筏形基础与地下室防水板设计问题探讨

罗学锋

（中国冶金地质总局二局，福建 闽侯 350108）

1 筏板类型选择

筏形基础分为平板式基础和梁板式基础，平板式基础支持局部加厚筏板类型，梁板式基础包括肋梁上平及下平2种形式。

筏形基础形式应根据上部结构体系、柱墙间距、荷载大小及工程地质条件、施工条件等综合分析确定。在工程设计中，一般认为柱距变化、柱间荷载变化不超过20%时，对于柱网均匀且间距较小及上部荷载不大的结构，通常考虑选用平板式筏形基础；对于纵横柱网尺寸相差较大，且上部结构荷载也较大时，宜选用梁板式筏形基础。对于上部结构为剪力墙体系时，如果每道剪力墙均直通基础，一般采用平板式筏形基础。平板式筏形基础由于施工工艺简单且快捷，在高层建筑中得到广泛应用。

2 筏形基础厚度

2.1 设计规范

梁板式筏形基础底板厚度，当楼层数大于12层时，不应小于1/14 Ld且不应小于400mm，Ld为最大双向板格的短边净跨，假设采用8m×8m双向板，则最小厚度为570mm；当楼层数不大于12层时，底板厚度不小于1/20 Ld且不小于300mm，假设采用8m×8m双向板，则最小厚度为400mm；高层建筑的平板式筏形基础板厚不应小于500mm。

2.2 工程经验

筏板厚度的选取应通过计算确定，其与楼高及柱墙间距关系最大，与混凝土强度、荷载均匀性及地基承载力大小等也有关系。当建筑高度为15层以下时，可按每层50mm估算筏形基础厚度。

实际上，筏形基础厚度主要取决于混凝土的抗冲切计算。如有2个建设高度分别为25层和32层的工程项目，均设1层地下室，采用平板式筏形基础，25层建筑筏形基础厚度采用2000mm，而32层建筑筏形基础厚度却只用1200mm。因此，筏形基础厚度按每层50mm估算，只是经验值。

3 平板式筏形基础冲切计算

3.1 平板式筏形基础内柱下板厚受冲切承载力计算

3.1.1 计算公式

内柱冲切截面如图1所示，计算公式如下。

图1 平板式筏形基础内柱下板厚受冲切截面

式中，Fl为相应于荷载效应基本组合时的冲切力（kN）；um为距柱边缘不小于h0/2处的冲切临界截面的最小周长（m）；h0为筏板的有效高度（m）；Munb为作用在冲切临界截面重心上的不平衡弯矩（kN·m）；cAB为沿弯矩作用方向冲切临界截面重心至冲切临界截面最大剪应力点的距离（m）；Is为冲切临界截面对其重心的极惯性矩（m4）；βs为柱截面长边与短边的比值；βhp为受冲切承载力截面高度影响系数；ft为混凝土轴心抗拉强度设计值（kPa）；c1为与弯矩作用方向一致的冲切临界截面的边长（m）；c2为垂直于 c1的冲切临界截面边长（m）；as为不平衡弯矩通过冲切临界截面上的偏心建立传递分配系数。

3.1.2 计算分析

1）公式（1）右侧第1项是集中力作用下的冲切承载力，右侧第2项是作用在冲切临界截面重心上的不平衡弯矩产生的附加剪力。

2）基础边柱和角柱的冲切验算，其冲切力应分别乘以1.1和1.2的增大系数。

3）试验结果表明，内柱的冲切破坏呈完整的锥体状。

4）对于内柱，柱截面形心与临界截面重心重合，冲切临界截面重心上的弯矩取柱根弯矩设计值。当结构体系较简单柱根弯矩较小时，最大剪应力可以按公式（1）右侧第1项进行估算。

3.2 平板式筏形基础在内筒下的板厚受冲切承载力计算

3.2.1 计算公式

式中，Fl为相应于荷载效应基本组合时内筒所承受的轴力设计值与内筒下筏板冲切破坏锥体内的基底净反力设计值（kN）；um为距内筒外表面h0/2处冲切临界截面的周长（m）；η为内筒冲切临界截面周长影响系数，取1.25。

3.2.2 计算分析

1）混凝土抗冲切承载力随临界截面的周长与有效高度比值的增加而降低，核心筒占有相当大的面积，其下筏板的受冲切承载力实际上降低了，因此设计时应提高核心筒下筏板的厚度。

