清水池抗浮設計要點分析

摘 要 地下水水位較高的場地內，避免清水池浸泡在水中而浮起來，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計算機建模模型的不同，輸入浮重度或飽和重度;當局部抗浮力小于水浮力，導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，根據上部結構剛度，確定兩端的支座點位置形成約束，才能得到筏板計算長度。本文就抗浮不足、設計時模型方案和設計取值上討論一下結構計算概念。

關鍵詞 整體抗浮;局部抗浮;飽和重度;浮重度

概述

（1）對于簡單的浮力作用情況，可采用阿基米德原理計算，基礎抗浮穩定性應符合下式要求：

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

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

抗浮設計驗算內容包括：①整體抗浮驗算;②局部抗浮驗算[1]。

1整體抗浮驗算

地下清水池長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，清水池埋設很深，池底標高在室外地面下-6.8m。按照（5.4.3）式整體抗浮驗算<1.05。抗浮驗算不滿足規范要求，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件強度和裂縫的要求后，增加混凝土的重量抗浮，這種方法適用于抗浮穩定安全系數驗算結果比較接近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，經濟性較差，所以采用在清水池上覆土增加壓重的方式抗浮，并且北區寒冷地區有防凍的要求，增加0.8m的覆土抗浮，經過計算還是不能滿足抗浮驗算。再采用基底配重抗浮方式，在清水池底板外挑出來0.5m長的基礎底板，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，太大也會增加土方開挖的量，綜合造價不一定經濟。

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

首先從土的力學性能定義來分析，見圖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，類似于大氣壓力與海拔有關） Fw.d=Fw.s≈γw* h，Fw.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，簡化公式為 ms/V，但不應該取干密度為土重，干密度（數值范圍13～20KN/m?）是在烘干時狀態下的體積與飽和水狀態下土的體積完全不同。從另外個角度理解，比例式減壓閥利用閥體內部活塞兩端不同受荷面積產生的壓力差，改變閥后的壓力，達到減壓目的;作用面產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（大小跟水頭有關系），水位以下的土按照浮重度取值。G4應按照（水位以上）土的天然重度和（水位以下）土的浮重度的加權平均值取。

整體抗浮計算時Nw，k浮力作用值（kN）與作用面積有關，通常計算到清水池砼外擋墻外緣的面積，但底板外挑時，上文（式1）計算的土壓重合力已經把水浮力Fw.d≈γw*h等效掉了，就不應計算到底板外挑的外邊緣，計算機建模時直接按照筏板外挑尺寸的模型輸入，計算的水浮力Nw，k也是按照外挑外邊緣計算的，這樣的結果多出了Fw.d*外挑尺寸面積的浮力。這時有兩個辦法解決，方法1：建模時筏板按照清水池側壁外緣的大小輸入，外挑壓重土按土的浮重度的加權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墻上。土按照浮重度計算;方法2：建模時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有扣除掉Fw.d*外挑尺寸面積的浮力，土按照飽和重度計算（數值范圍18～23KN/m?）。

采用抗浮構件（例如抗拔樁）等措施時，由于其產生抗拔力伴隨位移發生，過大的位移量對基礎結構是不允許的，抗拔力取值應滿足位移控制條件。還有一種非主流抗浮措施，土中滯水、潛水、承壓水等通過滲流通道，作用于底板下，形成水壓力，這是產生水浮力的本質[2]。如果底板直接坐在巖石層上，并且巖石持力層巖隙間沒有裂縫，就不能形成滲流通道，實際也不能形成水壓力，相當于水池底板與巖石形成為一體，沒有水滲流到底板下面，也就沒有向上的水浮力。如果巖石層風化裂隙很發育，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。這種抗浮措施經驗較少，并且對基礎施工中澆筑墊層與巖層的密實度有較高要求，不建議采用。

