筏形基礎與地下室防水板設計問題探討

羅學鋒

（中國冶金地質總局二局，福建 閩侯 350108）

1 筏板類型選擇

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

筏形基礎形式應根據上部結構體系、柱墻間距、荷載大小及工程地質條件、施工條件等綜合分析確定。在工程設計中，一般認為柱距變化、柱間荷載變化不超過20%時，對于柱網均勻且間距較小及上部荷載不大的結構，通常考慮選用平板式筏形基礎；對于縱橫柱網尺寸相差較大，且上部結構荷載也較大時，宜選用梁板式筏形基礎。對于上部結構為剪力墻體系時，如果每道剪力墻均直通基礎，一般采用平板式筏形基礎。平板式筏形基礎由于施工工藝簡單且快捷，在高層建筑中得到廣泛應用。

2 筏形基礎厚度

2.1 設計規(guī)范

梁板式筏形基礎底板厚度，當樓層數大于12層時，不應小于1/14 Ld且不應小于400mm，Ld為最大雙向板格的短邊凈跨，假設采用8m×8m雙向板，則最小厚度為570mm；當樓層數不大于12層時，底板厚度不小于1/20 Ld且不小于300mm，假設采用8m×8m雙向板，則最小厚度為400mm；高層建筑的平板式筏形基礎板厚不應小于500mm。

2.2 工程經驗

筏板厚度的選取應通過計算確定，其與樓高及柱墻間距關系最大，與混凝土強度、荷載均勻性及地基承載力大小等也有關系。當建筑高度為15層以下時，可按每層50mm估算筏形基礎厚度。

實際上，筏形基礎厚度主要取決于混凝土的抗沖切計算。如有2個建設高度分別為25層和32層的工程項目，均設1層地下室，采用平板式筏形基礎，25層建筑筏形基礎厚度采用2000mm，而32層建筑筏形基礎厚度卻只用1200mm。因此，筏形基礎厚度按每層50mm估算，只是經驗值。

3 平板式筏形基礎沖切計算

3.1 平板式筏形基礎內柱下板厚受沖切承載力計算

3.1.1 計算公式

內柱沖切截面如圖1所示，計算公式如下。

圖1 平板式筏形基礎內柱下板厚受沖切截面

式中，Fl為相應于荷載效應基本組合時的沖切力（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力點的距離（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；ft為混凝土軸心抗拉強度設計值（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。

3.1.2 計算分析

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

2）基礎邊柱和角柱的沖切驗算，其沖切力應分別乘以1.1和1.2的增大系數。

3）試驗結果表明，內柱的沖切破壞呈完整的錐體狀。

4）對于內柱，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計值。當結構體系較簡單柱根彎矩較小時，最大剪應力可以按公式（1）右側第1項進行估算。

3.2 平板式筏形基礎在內筒下的板厚受沖切承載力計算

3.2.1 計算公式

式中，Fl為相應于荷載效應基本組合時內筒所承受的軸力設計值與內筒下筏板沖切破壞錐體內的基底凈反力設計值（kN）；um為距內筒外表面h0/2處沖切臨界截面的周長（m）；η為內筒沖切臨界截面周長影響系數，取1.25。

3.2.2 計算分析

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，核心筒占有相當大的面積，其下筏板的受沖切承載力實際上降低了，因此設計時應提高核心筒下筏板的厚度。

2）框筒結構下筏板底部最大應力出現在核心筒邊緣處，提高厚度有利力核心筒邊緣處筏板應力較大部位的配筋。

4 筏形基礎設計

4.1 設計步驟

JCCAD→選擇基礎模型數據→地質資料→地基承載力參數及深寬修正系數→基礎設計參數→荷載輸入→荷載組合→選擇目標荷載（最大和最小軸力、最大偏心矩、最大彎矩等）→圍區(qū)生成，完成筏板布置設計。

4.2 沉降計算

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告一般不提供回彈再壓縮模量指標，可采用壓縮模量參數）→選擇廣義文克爾模型進行地梁內力計算。廣義文克爾假定計算，基礎邊角部分的K值大，中部的K值小，以剛性樓板假定進行沉降計算，不選擇該項。按一般文克爾假定計算，K值為常量，不考慮地基土的相互影響。

4.3 彈性地基梁結構計算

彈性地基基床反力系數K由于地勘單位的勘察報告一般不會提供，可采用經驗參考值進行估算，基床反力系數的合理性是看沉降技術結果，要不斷調整基床系數，使與經驗值或分層總和法手算結果相近，從而得出合理的K值，再由K值計算彈性位移。

5 地下室抗浮與防水設計

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、基礎選型、底板結構設計、工程施工及建成后的正常使用等有全方位影響，因此地下室抗浮設計極為重要。

5.1 抗浮設計

地下室抗浮設計應同時滿足整體抗浮和局部抗浮，施工期間和使用期間的抗浮驗算應保證地下室的梁板柱有足夠的強度和剛度。

地下室結構及頂板覆土自重除以水浮力作用值應不小于1.05（安全系數），當抗浮穩(wěn)定性驗算不能滿足要求時，可采用配重法、抗拔樁或抗浮錨桿、增加結構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）筑物宜優(yōu)先使用抗浮樁。抗浮設計常用方法如下。