2）框筒结构下筏板底部最大应力出现在核心筒边缘处，提高厚度有利力核心筒边缘处筏板应力较大部位的配筋。

4 筏形基础设计

4.1 设计步骤

JCCAD→选择基础模型数据→地质资料→地基承载力参数及深宽修正系数→基础设计参数→荷载输入→荷载组合→选择目标荷载（最大和最小轴力、最大偏心矩、最大弯矩等）→围区生成，完成筏板布置设计。

4.2 沉降计算

一般采用文克尔模型，输入回弹再压缩模量/压缩模量（目前地勘单位提交的工程勘察报告一般不提供回弹再压缩模量指标，可采用压缩模量参数）→选择广义文克尔模型进行地梁内力计算。广义文克尔假定计算，基础边角部分的K值大，中部的K值小，以刚性楼板假定进行沉降计算，不选择该项。按一般文克尔假定计算，K值为常量，不考虑地基土的相互影响。

4.3 弹性地基梁结构计算

弹性地基基床反力系数K由于地勘单位的勘察报告一般不会提供，可采用经验参考值进行估算，基床反力系数的合理性是看沉降技术结果，要不断调整基床系数，使与经验值或分层总和法手算结果相近，从而得出合理的K值，再由K值计算弹性位移。

5 地下室抗浮与防水设计

对于地下室连接体，由于其自身重量较小，地下水的浮力作用对地下室的稳定性、基础选型、底板结构设计、工程施工及建成后的正常使用等有全方位影响，因此地下室抗浮设计极为重要。

5.1 抗浮设计

地下室抗浮设计应同时满足整体抗浮和局部抗浮，施工期间和使用期间的抗浮验算应保证地下室的梁板柱有足够的强度和刚度。

地下室结构及顶板覆土自重除以水浮力作用值应不小于1.05（安全系数），当抗浮稳定性验算不能满足要求时，可采用配重法、抗拔桩或抗浮锚杆、增加结构刚度等措施加以保证，对于地下水位或使用荷载变化较大的地下建（构）筑物宜优先使用抗浮桩。抗浮设计常用方法如下。

1）结构自重＋顶板覆土压重方法 采用回填土、砖石或混凝土等压重措施平衡地下水浮力。

2）增加抗拔力方法采用抗拔桩（锚）构件承担部分地下水浮力。

3）浮力控制方法 采取截水、疏水、排水等措施，使地下水位控制在预定的标高以下或减小地下水对建筑物的浮力作用。

5.2 防水板设计

1）抗浮水头×1.35（1.40）－（抗水板＋面层）自重作为浮力，进行抗水板受弯计算。

2）独基＋梁＋抗水板时，可按倒置的肋形楼盖模型计算板底筋及支座筋。

3）独基＋抗水板时，可采用有限元计算，或按倒置的无梁楼盖的计算。

4）裂缝应按0.20mm控制。

6 倒楼盖模型计算方法

倒楼盖法类似于计算柱下条形基础的倒梁法，按该方法计算平板式筏形基础的内力，是把筏形基础看成倒置的无梁楼盖，计算时在平面上将基础划分为柱下板带和跨中板带，边排柱下的板带宽度取相邻柱间距的1/4与柱轴线至基底边缘距离之和，其余板带宽度为柱距的1/2；若柱距不相等，则为相邻柱距平均值的1/2。然后根据柱荷载和均匀分布的地基净反力，按无梁楼盖计算基础内力。

在计算筏形基础时，假设基底净反力为直线分布，当地基比较均匀，上部结构刚度较好，梁板式筏形基础的高跨比或平板式筏形基础的高厚比不小于1/6，且相邻柱荷载及柱距变化不超过20%，筏形基础可仅考虑局部弯曲作用，按倒楼盖计算。地下室防水板宜采用相关程序按复杂楼板计算，也可按无梁楼盖双向板计算。无梁楼盖双向板计算的经验系数法如下。

1）划分防水板柱下板带和跨中板带。

2）先算出垂直荷载产生的板的总弯矩设计值，然后按表1确定柱下板带和跨中板带的弯矩设计值。

Mx＝qly（lx－2bce/3）2/8 My＝qly（lx－2bce/3）2/8

表1 柱下板带和跨中板带弯矩分配值 kN·m

7 超高层建筑筏形基础勘察要点

1）查明筏形基础底下持力层和主要受力层的均匀性、地基承载力和变形特征。这里需强调的是地基均匀性，因为有些工程技术人员认为筏形基础刚度大，具有较好地调整基础不均匀变形的作用，而轻视了地基不均匀性的影响，这实际上是一个认识误区，超高层建筑一般采用剪力墙结构，荷载很大且集中，当剪力墙下部地基较软或不均匀时，也可能造成结构损伤；另外，超高层建筑不允许出现过大的偏心受压和整体倾斜。

