清水池抗浮設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

摘 要 地下水水位較高的場(chǎng)地內(nèi)，避免清水池浸泡在水中而浮起來(lái)，首先必須滿足整體抗浮的要求，然后再考慮局部抗浮。水位以下覆土壓重的土容重的取值根據(jù)計(jì)算機(jī)建模模型的不同，輸入浮重度或飽和重度;當(dāng)局部抗浮力小于水浮力，導(dǎo)致底板局部上浮隆起，反拱底板脫離持力層后不能形成支座，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)剛度，確定兩端的支座點(diǎn)位置形成約束，才能得到筏板計(jì)算長(zhǎng)度。本文就抗浮不足、設(shè)計(jì)時(shí)模型方案和設(shè)計(jì)取值上討論一下結(jié)構(gòu)計(jì)算概念。

關(guān)鍵詞 整體抗浮;局部抗浮;飽和重度;浮重度

概述

（1）對(duì)于簡(jiǎn)單的浮力作用情況，可采用阿基米德原理計(jì)算，基礎(chǔ)抗浮穩(wěn)定性應(yīng)符合下式要求：

式中：Gk—建筑物自重及壓重之和（kN）;不含活載在內(nèi)的自重及壓重等永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值;Nw，k—浮力作用值（kN）;kW—抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般情況下可取1.05。

（2）在整體滿足抗浮穩(wěn)定性要求而局部不滿足時(shí)，也可采用增加結(jié)構(gòu)剛度的措施[1]。

抗浮設(shè)計(jì)驗(yàn)算內(nèi)容包括：①整體抗浮驗(yàn)算;②局部抗浮驗(yàn)算[1]。

1整體抗浮驗(yàn)算

地下清水池長(zhǎng)26.7m，寬24.2m，凈高6.0m，地下抗浮水位很高，在室外地面下1.4m，清水池埋設(shè)很深，池底標(biāo)高在室外地面下-6.8m。按照（5.4.3）式整體抗浮驗(yàn)算<1.05。抗浮驗(yàn)算不滿足規(guī)范要求，采用的抗浮措施有：自重抗浮、覆土壓重抗浮、基底外挑配重抗浮、抗拔樁抗浮或錨桿抗浮。自重抗浮是在滿足混凝土構(gòu)件強(qiáng)度和裂縫的要求后，增加混凝土的重量抗浮，這種方法適用于抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)驗(yàn)算結(jié)果比較接近1.05的情況，如果相差太大，就增加了混凝土用量和鋼筋的最小配筋率，經(jīng)濟(jì)性較差，所以采用在清水池上覆土增加壓重的方式抗浮，并且北區(qū)寒冷地區(qū)有防凍的要求，增加0.8m的覆土抗浮，經(jīng)過(guò)計(jì)算還是不能滿足抗浮驗(yàn)算。再采用基底配重抗浮方式，在清水池底板外挑出來(lái)0.5m長(zhǎng)的基礎(chǔ)底板，利用外挑板及其上土重作為壓重，這種做法也能減小混凝土用量，但也不能外挑太大，太大也會(huì)增加土方開(kāi)挖的量，綜合造價(jià)不一定經(jīng)濟(jì)。

如清水池受力圖1所示：各種自重和壓重力（不含活載在內(nèi)的自重及壓重等永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值）和浮力作用力。其中有爭(zhēng)議的是外挑板其上的土重度選用浮重度（數(shù)值范圍8～13KN/m?）還是天然重度（數(shù)值范圍16～22KN/m?）[2]。

首先從土的力學(xué)性能定義來(lái)分析，見(jiàn)圖2。（h為水頭高度），地下水位以下的土為飽和密度，其中m包括飽和水重量和土顆粒的重量的疊加，不考慮底板的厚度對(duì)水壓力的誤差后，同一水平面的浮力是相等的（浮力大小與深度有關(guān)，類(lèi)似于大氣壓力與海拔有關(guān)） Fw.d=Fw.s≈γw* h，F(xiàn)w.d與γw* h方向相反相互抵消，外挑底板的合力包括G4=ms和外挑底板自重，方向向下，簡(jiǎn)化公式為 ms/V，但不應(yīng)該取干密度為土重，干密度（數(shù)值范圍13～20KN/m?）是在烘干時(shí)狀態(tài)下的體積與飽和水狀態(tài)下土的體積完全不同。從另外個(gè)角度理解，比例式減壓閥利用閥體內(nèi)部活塞兩端不同受荷面積產(chǎn)生的壓力差，改變閥后的壓力，達(dá)到減壓目的;作用面產(chǎn)生的壓力差在清水池挑板的上表面和下表面，向上的水浮力與向下的水重力相等（大小跟水頭有關(guān)系），水位以下的土按照浮重度取值。G4應(yīng)按照（水位以上）土的天然重度和（水位以下）土的浮重度的加權(quán)平均值取。

