抗浮穩(wěn)定計(jì)算中水壓力作為抗力或荷載的計(jì)算與分析

劉 雄，侯衛(wèi)杰，李鐵軍，畢程敏

（1.河北省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河北 石家莊 050021；2.河北省大清河河務(wù)中心,河北 保定 071051；3.河北天和監(jiān)理有限公司,河北 石家莊 050021）

1 前言

近年來,隨著“金山銀山就是綠水青山”生態(tài)理念深入人心,河道生態(tài)補(bǔ)水、地下水超采治理等一系列項(xiàng)目的逐步實(shí)施,人們開采地下水情況越來越少,生態(tài)環(huán)境也變得越來越好,區(qū)域地下水位開始逐漸回升。另外,夏季汛期降雨量增大,直接導(dǎo)致土體飽和度增大。隨著地下水位的升高,在水利、建筑、交通、市政等工程建設(shè)中,各種建筑物抗浮問題越來越突出,第一個(gè)問題是設(shè)防水位取值的問題,第二個(gè)問題是水壓力計(jì)算的問題。

地下水位是動(dòng)態(tài)的,不僅取決于歷年、季節(jié)時(shí)段的大氣降雨變化、地面徑流、所在地下地質(zhì)單元的地下水補(bǔ)給及排泄條件等,還取決于未來社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及本地區(qū)工程建設(shè)、場(chǎng)地與周邊水體環(huán)境滲漏的條件變化、相關(guān)部門對(duì)區(qū)域地下水位管理、控制、要求等。因此,建筑物設(shè)防水位的確定,不是單獨(dú)由巖土工程勘察能解決的技術(shù)問題,而是應(yīng)由建設(shè)單位、勘察單位、設(shè)計(jì)單位根據(jù)勘察成果,在綜合分析抗浮建設(shè)投資與安全、未來可能應(yīng)對(duì)建筑物為避免上浮而進(jìn)行的長(zhǎng)期控制地下水的投資與安全等基礎(chǔ)上,進(jìn)行的一項(xiàng)綜合性投資決策。因此,在一定程度上來說,設(shè)防水位取值是一個(gè)技術(shù)難題,本文僅對(duì)第二個(gè)問題進(jìn)行討論。

在水利工程建筑物中,當(dāng)涉及地下水位上升時(shí)就會(huì)出現(xiàn)抗浮問題。但是在計(jì)算抗浮問題時(shí),當(dāng)建筑物底板兩側(cè)設(shè)置懸挑板且地下水位超過底板頂面時(shí),底板以上的水壓力Pw方向豎直向下,建筑物底板以下的揚(yáng)壓力U 方向豎直向上,水壓力Pw是作為抗力放在分子還是作為荷載放在分母與揚(yáng)壓力進(jìn)行抵消,兩種情況計(jì)算結(jié)果不同。本文以一個(gè)簡(jiǎn)化例題為例,在建筑物抗浮穩(wěn)定計(jì)算中,對(duì)水壓力是抗力還是荷載進(jìn)行計(jì)算、分析。

2 例題

（1）試計(jì)算建筑物在當(dāng)前情況下,建筑物的抗浮穩(wěn)定系數(shù)值；（2）當(dāng)?shù)装逑蛩闹軕姨?.0 m 后,計(jì)算此時(shí)的建筑物的抗浮穩(wěn)定系數(shù)值。建筑物的橫斷面示意圖見圖1。

圖1 建筑物的橫斷面示意圖

抗浮穩(wěn)定計(jì)算公式：

式中：Kf為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；∑V 為作用在建筑物底板上全部重力,kN；∑U 為作用在建筑物底板上的揚(yáng)壓力,kN。

2.1 情況一

在當(dāng)前情況下,建筑物的邊墻重G1、頂板重G2、底板重G3 計(jì)算如下：

則建筑物重力=4655+535+3150+250=8590 kN,方向豎直向下。

地下水位于地面以下1m,距離建筑物底板底面距離4.5 m,則建筑物受到地下水產(chǎn)生的揚(yáng)壓力為U1=10×18×4.5×10=

8100 kN,方向豎直向上。

抗力為建筑物及其內(nèi)部全部重力,荷載為地下水產(chǎn)生向上的揚(yáng)壓力。則建筑物的抗浮穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算式為：

根據(jù)計(jì)算得知,在當(dāng)前情況下,建筑物的抗浮安全系數(shù)計(jì)算值為1.06,小于規(guī)范[1]的允許值1.10,不滿足規(guī)范要求。

將3M液劑均勻涂布在光固化樹脂面上，取適量的3M黏結(jié)劑置于清潔干燥托槽底板，就位于樹脂面上輕加壓，并去除溢出黏結(jié)劑。分別從托槽的近遠(yuǎn)中用光固化燈照射20 s。

建筑物抗浮穩(wěn)定不滿足要求時(shí),可以采用一定的抗浮穩(wěn)定措施,主要措施為降低地下水位、增加建筑物重量。而地下水位屬于區(qū)域性的,降低水位一般來說難度較大,因此,本次采取的抗浮穩(wěn)定措施主要是通過將建筑物的底板向四周進(jìn)行懸挑一定長(zhǎng)度,進(jìn)而增加建筑物重量。

