防水板基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題

吳君俊

防水板在工程中一般特指用來抵抗地下水的結(jié)構(gòu)板。我國現(xiàn)行規(guī)范中雖未對(duì)防水板有明確的界定和定義，但實(shí)際工程中防水板應(yīng)用普遍，如獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板、樁基承臺(tái)加防水板等。本文通過計(jì)算模型的選擇等幾個(gè)方面探討了防水板設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。

1.抗浮水位

水位是防水板設(shè)計(jì)的重要因素之一，正確的水位選擇關(guān)乎基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的安全性、經(jīng)濟(jì)性。地勘資料所提供的水位類型很多，如穩(wěn)定水位、歷史最高最低水位、防水設(shè)計(jì)水位、抗浮設(shè)計(jì)水位等，對(duì)后兩者往往容易混淆。防水設(shè)計(jì)水位主要用于建筑外防水措施(如防滲漏、防腐蝕危害等)和確定抗?jié)B等級(jí)?？垢≡O(shè)計(jì)水位是指抗浮設(shè)計(jì)時(shí)控制浮力的水位，主要適用于防止地下水浮力對(duì)基礎(chǔ)安全危害和建筑物整體抗浮穩(wěn)定而采取的結(jié)構(gòu)措施及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，是結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)不容忽視[1][6]。設(shè)計(jì)時(shí)如無長期地下水觀測資料，抗浮設(shè)計(jì)水位可按地勘資料提供數(shù)據(jù)或取周邊整平標(biāo)高或標(biāo)高以下0.50m 考慮。

2.計(jì)算模型的合理選擇

在模型選擇前，設(shè)計(jì)人員需要了解基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中力學(xué)模型的分類，主要分為剛體假定模型、變形體假定模型(有限元模型)，其具體分類及區(qū)別如圖1 所示。由圖示分析可知倒樓蓋模型的特點(diǎn)是將豎向構(gòu)件作為不動(dòng)支座，所以上部的荷載對(duì)防水板的計(jì)算是沒有影響的。通常的設(shè)計(jì)中，豎向構(gòu)件是不會(huì)向上移動(dòng)的，但抗浮設(shè)防水位比較高、人防荷載作用、較大水平力作用等情況時(shí)，豎向構(gòu)件會(huì)有一定的向上位移，這時(shí)防水板按倒樓蓋模型計(jì)算的位移變形并不一定能滿足實(shí)際基礎(chǔ)變形，這種理想化模型會(huì)造成防水板計(jì)算結(jié)果的偏小，并無法對(duì)防水板進(jìn)行沉降、沖切和剪切驗(yàn)算，存在一定的安全隱患。彈性地基梁板法模型是最常用到的力學(xué)模型，是需進(jìn)行整體有限元?jiǎng)澐值模挚煞譃榫€性分析模型和非線性分析模型。對(duì)于抗浮水位比較高的工程，部分區(qū)域會(huì)出現(xiàn)上抬脫空現(xiàn)象，脫空區(qū)域的土將失去支撐作用，樁可以受拉、受壓但樁的受拉剛度、受壓剛度有著明顯區(qū)別，而土根據(jù)其特性只能受壓不能受拉。線性分析方法考慮的是拉壓剛度相同情況下，當(dāng)土或樁出現(xiàn)部分受拉的情形時(shí)，就無法如實(shí)反映樁土受力情況。出現(xiàn)這種情況時(shí)應(yīng)該通過考慮樁土抗拉抗壓剛度不同的非線性迭代計(jì)算方法進(jìn)行分析[2][3]。當(dāng)水浮力大、水平荷載很大或人防設(shè)計(jì)工程等工程都會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)變形上抬脫空情況，此時(shí)樁土受拉受壓不定，剛度變化懸殊，所以高水位防水板設(shè)計(jì)時(shí)建議采用筏板模擬防水板法，即采用彈性地基梁板法模型并采用非線性迭代計(jì)算方法進(jìn)行分析，這時(shí)整體分析模型下才能準(zhǔn)確模擬計(jì)算出基礎(chǔ)實(shí)際變形及內(nèi)力。同理，錨桿計(jì)算時(shí)也建議采用筏板模擬防水板法計(jì)算。當(dāng)抗浮水位低時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況選擇防水板模型或彈性地基梁板法模型。

圖1 基礎(chǔ)力學(xué)模型概覽

3.基床系數(shù)及樁剛度系數(shù)

基床系數(shù)是指地層彈性壓縮系數(shù)。樁豎向剛度系數(shù)指樁平均反力與樁對(duì)應(yīng)的沉降比值。它們的值均可依地質(zhì)資料反算（如根據(jù)分配到的荷載計(jì)算沉降，得到沉降值后，按照K=p/s、Kp=Q/s 反算基床系數(shù)及樁剛度或直接指定取值）[3]。基床系數(shù)及樁剛度是基礎(chǔ)計(jì)算的重要參數(shù)，對(duì)基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果影響大，需要結(jié)合樁土反力的分布來判斷是否合理。如防水板設(shè)計(jì)時(shí)常采用筏板來模擬防水板建模，此時(shí)可對(duì)筏板(防水板)按構(gòu)件布置設(shè)置基床系數(shù)為0，對(duì)獨(dú)基可按實(shí)際的土層情況取值，樁或錨桿的剛度一般可取抗壓或抗拉承載力值的50 倍～100 倍，這樣就可將各基礎(chǔ)模塊的受力情況通過基床系數(shù)(樁剛度)調(diào)整到設(shè)想的受力狀態(tài)與實(shí)際匹配。

