帶防水板式獨立基礎力學特性及設計方法研究

劉耀東, 饒彬彬, 薛雄道

(湖北工業大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430068)

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帶防水板式獨立基礎力學特性及設計方法研究

劉耀東, 饒彬彬, 薛雄道

(湖北工業大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430068)

[摘要]分析獨立基礎加防水板這一特殊基礎的受力特點、設計要點，對獨立基礎和防水板分開設計與一體化設計進行分析比較，提出了更為科學的設計方法。采用JCCAD樁筏筏板有限元軟件進行一體化設計能準確模擬這種特殊形式基礎的受力情況，更符合實際受力狀況。

[關鍵詞]獨立基礎； 防水板； 一體化設計

1帶防水板式獨立基礎設計構想

帶防水板式獨立基礎是一種常見的基礎形式，主要運用在地基土承載力較好的單層或多層地下室建筑。通過在防水板下設軟墊層，使結構荷載全部由獨立基礎承擔，防水板僅承受自重和浮力的作用(圖1)。這種基礎實際上是柱周區域加厚的筏板基礎，屬于筏板基礎范疇，也可以將其理解為倒置的有柱帽無梁蓋結構[1]。目前帶防水板的基礎已有廣泛的應用，但相關設計規范和規定較少，設計中往往對防水板受力認識不清晰，因此有必要對其進行研究[2]。

圖 1　帶防水板式獨立基礎示意圖

2防水板對獨立基礎基底反力的影響

作用在防水板上的荷載有：水浮力qw、防水板自重qs及其上部建筑面層和固定設備重量qa。在建筑物的使用過程中，隨著地下水位的變化作用在防水板上的水浮力qw在不斷改變。因此防水板是一種隨荷載情況變化而改變支撐情況的復雜板類構件[3]。按照水浮力的變化可以分為qw≤qs+qa和qw>qs+qa兩種情況(圖2、3)。由圖2可知，防水板及其上部結構重量直接傳給了地基土，獨立基礎對其不起支撐作用。由圖3可以看出，防水板將凈水浮力q2傳遞給了獨立基礎，加大了獨立基礎承擔的彎矩值，此時基底的彎矩將受水浮力控制。

圖 2　qw≤qs+qa時q1不變

圖 3　qw>qs+qa時q2隨qw增大而減小

3防水板對獨立基礎內力的影響

為了更為直觀地研究qw>qs+qa這種情況下獨立基礎根部彎矩的變化，以一帶地下室的多層框架結構模型為例，基礎布置見圖4。通過調整抗浮水位來分析獨立基礎根部彎矩的變化情況。

3.1模型參數

柱下采用700 mm高獨基(底標高-4.2 m),邊柱及側墻下采用500 mm厚條形基礎(底標高-4.0 m)，防水板厚250 mm (底標高-3.75 m)，活荷載2.5 kN/m2、恒荷載3.0 kN/m2。為消除無關變量的影響，當抗浮水位變化時，除水浮力外以下設置均為定值。

各計算模型均采用JCCAD里的樁筏筏板有限元模塊計算，網格單元劃分一致。

為使防水板不承擔土反力，將防水板下的基床系數設為0，獨基下設為2000。

荷載僅考慮恒、活及水浮力，水浮力分項系數取1.4。

圖 4　主要觀測圈內獨立基礎的內力

3.2不考慮抗浮水位時(qw≤qs+qa)基底彎矩設計值

此情況不考慮抗浮水位，防水板厚、板面荷載設為零，獨基處板面荷載不變。經過試算基本組合為控制組合，設計彎矩為408 kN·m。

3.3不同抗浮水位下基底彎矩設計值(qw>qs+qa)

當考慮水浮力時，由于水浮力是向上的荷載，判為有利荷載。根據《荷載規范》[4]要求分項系數取1，此時選取的荷載組合為1.4水-1.0恒。分別計算抗浮水位為-2.5 m和-1.5 m兩種情況并分析彎矩增幅的大小。

1)-2.5 m時防水板處水浮力qw=(3.75-2.5)×10=12.5 kN/m2，獨基下水浮力qw=(4.2-2.5)×10=17 kN/m2。計算得到獨立基礎基底的設計彎矩為425 kN·m。

2)-1.5 m時防水板處水浮力qw=(3.75-1.5)×10=22.5 kN/m2，獨基下水浮力qw=(4.2-1.5)×10=27 kN/m2。計算得到獨立基礎基底的設計彎矩為470 kN·m。

通過上述計算發現當抗浮水位在-1.5 m時，若采用獨立基礎與防水板分開式設計，獨立基礎將有62 kN·m彎矩沒有計算，此時的配筋是不安全的。這也進一步論證了當qw>qs+qa時獨立基礎的基底反力部分外移到防水板上導致獨立基礎根部彎矩增大，此時獨立基礎根部的彎矩由水浮力下的基本組合控制。分開式設計僅適合地下水位較低的情況，當地下水位較高時應采取更為嚴謹的設計方法。