2）当地下室埋深较大需分析基坑开挖卸荷与再加荷对地基变形的影响时，应进行回弹再压缩试验，其压力的施加情况应模拟实际加卸荷的应力状态。

3）当设计需要地基土的基床系数时，应进行基床系数载荷试验。在工程实践中，现场往往采用面积0.5m2的方形承压板进行载荷试验，通过换算，实际基础尺寸的修正地基基床系数Ks可按下列公式计算（P、s的取值方法同基床系数载荷试验）：

黏性土：Ks＝［0.8（2L＋B）P］/（3LBs）

砂土：Ks＝［0.582（B＋0.3）2P］/（B2s）

4）筏形基础的地基反力和施工验槽对于筏形基础，基坑开挖时，若坑内排水需采用简易集水井，集水井宜设置在地基反力系数较小的部位；施工验槽时应重点检验地基反力系数较大的部位，验正有关基底部位的岩土地基情况。

当基础底面形状为矩形（L×B）时，对于不同的地基土，其地基反力系数的分布特点为：①软土地基总体受力沿短边B方向呈带状分布，中间较大，两边较小，在长边L边缘的中间部位最小，短边B边缘的中间部位最大；②黏性土、砂土地基总体上周边较大，中间较小，4个角部最大，砂土地基比黏性土地基更明显；③岩石地基由于其强度非常高，在荷载作用下，只是裂隙可能被压密，然后呈现弹性变形，沉降变形量非常小，地基反力易向中间部位及柱墙位置集中，具有与普通地基不同的特征。

8 结语

1）压线设计问题 目前，特别是房地产业，为赶进度和节约造价，采取低限压线设计的行为时而有之。如某已建工程为30层住宅楼，地下1层，基础方案原设计采用预应力管桩，业主为满足进度需要，多次召开专家论证，基础方案不断调整，从管桩调整为筏板加减沉桩，最后调整为平板式筏形基础，该工程封顶后，由于筏形基础下的持力层卵石层均匀性较差，出现较大差异沉降和整体倾斜，最终需要对基础采取补强加固处理。

2）基础作为建筑物的地下结构部分，在使用中受上部结构体系、上部荷载、地基反力、地下水作用力等因素影响，其理论基础研究水平却明显落后于上部结构，应当得到相关建设部门更多的关注和研究。

对于一般地基上的高层建筑，采用筏形基础或均匀布桩的桩基础时，其变形特征往往是中部变形较大，呈碟形沉降和马鞍形反力分布。而位于岩石地基上的各种浅基础，变形特征却有所不同，由于岩石地基强度非常大，变形量非常微小，导致地基反力向中部和柱墙集中，呈现出与普通地基不同的特征。期望业界今后更多地总结岩石地基基础方面的经验。

3）在以往工程建设中，地下室常出现裂缝渗水问题，不仅是施工原因。因为对于地下室连接体的底板，许多工程项目只按抗水板考虑，实际上地下水的作用很复杂，地下室底板的防水层也容易失效，大面积满铺地下室很容易在局部地段出现底板承受过大的水浮力或地基反力现象。

对于地下室底板设计要求，新的规定有所加强，例如1层地下室，新规要求底板厚度不小于350mm，板筋不小于φ14且间距不小于150mm。

4）变形控制是地基基础设计与施工的主要内容：①高层建筑筏形基础 当深基坑开挖后，基底卸荷可能产生较大回弹，而应力释放、浸水软化或地基土被扰动等因素又会加剧回弹影响，有时回弹再压缩的沉降量占总沉降变形量比例较大，此时在沉降计算中应当考虑回弹再压缩引起的沉降量；②地下室防水板 由于地下室与高层建筑荷载差异很大，易产生差异沉降变形，因此应合理设置沉降后浇带，施工过程主楼和地下室均应当进行沉降变形监测，在主楼砌体大部分完成且沉降变形速率较小后，再进行后浇带封闭施工。当后浇带封闭后，如果沉降变形量仍然较大，地下室邻近主楼部位的防水板可能产生过大的地基反力，设计宜适当加强结构强度和刚度，或在防水板底下增设软垫层。

5）地基基础很重要又属于隐蔽工程，一旦出现了质量问题，往往难以查找原因。应当加强学习研究和地基验槽工作，发挥专业作用，确保工程质量和可靠度。