎(chǔ)劃分為柱下板帶和跨中板帶，邊排柱下的板帶寬度取相鄰柱間距的1/4與柱軸線至基底邊緣距離之和，其余板帶寬度為柱距的1/2；若柱距不相等，則為相鄰柱距平均值的1/2。然后根據(jù)柱荷載和均勻分布的地基凈反力，按無梁樓蓋計(jì)算基礎(chǔ)內(nèi)力。

在計(jì)算筏形基礎(chǔ)時(shí)，假設(shè)基底凈反力為直線分布，當(dāng)?shù)鼗容^均勻，上部結(jié)構(gòu)剛度較好，梁板式筏形基礎(chǔ)的高跨比或平板式筏形基礎(chǔ)的高厚比不小于1/6，且相鄰柱荷載及柱距變化不超過20%，筏形基礎(chǔ)可僅考慮局部彎曲作用，按倒樓蓋計(jì)算。地下室防水板宜采用相關(guān)程序按復(fù)雜樓板計(jì)算，也可按無梁樓蓋雙向板計(jì)算。無梁樓蓋雙向板計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法如下。

1）劃分防水板柱下板帶和跨中板帶。

2）先算出垂直荷載產(chǎn)生的板的總彎矩設(shè)計(jì)值，然后按表1確定柱下板帶和跨中板帶的彎矩設(shè)計(jì)值。

Mx＝qly（lx－2bce/3）2/8 My＝qly（lx－2bce/3）2/8

表1 柱下板帶和跨中板帶彎矩分配值 kN·m

7 超高層建筑筏形基礎(chǔ)勘察要點(diǎn)

1）查明筏形基礎(chǔ)底下持力層和主要受力層的均勻性、地基承載力和變形特征。這里需強(qiáng)調(diào)的是地基均勻性，因?yàn)橛行┕こ碳夹g(shù)人員認(rèn)為筏形基礎(chǔ)剛度大，具有較好地調(diào)整基礎(chǔ)不均勻變形的作用，而輕視了地基不均勻性的影響，這實(shí)際上是一個(gè)認(rèn)識誤區(qū)，超高層建筑一般采用剪力墻結(jié)構(gòu)，荷載很大且集中，當(dāng)剪力墻下部地基較軟或不均勻時(shí)，也可能造成結(jié)構(gòu)損傷；另外，超高層建筑不允許出現(xiàn)過大的偏心受壓和整體傾斜。

2）當(dāng)?shù)叵率衣裆钶^大需分析基坑開挖卸荷與再加荷對地基變形的影響時(shí)，應(yīng)進(jìn)行回彈再壓縮試驗(yàn)，其壓力的施加情況應(yīng)模擬實(shí)際加卸荷的應(yīng)力狀態(tài)。

3）當(dāng)設(shè)計(jì)需要地基土的基床系數(shù)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行基床系數(shù)載荷試驗(yàn)。在工程實(shí)踐中，現(xiàn)場往往采用面積0.5m2的方形承壓板進(jìn)行載荷試驗(yàn)，通過換算，實(shí)際基礎(chǔ)尺寸的修正地基基床系數(shù)Ks可按下列公式計(jì)算（P、s的取值方法同基床系數(shù)載荷試驗(yàn)）：

黏性土：Ks＝［0.8（2L＋B）P］/（3LBs）

砂土：Ks＝［0.582（B＋0.3）2P］/（B2s）

4）筏形基礎(chǔ)的地基反力和施工驗(yàn)槽對于筏形基礎(chǔ)，基坑開挖時(shí)，若坑內(nèi)排水需采用簡易集水井，集水井宜設(shè)置在地基反力系數(shù)較小的部位；施工驗(yàn)槽時(shí)應(yīng)重點(diǎn)檢驗(yàn)地基反力系數(shù)較大的部位，驗(yàn)正有關(guān)基底部位的巖土地基情況。

當(dāng)基礎(chǔ)底面形狀為矩形（L×B）時(shí)，對于不同的地基土，其地基反力系數(shù)的分布特點(diǎn)為：①軟土地基總體受力沿短邊B方向呈帶狀分布，中間較大，兩邊較小，在長邊L邊緣的中間部位最小，短邊B邊緣的中間部位最大；②黏性土、砂土地基總體上周邊較大，中間較小，4個(gè)角部最大，砂土地基比黏性土地基更明顯；③巖石地基由于其強(qiáng)度非常高，在荷載作用下，只是裂隙可能被壓密，然后呈現(xiàn)彈性變形，沉降變形量非常小，地基反力易向中間部位及柱墻位置集中，具有與普通地基不同的特征。