4防水板與獨立基礎一體化設計

4.1設計思路

帶防水板式獨立基礎的基礎形式在實際的結構受力計算模型中，會把獨立基礎與防水板分割成兩部分，設計基礎時只按普通獨立基礎進行設計，即由獨立基礎承擔全部豎向荷載，而不考慮防水板的作用[5]，這種設計方法沒有考慮當qw>qs+qa時防水板對獨立基礎內力的影響。分析得知，當地下水位較高時這種設計方法偏離了設計的初衷且不安全。因此可以采用JCCAD中的樁筏筏板有限元軟件進行一體化設計，通過調整基床系數、板面荷載、修改防水板板底標高的方法使結構荷載全部由獨立基礎承擔，防水板僅承受自重和浮力的作用以滿足設計構想。將內力設計值取恒+活與水浮力基本組合的包絡值，這種一體化設計方法可以規避獨基與防水板分開設計時獨立基礎的基底反力部分外移到防水板導致獨立基礎根部彎矩偏大的情況。

4.2設計方法

采用JCCAD中的樁筏筏板有限元軟件進行模擬分析，具體的設計步驟為：JCCAD人機交互菜單中按無防水板情況生成獨立基礎→輸入筏板→將獨立基礎和筏板導入JCCAD樁筏筏板有限元模塊→設定抗浮水位→劃分單元網格→檢查筏板標高板厚、修改防水板厚度、設置標高及基床系數→計算及查看結果。

4.3參數設置

4.3.1基床系數為實現防水板不承擔土反力的構想，在JCCAD中將防水板的基床系數設為0，獨立基礎部分的基床系數仍按正常情況設置。

4.3.2板面荷載將防水板上荷載設為零，不考慮筏板自重，此時獨立基礎范圍內筏板除考慮板面荷載外還應人為添加獨立基礎自重。這樣設置主要是為了使防水板自承重，若防水板上設有荷載，由于基床系數為零，非水浮力組合下防水板自重及其上荷載將傳給獨立基礎。與設計構想相違背。

4.4計算結果分析

將防水板自重及其上荷載設為零之后，再修改防水板板底標高，其恒+活基本組合下彎矩設計值為406 kN·m與分開設計時的407 kN·m相差很小，水浮力基本組合彎矩設計值為479 kN·m與分開設計時的470 kN·m相差不大。計算結果表明一體化設計方法在受力分析上是正確的。此時內力設計值將取恒+活與水浮力基本組合的包絡值(圖5)，不會再出現獨立基礎與防水板分開設計時出現的不安全狀況。這種設計方法不僅受力分析準確，而且擁有包絡設計的優勢，對帶防水板式獨立基礎的設計工作有較強的指導意義。

1—2.49

5結論

1)采用帶防水板式獨立基礎，在設計時應考慮在水浮力作用下，獨立基礎基底反力外移至防水板對獨基內力產生的不利影響，應采用一體化設計方法。內力計算采用包絡設計，更符合實際受力情況。

2)帶防水板式獨立基礎適用于抗浮水位較低，地基承載力較高且沉降不大的建筑，應重視。

防水板下軟墊層的設置措施(若獨立基礎的沉降大于防水板的沉降，防水板將承受土反力，此時帶防水板式獨立基礎將變為變厚度筏板)。

3)當抗浮水位較高時，應與變厚度筏板作經濟性對比，采取合理的基礎形式。

[參考文獻]

[1]朱炳寅.帶防水板式獨立基礎設計方法的分析[J]. 建筑結構,2001,31：51-53.

[2]李巖.帶防水板式獨立基礎在工程中的應用[J]. 山西建筑,2011,37：89-90.

[3]張美仙.淺議柱下獨基加防水板基礎設計[J]. 福建建設科技,2011(5)：33-34.

[4]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. 建筑地基基礎設計規范(CB50007-2011)[S].北京：中國建工出版社，2011.

[5]李純，朱浮生.構造板獨立基礎地基反力測試[J]. 遼寧工程技術大學學報,2006(25):220-222.

[責任編校： 張巖芳]

On the Mechanical Characteristics and Design Method of Independent Foundation with Water-proof Slab

LIU Yaodong, RAO Binbin, XUE Xiongdao

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture，HubeiUniv．ofTech．，Wuhan430068，China)

Abstract：The paper analyzed the loading and design features of the special independent Foundation with water-proof slabs and also compared the merits and demerits between the separate and integrated design in this kind of foundation. It then proposed a more scientific design method. By adopting finite element analysis software of JCCAD piled raft to conduct the integrated design, the stress of this special form foundation could be accurately simulated; meanwhile the practical force condition could be better fitted.

Keywords：independent foundation; water-proof slab; integrated design

[中圖分類號]TU470

[文獻標識碼]：A

[文章編號]1003-4684(2016)01-0098-03

[作者簡介]劉耀東(1971-)， 男， 山東滕州人，工學博士，湖北工業大學副教授，研究方向為橋梁與隧道

[收稿日期]2015-04-20