整體抗浮計(jì)算時(shí)Nw，k浮力作用值（kN）與作用面積有關(guān)，通常計(jì)算到清水池砼外擋墻外緣的面積，但底板外挑時(shí)，上文（式1）計(jì)算的土壓重合力已經(jīng)把水浮力Fw.d≈γw*h等效掉了，就不應(yīng)計(jì)算到底板外挑的外邊緣，計(jì)算機(jī)建模時(shí)直接按照筏板外挑尺寸的模型輸入，計(jì)算的水浮力Nw，k也是按照外挑外邊緣計(jì)算的，這樣的結(jié)果多出了Fw.d*外挑尺寸面積的浮力。這時(shí)有兩個(gè)辦法解決，方法1：建模時(shí)筏板按照清水池側(cè)壁外緣的大小輸入，外挑壓重土按土的浮重度的加權(quán)平均值再加上外挑混凝土底板的重量折算后按照（恒荷載）線荷載輸入到混凝土側(cè)墻上。土按照浮重度計(jì)算;方法2：建模時(shí)筏板按照底板外挑邊緣尺寸輸入，外挑壓重覆土按土的飽和重度的加權(quán)平均值折算后按（面荷載）覆土荷載輸入到筏板上，這里土的飽和重度沒(méi)有扣除掉Fw.d*外挑尺寸面積的浮力，土按照飽和重度計(jì)算（數(shù)值范圍18～23KN/m?）。

采用抗浮構(gòu)件（例如抗拔樁）等措施時(shí)，由于其產(chǎn)生抗拔力伴隨位移發(fā)生，過(guò)大的位移量對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是不允許的，抗拔力取值應(yīng)滿足位移控制條件。還有一種非主流抗浮措施，土中滯水、潛水、承壓水等通過(guò)滲流通道，作用于底板下，形成水壓力，這是產(chǎn)生水浮力的本質(zhì)[2]。如果底板直接坐在巖石層上，并且?guī)r石持力層巖隙間沒(méi)有裂縫，就不能形成滲流通道，實(shí)際也不能形成水壓力，相當(dāng)于水池底板與巖石形成為一體，沒(méi)有水滲流到底板下面，也就沒(méi)有向上的水浮力。如果巖石層風(fēng)化裂隙很發(fā)育，巖芯呈硬土塊狀、碎塊狀，就不能采用密封滲流通道這種抗浮措施。這種抗浮措施經(jīng)驗(yàn)較少，并且對(duì)基礎(chǔ)施工中澆筑墊層與巖層的密實(shí)度有較高要求，不建議采用。

2局部抗浮驗(yàn)算

整體抗浮滿足要求是抗浮設(shè)計(jì)的最低標(biāo)準(zhǔn)，其目的是保證整個(gè)基礎(chǔ)是一個(gè)不發(fā)生位移穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。如果不滿足基礎(chǔ)脫離持力層，基礎(chǔ)將成為可變機(jī)構(gòu)，基礎(chǔ)整體計(jì)算將無(wú)法得到正常結(jié)果。

在同一水平面上水的浮力是相同的，但清水池豎向荷載分布是不均勻的，混凝土外壁自重比較大，單位面積內(nèi)密度比較高，局部自重大于水浮力，但清水池像一個(gè)大箱子，在池內(nèi)無(wú)水的工況下，中間無(wú)梁樓蓋立柱傳導(dǎo)下來(lái)局部恒荷載小于水浮力，反拱形成了一個(gè)倒過(guò)來(lái)的鍋的形狀，中間起拱，四周重的情況。

我們知道土只能承擔(dān)壓力，不能承擔(dān)拉力;一般情況下，如果沒(méi)有水浮力，整個(gè)底板下的地基處于受壓狀態(tài);如果水浮力比較小，地基壓力會(huì)減少，但是仍然會(huì)處于整體受壓狀態(tài)。這個(gè)時(shí)候土起到支撐作用。隨著水浮力增大，部分區(qū)域的筏板會(huì)出現(xiàn)上拱效應(yīng)，上拱區(qū)域的土將失去支撐作用，該區(qū)域的抗拔錨桿將起拉桿作用。