8 結(jié)語

1）壓線設(shè)計(jì)問題 目前，特別是房地產(chǎn)業(yè)，為趕進(jìn)度和節(jié)約造價(jià)，采取低限壓線設(shè)計(jì)的行為時(shí)而有之。如某已建工程為30層住宅樓，地下1層，基礎(chǔ)方案原設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力管樁，業(yè)主為滿足進(jìn)度需要，多次召開專家論證，基礎(chǔ)方案不斷調(diào)整，從管樁調(diào)整為筏板加減沉樁，最后調(diào)整為平板式筏形基礎(chǔ)，該工程封頂后，由于筏形基礎(chǔ)下的持力層卵石層均勻性較差，出現(xiàn)較大差異沉降和整體傾斜，最終需要對基礎(chǔ)采取補(bǔ)強(qiáng)加固處理。

2）基礎(chǔ)作為建筑物的地下結(jié)構(gòu)部分，在使用中受上部結(jié)構(gòu)體系、上部荷載、地基反力、地下水作用力等因素影響，其理論基礎(chǔ)研究水平卻明顯落后于上部結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)?shù)玫较嚓P(guān)建設(shè)部門更多的關(guān)注和研究。

對于一般地基上的高層建筑，采用筏形基礎(chǔ)或均勻布樁的樁基礎(chǔ)時(shí)，其變形特征往往是中部變形較大，呈碟形沉降和馬鞍形反力分布。而位于巖石地基上的各種淺基礎(chǔ)，變形特征卻有所不同，由于巖石地基強(qiáng)度非常大，變形量非常微小，導(dǎo)致地基反力向中部和柱墻集中，呈現(xiàn)出與普通地基不同的特征。期望業(yè)界今后更多地總結(jié)巖石地基基礎(chǔ)方面的經(jīng)驗(yàn)。

3）在以往工程建設(shè)中，地下室常出現(xiàn)裂縫滲水問題，不僅是施工原因。因?yàn)閷τ诘叵率疫B接體的底板，許多工程項(xiàng)目只按抗水板考慮，實(shí)際上地下水的作用很復(fù)雜，地下室底板的防水層也容易失效，大面積滿鋪地下室很容易在局部地段出現(xiàn)底板承受過大的水浮力或地基反力現(xiàn)象。

對于地下室底板設(shè)計(jì)要求，新的規(guī)定有所加強(qiáng)，例如1層地下室，新規(guī)要求底板厚度不小于350mm，板筋不小于φ14且間距不小于150mm。

4）變形控制是地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工的主要內(nèi)容：①高層建筑筏形基礎(chǔ) 當(dāng)深基坑開挖后，基底卸荷可能產(chǎn)生較大回彈，而應(yīng)力釋放、浸水軟化或地基土被擾動等因素又會加劇回彈影響，有時(shí)回彈再壓縮的沉降量占總沉降變形量比例較大，此時(shí)在沉降計(jì)算中應(yīng)當(dāng)考慮回彈再壓縮引起的沉降量；②地下室防水板 由于地下室與高層建筑荷載差異很大，易產(chǎn)生差異沉降變形，因此應(yīng)合理設(shè)置沉降后澆帶，施工過程主樓和地下室均應(yīng)當(dāng)進(jìn)行沉降變形監(jiān)測，在主樓砌體大部分完成且沉降變形速率較小后，再進(jìn)行后澆帶封閉施工。當(dāng)后澆帶封閉后，如果沉降變形量仍然較大，地下室鄰近主樓部位的防水板可能產(chǎn)生過大的地基反力，設(shè)計(jì)宜適當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，或在防水板底下增設(shè)軟墊層。

5）地基基礎(chǔ)很重要又屬于隱蔽工程，一旦出現(xiàn)了質(zhì)量問題，往往難以查找原因。應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)學(xué)習(xí)研究和地基驗(yàn)槽工作，發(fā)揮專業(yè)作用，確保工程質(zhì)量和可靠度。