4.人防荷載

防水板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮人防區(qū)的人防底板荷載。底板等效靜荷載一般分為土反力方式和繞射波荷載作用方式。土反力方式實(shí)際是頂板人防荷載下土反力的等效，繞射波荷載則是由核武器爆炸動(dòng)荷載所形成的土中壓縮波通過側(cè)面繞射到底板上的荷載，為實(shí)際作用荷載并非等效靜荷載，類似于水浮力的作用，所以該類荷載應(yīng)與水浮力疊加。當(dāng)采用倒樓蓋模型時(shí)，假定土反力是均勻分布的，墻柱為不動(dòng)支座，不考慮人防頂板荷載，應(yīng)采用繞射波荷載。當(dāng)采用彈性地基梁板法時(shí)，不再假定土反力是均勻分布的，而是按實(shí)際受力狀態(tài)分布，人防頂板荷載沿豎向構(gòu)件作用在底板上，這個(gè)作用是當(dāng)作荷載來考慮的，地基土當(dāng)作土彈簧考慮，通過有限元計(jì)算得到土反力的實(shí)際分布，需考慮頂板人防荷載，不管人防底板等效靜荷載取何數(shù)值均須與人防頂板平衡。

5.防水板設(shè)計(jì)對(duì)獨(dú)基(樁基承臺(tái))的影響

防水板設(shè)計(jì)時(shí)不能忽視其對(duì)獨(dú)基（樁基承臺(tái)）的影響，抗浮水位比較高時(shí)水浮力大，當(dāng)水浮力大于防水板自重與其上建筑做法重量之和時(shí)，防水板會(huì)將一定的水浮力傳遞給獨(dú)基承臺(tái)（樁基承臺(tái)），加大承臺(tái)彎矩作用，對(duì)內(nèi)力和配筋產(chǎn)生影響，此時(shí)可采用矢量疊加原理對(duì)增大的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算復(fù)核并加強(qiáng)構(gòu)造措施[1][4]，如在防水板底與獨(dú)基（樁基承臺(tái)）交接處加設(shè)附加筋等。獨(dú)基加防水板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)忽略防水板的承載力，確保主要基礎(chǔ)載荷均由獨(dú)基承擔(dān)，可在防水板下部設(shè)置褥墊層，這樣也可以減小差異變形對(duì)防水板的影響。比較常用的褥墊層有焦渣墊層、級(jí)配中粗砂、聚苯板等，前者受貨源、價(jià)格等影響逐步被替代，后兩項(xiàng)是工程中比較常用的褥墊層[5]。

6.算例分析

某工程位于福州市長樂區(qū)，擬建建筑物為兩座廠房、一座宿舍及一座辦公樓，辦公樓及宿舍樓下設(shè)一層地下室。基本條件為：標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類、抗震烈度為7 度（0.10g）、地震分組為三組、場地類別為Ⅱ類、人防等級(jí)為核6 常6。地下室底板結(jié)構(gòu)面標(biāo)高為-5.20m，抗浮設(shè)計(jì)水位為-0.50m。根據(jù)勘探揭露，場地巖土各層情況依次為：雜填土、淤泥、粉質(zhì)黏土層、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(砂土狀、碎塊狀)層、微風(fēng)化巖層。地下室底板底位置標(biāo)高為粉質(zhì)黏土層，地下室基礎(chǔ)采用管樁基礎(chǔ)加防水板(防水板厚為350mm），抗浮不足處采用抗拔管樁。選取中間某區(qū)塊（柱距為7000mm×8250mm）結(jié)合YJK-F 軟件，在相同條件下（水浮力均為50.5kPa）分別采用防水板模型(倒樓蓋模型)及彈性地基梁板法模型對(duì)該區(qū)塊進(jìn)行計(jì)算分析，如下圖統(tǒng)計(jì)了該區(qū)塊底板Y向雙層配筋、底板剪力包絡(luò)圖。依圖2、圖3 可知，由水浮力起控制作用的板頂鋼筋配筋量差值約50%，底板Y 向剪力差值也接近20%。可見本工程在高水位情況下采用防水板模型計(jì)算所得的內(nèi)力及配筋均存在一定的程度偏小，存在設(shè)計(jì)安全隱患。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)模型的選擇及荷載的選取應(yīng)慎重。

圖2 底板剪力包絡(luò)圖

圖3 底板Y 向配筋圖

7.結(jié)束語

（1）防水板按倒樓蓋模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，以豎向構(gòu)件作為不動(dòng)支座，其力學(xué)模型與實(shí)際的變形有一定出入，其計(jì)算方法及結(jié)果存在一定的限制。所以在防水板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分結(jié)合實(shí)際情況，選取合理的計(jì)算模型，模擬真實(shí)受力變形狀態(tài)，保證設(shè)計(jì)的安全性可靠性。

（2）現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件更迭速度快、工程技術(shù)的發(fā)展快，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員也不斷地提出更高的技術(shù)要求。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)每個(gè)參數(shù)、荷載取值仔細(xì)考究，找到真實(shí)的受力狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)合理的同時(shí)也更加符合實(shí)際情況。