摘 要 地下水水位較高的場(chǎng)地內(nèi)，避免清水池浸泡在水中而浮起來(lái)，首先必須滿(mǎn)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(jù)計(jì)算機(jī)建模模型的不同，輸入浮重度或飽和重度;當(dāng)局部抗浮力小于水浮力，導(dǎo)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(jù)上部結(jié)構(gòu)剛度，確定兩端的支座點(diǎn)位置形成約束，才能得到筏板計(jì)算長(zhǎng)度。本文就抗浮不足、設(shè)計(jì)時(shí)模型方案和設(shè)計(jì)取值上討論一下結(jié)構(gòu)計(jì)算概念。

關(guān)鍵詞 整體抗浮;局部抗浮;飽和重度;浮重度

概述

（1）對(duì)于簡(jiǎn)單的浮力作用情況，可采用阿基米德原理計(jì)算，基礎(chǔ)抗浮穩(wěn)定性應(yīng)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(nèi)的自重及壓重等永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值;Nw，k—浮力作用值（kN）;kW—抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般情況下可取1.05。

（2）在整體滿(mǎn)足抗浮穩(wěn)定性要求而局部不滿(mǎn)足時(shí)，也可采用增加結(jié)構(gòu)剛度的措施[1]。

抗浮設(shè)計(jì)驗(yàn)算內(nèi)容包括：①整體抗浮驗(yàn)算;②局部抗浮驗(yàn)算[1]。

1整體抗浮驗(yàn)算

地下清水池長(zhǎng)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(shè)很深，池底標(biāo)高在室外地面下-6.8m。按照（5.4.3）式整體抗浮驗(yàn)算<1.05。抗浮驗(yàn)算不滿(mǎn)足規(guī)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(mǎn)足混凝土構(gòu)件強(qiáng)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(wěn)定安全系數(shù)驗(yàn)算結(jié)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(jīng)濟(jì)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(qū)寒冷地區(qū)有防凍的要求，增加0.8m的覆土抗浮，經(jīng)過(guò)計(jì)算還是不能滿(mǎn)足抗浮驗(yàn)算。再采用基底配重抗浮方式，在清水池底板外挑出來(lái)0.5m長(zhǎng)的基礎(chǔ)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(huì)增加土方開(kāi)挖的量，綜合造價(jià)不一定經(jīng)濟(jì)。

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

首先從土的力學(xué)性能定義來(lái)分析，見(jiàn)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(duì)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(guān)，類(lèi)似于大氣壓力與海拔有關(guān)） Fw.d=Fw.s≈γw* h，F(xiàn)w.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(jiǎn)化公式為 ms/V，但不應(yīng)該取干密度為土重，干密度（數(shù)值范圍13～20KN/m?）是在烘干時(shí)狀態(tài)下的體積與飽和水狀態(tài)下土的體積完全不同。從另外個(gè)角度理解，比例式減壓閥利用閥體內(nèi)部活塞兩端不同受荷面積產(chǎn)生的壓力差，改變閥后的壓力，達(dá)到減壓目的;作用面產(chǎn)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(guān)系），水位以下的土按照浮重度取值。G4應(yīng)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(quán)平均值取。

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

采用抗浮構(gòu)件（例如抗拔樁）等措施時(shí)，由于其產(chǎn)生抗拔力伴隨位移發(fā)生，過(guò)大的位移量對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是不允許的，抗拔力取值應(yīng)滿(mǎn)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(guò)滲流通道，作用于底板下，形成水壓力，這是產(chǎn)生水浮力的本質(zhì)[2]。如果底板直接坐在巖石層上，并且?guī)r石持力層巖隙間沒(méi)有裂縫，就不能形成滲流通道，實(shí)際也不能形成水壓力，相當(dāng)于水池底板與巖石形成為一體，沒(méi)有水滲流到底板下面，也就沒(méi)有向上的水浮力。如果巖石層風(fēng)化裂隙很發(fā)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(jīng)驗(yàn)較少，并且對(duì)基礎(chǔ)施工中澆筑墊層與巖層的密實(shí)度有較高要求，不建議采用。

2局部抗浮驗(yàn)算

整體抗浮滿(mǎn)足要求是抗浮設(shè)計(jì)的最低標(biāo)準(zhǔn)，其目的是保證整個(gè)基礎(chǔ)是一個(gè)不發(fā)生位移穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。如果不滿(mǎn)足基礎(chǔ)脫離持力層，基礎(chǔ)將成為可變機(jī)構(gòu)，基礎(chǔ)整體計(jì)算將無(wú)法得到正常結(jié)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(nèi)密度比較高，局部自重大于水浮力，但清水池像一個(gè)大箱子，在池內(nèi)無(wú)水的工況下，中間無(wú)梁樓蓋立柱傳導(dǎo)下來(lái)局部恒荷載小于水浮力，反拱形成了一個(gè)倒過(guò)來(lái)的鍋的形狀，中間起拱，四周重的情況。