1）結構自重＋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）構件承擔部分地下水浮力。

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定的標高以下或減小地下水對建筑物的浮力作用。

5.2 防水板設計

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

2）獨基＋梁＋抗水板時，可按倒置的肋形樓蓋模型計算板底筋及支座筋。

3）獨基＋抗水板時，可采用有限元計算，或按倒置的無梁樓蓋的計算。

4）裂縫應按0.20mm控制。

6 倒樓蓋模型計算方法

倒樓蓋法類似于計算柱下條形基礎的倒梁法，按該方法計算平板式筏形基礎的內力，是把筏形基礎看成倒置的無梁樓蓋，計算時在平面上將基礎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。然后根據柱荷載和均勻分布的地基凈反力，按無梁樓蓋計算基礎內力。

在計算筏形基礎時，假設基底凈反力為直線分布，當地基比較均勻，上部結構剛度較好，梁板式筏形基礎的高跨比或平板式筏形基礎的高厚比不小于1/6，且相鄰柱荷載及柱距變化不超過20%，筏形基礎可僅考慮局部彎曲作用，按倒樓蓋計算。地下室防水板宜采用相關程序按復雜樓板計算，也可按無梁樓蓋雙向板計算。無梁樓蓋雙向板計算的經驗系數法如下。

1）劃分防水板柱下板帶和跨中板帶。

2）先算出垂直荷載產生的板的總彎矩設計值，然后按表1確定柱下板帶和跨中板帶的彎矩設計值。

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勘察要點

1）查明筏形基礎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。這里需強調的是地基均勻性，因為有些工程技術人員認為筏形基礎剛度大，具有較好地調整基礎不均勻變形的作用，而輕視了地基不均勻性的影響，這實際上是一個認識誤區(qū)，超高層建筑一般采用剪力墻結構，荷載很大且集中，當剪力墻下部地基較軟或不均勻時，也可能造成結構損傷；另外，超高層建筑不允許出現過大的偏心受壓和整體傾斜。

2）當地下室埋深較大需分析基坑開挖卸荷與再加荷對地基變形的影響時，應進行回彈再壓縮試驗，其壓力的施加情況應模擬實際加卸荷的應力狀態(tài)。

3）當設計需要地基土的基床系數時，應進行基床系數載荷試驗。在工程實踐中，現場往往采用面積0.5m2的方形承壓板進行載荷試驗，通過換算，實際基礎尺寸的修正地基基床系數Ks可按下列公式計算（P、s的取值方法同基床系數載荷試驗）：

黏性土：Ks＝［0.8（2L＋B）P］/（3LBs）

砂土：Ks＝［0.582（B＋0.3）2P］/（B2s）

4）筏形基礎的地基反力和施工驗槽對于筏形基礎，基坑開挖時，若坑內排水需采用簡易集水井，集水井宜設置在地基反力系數較小的部位；施工驗槽時應重點檢驗地基反力系數較大的部位，驗正有關基底部位的巖土地基情況。

當基礎底面形狀為矩形（L×B）時，對于不同的地基土，其地基反力系數的分布特點為：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巖石地基由于其強度非常高，在荷載作用下，只是裂隙可能被壓密，然后呈現彈性變形，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 結語

1）壓線設計問題 目前，特別是房地產業(yè)，為趕進度和節(jié)約造價，采取低限壓線設計的行為時而有之。如某已建工程為30層住宅樓，地下1層，基礎方案原設計采用預應力管樁，業(yè)主為滿足進度需要，多次召開專家論證，基礎方案不斷調整，從管樁調整為筏板加減沉樁，最后調整為平板式筏形基礎，該工程封頂后，由于筏形基礎下的持力層卵石層均勻性較差，出現較大差異沉降和整體傾斜，最終需要對基礎采取補強加固處理。

2）基礎作為建筑物的地下結構部分，在使用中受上部結構體系、上部荷載、地基反力、地下水作用力等因素影響，其理論基礎研究水平卻明顯落后于上部結構，應當得到相關建設部門更多的關注和研究。

對于一般地基上的高層建筑，采用筏形基礎或均勻布樁的樁基礎時，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，變形特征卻有所不同，由于巖石地基強度非常大，變形量非常微小，導致地基反力向中部和柱墻集中，呈現出與普通地基不同的特征。期望業(yè)界今后更多地總結巖石地基基礎方面的經驗。

3）在以往工程建設中，地下室常出現裂縫滲水問題，不僅是施工原因。因為對于地下室連接體的底板，許多工程項目只按抗水板考慮，實際上地下水的作用很復雜，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底板承受過大的水浮力或地基反力現象。

對于地下室底板設計要求，新的規(guī)定有所加強，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設計與施工的主要內容：①高層建筑筏形基礎 當深基坑開挖后，基底卸荷可能產生較大回彈，而應力釋放、浸水軟化或地基土被擾動等因素又會加劇回彈影響，有時回彈再壓縮的沉降量占總沉降變形量比例較大，此時在沉降計算中應當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，易產生差異沉降變形，因此應合理設置沉降后澆帶，施工過程主樓和地下室均應當進行沉降變形監(jiān)測，在主樓砌體大部分完成且沉降變形速率較小后，再進行后澆帶封閉施工。當后澆帶封閉后，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生過大的地基反力，設計宜適當加強結構強度和剛度，或在防水板底下增設軟墊層。

5）地基基礎很重要又屬于隱蔽工程，一旦出現了質量問題，往往難以查找原因。應當加強學習研究和地基驗槽工作，發(fā)揮專業(yè)作用，確保工程質量和可靠度。