2.2 情況二

對(duì)建筑物采取抗浮措施后,將建筑物底板向四周進(jìn)行懸挑1.0 m,此時(shí),建筑物的邊墻重G1和頂板重G2均保持不變。底板總面積A1、懸挑面積A2、底板重G3計(jì)算如下：

則建筑物重力=4655+535+4200+250=9640 kN,方向豎直向下。

地下水位于地面以下1 m,距離底板底面距離4.5 m,則建筑物受到的揚(yáng)壓力U2=240×4.5×10=10800 kN,方向豎直向上。

懸挑板以上土重F1 和豎直向下的水壓力Pw計(jì)算如下：

F1=60×1×19+60×3.8×9=3192 kN,方向豎直向下。

Pw=60×3.8×10=2280 kN,方向豎直向下。

在這種情況下,因?yàn)榻ㄖ锏装暹M(jìn)行了懸挑加大,且地下水位高于底板頂面,這是建筑物不僅受到豎直向上的揚(yáng)壓力,而且還受到豎直向下的水壓力,那么在建筑物的抗浮穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算中,如何處理豎直向上的水壓力Pw呢？是放在分子作為抗力（重力）,還是作為荷載放在分母與揚(yáng)壓力進(jìn)行抵消,下面對(duì)兩種情況分別進(jìn)行計(jì)算。

方法一：將水壓力Pw放在分子,同建筑物重力、土重均作為抗力,作用方向豎直向下；揚(yáng)壓力作為荷載,方向豎直向上。則建筑物的抗浮穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算式為：

方法二：建筑物重力、土重均作為抗力,作用方向豎直向下；將水壓力Pw放在分母,與揚(yáng)壓力互相抵消后的剩余揚(yáng)壓力作為荷載（即豎直向上的揚(yáng)壓力剩余值）,方向豎直向上。則建筑物的抗浮穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算式為：

2.3 成果分析

當(dāng)建筑物底板不進(jìn)行懸挑,地下水位超過底板底面時(shí),其抗浮穩(wěn)定計(jì)算相對(duì)比較明確,建筑物全部重力為抗力,其受到的揚(yáng)壓力為荷載,抗力除以荷載即為建筑物的抗浮穩(wěn)定系數(shù)。

但是,當(dāng)建筑物底板進(jìn)行了懸挑,且地下水位高于底板頂面時(shí),建筑物受到來自兩個(gè)方向的水壓力。這時(shí)按以上兩種方法計(jì)算的抗浮穩(wěn)定系數(shù)不一樣。但是兩種方法中抗力與荷載的差值是相同的。

方法一：抗力減荷載為15112-10800=4312 kN

方法二：抗力減荷載為12832-（10800-2280）=4312 kN

那么,既然差值相同,安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果不同,實(shí)際工程設(shè)計(jì)中用哪一種方法計(jì)算呢？根據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[2]6.3.3 條規(guī)定,“地下結(jié)構(gòu)內(nèi)部底板上的填筑材料荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)采用天然重度進(jìn)行計(jì)算,結(jié)構(gòu)上部、地下結(jié)構(gòu)外墻挑出結(jié)構(gòu)上的填筑材料自重標(biāo)準(zhǔn)值,抗浮設(shè)防水位以下應(yīng)采用飽和重度計(jì)算,抗浮設(shè)防水位以上應(yīng)采用天然重度計(jì)算”。根據(jù)這條規(guī)定應(yīng)該將底板以上的水壓力放在分子,也就是將其放入土中,水位以下土的重度按飽和重度計(jì)算,作為抗力。這樣計(jì)算的安全系數(shù)相對(duì)更為可靠。

兩種方法計(jì)算結(jié)果數(shù)值不同,在結(jié)構(gòu)方面和巖土方面某種程度上存在一定的分歧。既然有規(guī)范支撐,具體設(shè)計(jì)時(shí)就要遵從規(guī)范；另一方面來說,安全系數(shù)也是一種規(guī)定,建筑物是否能浮起來,最終決定的還是抗力與荷載的差值,并且兩種方法的差值是相同的。所以,作為設(shè)計(jì)人員,建筑物抗浮穩(wěn)定計(jì)算值在滿足規(guī)范的同時(shí),還要明白工程安全可靠的本質(zhì)內(nèi)涵。

3 結(jié)論

通過以上例題對(duì)建筑物抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算分析,得知：

（1）當(dāng)建筑物底板沒有進(jìn)行懸挑,地下水位超過底板底面時(shí),全部豎直向下的重力為抗力,豎直向上的揚(yáng)壓力為荷載,抗力除以荷載即為抗浮穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值。

（2）當(dāng)建筑物底板進(jìn)行了懸挑加大,且地下水位高于底板頂面時(shí),將水壓力Pw放在分子,作為豎直向下的力來考慮,同建筑物重力、土重均作為抗力,底板以下豎直向上的揚(yáng)壓力僅作為荷載,計(jì)算結(jié)果較為合理。