我們知道土只能承擔(dān)壓力，不能承擔(dān)拉力;一般情況下，如果沒(méi)有水浮力，整個(gè)底板下的地基處于受壓狀態(tài);如果水浮力比較小，地基壓力會(huì)減少，但是仍然會(huì)處于整體受壓狀態(tài)。這個(gè)時(shí)候土起到支撐作用。隨著水浮力增大，部分區(qū)域的筏板會(huì)出現(xiàn)上拱效應(yīng)，上拱區(qū)域的土將失去支撐作用，該區(qū)域的抗拔錨桿將起拉桿作用。

《地基基礎(chǔ)》5. 4. 3條文中：在整體滿(mǎn)足抗浮穩(wěn)定性要求而局部不滿(mǎn)足時(shí)，也可采用增加結(jié)構(gòu)剛度的措施。本清水池采用盈建科YJK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件基礎(chǔ)模塊設(shè)計(jì)參數(shù)中，未考慮上部結(jié)構(gòu)的剛度時(shí)，筏板就是一個(gè)500mm的厚板，自身平面內(nèi)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(diǎn)位移值23mm）。在考慮上部結(jié)構(gòu)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(duì)筏板基礎(chǔ)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(diǎn)位移值0.02mm，變化很明顯;但是清水池是無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)，沒(méi)有框架梁，砼柱只與厚板連接，能否達(dá)到模型理想的上部結(jié)構(gòu)剛度，還得請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)師慎重考慮這種過(guò)于理想的剛度狀態(tài)。

盈建科YJK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件在基礎(chǔ)模塊中能進(jìn)行基礎(chǔ)工程的非線(xiàn)性分析就是解決基礎(chǔ)上浮脫離持力層后計(jì)算模型的改變，如果地基土或者樁出現(xiàn)了部分受壓部分受拉的情況，就應(yīng)該通過(guò)考慮土樁抗拉抗壓剛度不同的非線(xiàn)性迭代計(jì)算方法進(jìn)行分析。

盈建科軟件采用非線(xiàn)性分析時(shí)是有條件的：首先參數(shù)選項(xiàng)中必須鉤選考慮上部結(jié)構(gòu)剛度;因?yàn)橹挥锌紤]了上部結(jié)構(gòu)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(duì)基礎(chǔ)的支撐作用。

3討論

軟件計(jì)算結(jié)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(méi)有進(jìn)行非線(xiàn)性分析，就是說(shuō)柱下的底板沒(méi)有脫離持力層，底板內(nèi)力計(jì)算時(shí)以柱子與柱子之間的距離確定的計(jì)算跨度，而不是在柱下的底板脫離持力層情況下，計(jì)算底板跨度按照最外面混凝土外擋墻之間的距離作為計(jì)算跨度，跟我的概念模型不太一樣，是否軟件考慮的上部結(jié)構(gòu)剛度太大了？感覺(jué)軟件還不能自動(dòng)識(shí)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(jù)上部結(jié)構(gòu)的剛度，兩端的支座點(diǎn)最終在哪組結(jié)構(gòu)構(gòu)件上形成約束，筏板計(jì)算長(zhǎng)度是多長(zhǎng)，是一個(gè)柱間跨度還是多個(gè)柱間長(zhǎng)度，這都需要軟件多次迭代計(jì)算的過(guò)程，也是比較煩瑣復(fù)雜的分析。盈建科軟件的非線(xiàn)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(shè)計(jì)值/允許位移（10mm）估算初始抗拔剛度，有了抗拔剛度產(chǎn)生的抗浮反力作為支座，就有了計(jì)算長(zhǎng)度，按照實(shí)際剛度的不同的迭代計(jì)算了。請(qǐng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師充分了解軟件的計(jì)算模型的假定，根據(jù)實(shí)際工程的情況建模計(jì)算，得出真實(shí)數(shù)據(jù)結(jié)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(jié)果。

4結(jié)束語(yǔ)

抗浮設(shè)計(jì)是水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一步，只有滿(mǎn)足抗浮要求才能進(jìn)行內(nèi)力和配筋計(jì)算，抗浮方案的比選要經(jīng)濟(jì)合理，計(jì)算機(jī)建模模型的不同，荷載輸入浮重度或飽和重度也不同，設(shè)計(jì)參數(shù)要有理論根據(jù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師要充分了解軟件的計(jì)算模型的假定。

參考文獻(xiàn)

[1] 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50007-2011[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[2] 趙明華.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M].武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2000：12-22.

作者簡(jiǎn)介

孫國(guó)強(qiáng)，學(xué)士，工程師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師。