2局部抗浮驗算

整體抗浮滿足要求是抗浮設計的最低標準，其目的是保證整個基礎是一個不發生位移穩定的結構。如果不滿足基礎脫離持力層，基礎將成為可變機構，基礎整體計算將無法得到正常結果。

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，單位面積內密度比較高，局部自重大于水浮力，但清水池像一個大箱子，在池內無水的工況下，中間無梁樓蓋立柱傳導下來局部恒荷載小于水浮力，反拱形成了一個倒過來的鍋的形狀，中間起拱，四周重的情況。

我們知道土只能承擔壓力，不能承擔拉力;一般情況下，如果沒有水浮力，整個底板下的地基處于受壓狀態;如果水浮力比較小，地基壓力會減少，但是仍然會處于整體受壓狀態。這個時候土起到支撐作用。隨著水浮力增大，部分區域的筏板會出現上拱效應，上拱區域的土將失去支撐作用，該區域的抗拔錨桿將起拉桿作用。

《地基基礎》5. 4. 3條文中：在整體滿足抗浮穩定性要求而局部不滿足時，也可采用增加結構剛度的措施。本清水池采用盈建科YJK結構設計軟件基礎模塊設計參數中，未考慮上部結構的剛度時，筏板就是一個500mm的厚板，自身平面內的剛度有限，所以查看三維位移值清水池中心的位移值很大（中心點位移值23mm）。在考慮上部結構的剛度后，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筏板基礎的支撐作用。截面慣性矩的截面高度h由0.5m高變到6.0m高。豎向變形中心點位移值0.02mm，變化很明顯;但是清水池是無梁樓蓋結構，沒有框架梁，砼柱只與厚板連接，能否達到模型理想的上部結構剛度，還得請設計師慎重考慮這種過于理想的剛度狀態。

盈建科YJK結構設計軟件在基礎模塊中能進行基礎工程的非線性分析就是解決基礎上浮脫離持力層后計算模型的改變，如果地基土或者樁出現了部分受壓部分受拉的情況，就應該通過考慮土樁抗拉抗壓剛度不同的非線性迭代計算方法進行分析。

盈建科軟件采用非線性分析時是有條件的：首先參數選項中必須鉤選考慮上部結構剛度;因為只有考慮了上部結構剛度，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基礎的支撐作用。

3討論

軟件計算結果（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）沒有進行非線性分析，就是說柱下的底板沒有脫離持力層，底板內力計算時以柱子與柱子之間的距離確定的計算跨度，而不是在柱下的底板脫離持力層情況下，計算底板跨度按照最外面混凝土外擋墻之間的距離作為計算跨度，跟我的概念模型不太一樣，是否軟件考慮的上部結構剛度太大了？感覺軟件還不能自動識別筏板脫離持力層后（筏板反拱），土體分離不能形成支座，根據上部結構的剛度，兩端的支座點最終在哪組結構構件上形成約束，筏板計算長度是多長，是一個柱間跨度還是多個柱間長度，這都需要軟件多次迭代計算的過程，也是比較煩瑣復雜的分析。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計值/允許位移（10mm）估算初始抗拔剛度，有了抗拔剛度產生的抗浮反力作為支座，就有了計算長度，按照實際剛度的不同的迭代計算了。請結構設計師充分了解軟件的計算模型的假定，根據實際工程的情況建模計算，得出真實數據結果后，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果。

4結束語

抗浮設計是水池結構設計的第一步，只有滿足抗浮要求才能進行內力和配筋計算，抗浮方案的比選要經濟合理，計算機建模模型的不同，荷載輸入浮重度或飽和重度也不同，設計參數要有理論根據，結構設計師要充分了解軟件的計算模型的假定。

參考文獻

[1] 建筑地基基礎設計規范：GB50007-2011[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2] 趙明華.土力學與基礎工程[M].武漢：武漢工業大學出版社，2000：12-22.

作者簡介

孫國強，學士，工程師，國家一級注冊結構工程師。