《地基基礎(chǔ)》5. 4. 3條文中：在整體滿足抗浮穩(wěn)定性要求而局部不滿足時(shí)，也可采用增加結(jié)構(gòu)剛度的措施。本清水池采用盈建科YJK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件基礎(chǔ)模塊設(shè)計(jì)參數(shù)中，未考慮上部結(jié)構(gòu)的剛度時(shí)，筏板就是一個(gè)500mm的厚板，自身平面內(nèi)的剛度有限，所以查看三維位移值清水池中心的位移值很大（中心點(diǎn)位移值23mm）。在考慮上部結(jié)構(gòu)的剛度后，軟件才能正確模擬在高水組合作用下的變形和上部柱墻對(duì)筏板基礎(chǔ)的支撐作用。截面慣性矩的截面高度h由0.5m高變到6.0m高。豎向變形中心點(diǎn)位移值0.02mm，變化很明顯;但是清水池是無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)，沒(méi)有框架梁，砼柱只與厚板連接，能否達(dá)到模型理想的上部結(jié)構(gòu)剛度，還得請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)師慎重考慮這種過(guò)于理想的剛度狀態(tài)。

盈建科YJK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件在基礎(chǔ)模塊中能進(jìn)行基礎(chǔ)工程的非線性分析就是解決基礎(chǔ)上浮脫離持力層后計(jì)算模型的改變，如果地基土或者樁出現(xiàn)了部分受壓部分受拉的情況，就應(yīng)該通過(guò)考慮土樁抗拉抗壓剛度不同的非線性迭代計(jì)算方法進(jìn)行分析。

盈建科軟件采用非線性分析時(shí)是有條件的：首先參數(shù)選項(xiàng)中必須鉤選考慮上部結(jié)構(gòu)剛度;因?yàn)橹挥锌紤]了上部結(jié)構(gòu)剛度，才能正確模擬在高水組合或者人防組合作用下的變形和柱墻對(duì)基礎(chǔ)的支撐作用。

3討論

軟件計(jì)算結(jié)果（抗浮1.0恒-1.2浮力工況下柱下三維位移0.02mm<0.1mm，該工程不存在拉壓不同的彈簧）沒(méi)有進(jìn)行非線性分析，就是說(shuō)柱下的底板沒(méi)有脫離持力層，底板內(nèi)力計(jì)算時(shí)以柱子與柱子之間的距離確定的計(jì)算跨度，而不是在柱下的底板脫離持力層情況下，計(jì)算底板跨度按照最外面混凝土外擋墻之間的距離作為計(jì)算跨度，跟我的概念模型不太一樣，是否軟件考慮的上部結(jié)構(gòu)剛度太大了？感覺(jué)軟件還不能自動(dòng)識(shí)別筏板脫離持力層后（筏板反拱），土體分離不能形成支座，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的剛度，兩端的支座點(diǎn)最終在哪組結(jié)構(gòu)構(gòu)件上形成約束，筏板計(jì)算長(zhǎng)度是多長(zhǎng)，是一個(gè)柱間跨度還是多個(gè)柱間長(zhǎng)度，這都需要軟件多次迭代計(jì)算的過(guò)程，也是比較煩瑣復(fù)雜的分析。盈建科軟件的非線性分析適用于抗浮措施采用抗拔樁或抗浮錨桿的案例，抗浮錨桿按承載力設(shè)計(jì)值/允許位移（10mm）估算初始抗拔剛度，有了抗拔剛度產(chǎn)生的抗浮反力作為支座，就有了計(jì)算長(zhǎng)度，按照實(shí)際剛度的不同的迭代計(jì)算了。請(qǐng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師充分了解軟件的計(jì)算模型的假定，根據(jù)實(shí)際工程的情況建模計(jì)算，得出真實(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果后，與工程的受力狀況相符合，才能用于繪制施工圖所使用的最終結(jié)果。

4結(jié)束語(yǔ)

抗浮設(shè)計(jì)是水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一步，只有滿足抗浮要求才能進(jìn)行內(nèi)力和配筋計(jì)算，抗浮方案的比選要經(jīng)濟(jì)合理，計(jì)算機(jī)建模模型的不同，荷載輸入浮重度或飽和重度也不同，設(shè)計(jì)參數(shù)要有理論根據(jù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師要充分了解軟件的計(jì)算模型的假定。

參考文獻(xiàn)

[1] 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50007-2011[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[2] 趙明華.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M].武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2000：12-22.

作者簡(jiǎn)介

孫國(guó)強(qiáng)，學(xué)士，工程師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師。