清水池抗浮设计要点分析

摘 要 地下水水位较高的场地内，避免清水池浸泡在水中而浮起来，首先必须满足整体抗浮的要求，然后再考虑局部抗浮。水位以下覆土压重的土容重的取值根据计算机建模模型的不同，输入浮重度或饱和重度;当局部抗浮力小于水浮力，导致底板局部上浮隆起，反拱底板脱离持力层后不能形成支座，根据上部结构刚度，确定两端的支座点位置形成约束，才能得到筏板计算长度。本文就抗浮不足、设计时模型方案和设计取值上讨论一下结构计算概念。

关键词 整体抗浮;局部抗浮;饱和重度;浮重度

概述

（1）对于简单的浮力作用情况，可采用阿基米德原理计算，基础抗浮稳定性应符合下式要求：

式中：Gk—建筑物自重及压重之和（kN）;不含活载在内的自重及压重等永久荷载标准值;Nw，k—浮力作用值（kN）;kW—抗浮稳定安全系数，一般情况下可取1.05。

（2）在整体满足抗浮稳定性要求而局部不满足时，也可采用增加结构刚度的措施[1]。

抗浮设计验算内容包括：①整体抗浮验算;②局部抗浮验算[1]。

1整体抗浮验算

地下清水池长26.7m，宽24.2m，净高6.0m，地下抗浮水位很高，在室外地面下1.4m，清水池埋设很深，池底标高在室外地面下-6.8m。按照（5.4.3）式整体抗浮验算<1.05。抗浮验算不满足规范要求，采用的抗浮措施有：自重抗浮、覆土压重抗浮、基底外挑配重抗浮、抗拔桩抗浮或锚杆抗浮。自重抗浮是在满足混凝土构件强度和裂缝的要求后，增加混凝土的重量抗浮，这种方法适用于抗浮稳定安全系数验算结果比较接近1.05的情况，如果相差太大，就增加了混凝土用量和钢筋的最小配筋率，经济性较差，所以采用在清水池上覆土增加压重的方式抗浮，并且北区寒冷地区有防冻的要求，增加0.8m的覆土抗浮，经过计算还是不能满足抗浮验算。再采用基底配重抗浮方式，在清水池底板外挑出来0.5m长的基础底板，利用外挑板及其上土重作为压重，这种做法也能减小混凝土用量，但也不能外挑太大，太大也會增加土方开挖的量，综合造价不一定经济。

如清水池受力图1所示：各种自重和压重力（不含活载在内的自重及压重等永久荷载标准值）和浮力作用力。其中有争议的是外挑板其上的土重度选用浮重度（数值范围8～13KN/m?）还是天然重度（数值范围16～22KN/m?）[2]。

首先从土的力学性能定义来分析，见图2。（h为水头高度），地下水位以下的土为饱和密度，其中m包括饱和水重量和土颗粒的重量的叠加，不考虑底板的厚度对水压力的误差后，同一水平面的浮力是相等的（浮力大小与深度有关，类似于大气压力与海拔有关） Fw.d=Fw.s≈γw* h，Fw.d与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，简化公式为 ms/V，但不应该取干密度为土重，干密度（数值范围13～20KN/m?）是在烘干时状态下的体积与饱和水状态下土的体积完全不同。从另外个角度理解，比例式减压阀利用阀体内部活塞两端不同受荷面积产生的压力差，改变阀后的压力，达到减压目的;作用面产生的压力差在清水池挑板的上表面和下表面，向上的水浮力与向下的水重力相等（大小跟水头有关系），水位以下的土按照浮重度取值。G4应按照（水位以上）土的天然重度和（水位以下）土的浮重度的加权平均值取。

整体抗浮计算时Nw，k浮力作用值（kN）与作用面积有关，通常计算到清水池砼外挡墙外缘的面积，但底板外挑时，上文（式1）计算的土压重合力已经把水浮力Fw.d≈γw*h等效掉了，就不应计算到底板外挑的外边缘，计算机建模时直接按照筏板外挑尺寸的模型输入，计算的水浮力Nw，k也是按照外挑外边缘计算的，这样的结果多出了Fw.d*外挑尺寸面积的浮力。这时有两个办法解决，方法1：建模时筏板按照清水池侧壁外缘的大小输入，外挑压重土按土的浮重度的加权平均值再加上外挑混凝土底板的重量折算后按照（恒荷载）线荷载输入到混凝土侧墙上。土按照浮重度计算;方法2：建模时筏板按照底板外挑边缘尺寸输入，外挑压重覆土按土的饱和重度的加权平均值折算后按（面荷载）覆土荷载输入到筏板上，这里土的饱和重度没有扣除掉Fw.d*外挑尺寸面积的浮力，土按照饱和重度计算（数值范围18～23KN/m?）。

采用抗浮构件（例如抗拔桩）等措施时，由于其产生抗拔力伴随位移发生，过大的位移量对基础结构是不允许的，抗拔力取值应满足位移控制条件。还有一种非主流抗浮措施，土中滞水、潜水、承压水等通过渗流通道，作用于底板下，形成水压力，这是产生水浮力的本质[2]。如果底板直接坐在岩石层上，并且岩石持力层岩隙间没有裂缝，就不能形成渗流通道，实际也不能形成水压力，相当于水池底板与岩石形成为一体，没有水渗流到底板下面，也就没有向上的水浮力。如果岩石层风化裂隙很发育，岩芯呈硬土块状、碎块状，就不能采用密封渗流通道这种抗浮措施。这种抗浮措施经验较少，并且对基础施工中浇筑垫层与岩层的密实度有较高要求，不建议采用。

2局部抗浮验算

整体抗浮满足要求是抗浮设计的最低标准，其目的是保证整个基础是一个不发生位移稳定的结构。如果不满足基础脱离持力层，基础将成为可变机构，基础整体计算将无法得到正常结果。

在同一水平面上水的浮力是相同的，但清水池竖向荷载分布是不均匀的，混凝土外壁自重比较大，单位面积内密度比较高，局部自重大于水浮力，但清水池像一个大箱子，在池内无水的工况下，中间无梁楼盖立柱传导下来局部恒荷载小于水浮力，反拱形成了一个倒过来的锅的形状，中间起拱，四周重的情况。

我们知道土只能承担压力，不能承担拉力;一般情况下，如果没有水浮力，整个底板下的地基处于受压状态;如果水浮力比较小，地基压力会减少，但是仍然会处于整体受压状态。这个时候土起到支撑作用。随着水浮力增大，部分区域的筏板会出现上拱效应，上拱区域的土将失去支撑作用，该区域的抗拔锚杆将起拉杆作用。

《地基基础》5. 4. 3条文中：在整体满足抗浮稳定性要求而局部不满足时，也可采用增加结构刚度的措施。本清水池采用盈建科YJK结构设计软件基础模块设计参数中，未考虑上部结构的刚度时，筏板就是一个500mm的厚板，自身平面内的刚度有限，所以查看三维位移值清水池中心的位移值很大（中心点位移值23mm）。在考虑上部结构的刚度后，软件才能正确模拟在高水组合作用下的变形和上部柱墙对筏板基础的支撑作用。截面惯性矩的截面高度h由0.5m高变到6.0m高。竖向变形中心点位移值0.02mm，變化很明显;但是清水池是无梁楼盖结构，没有框架梁，砼柱只与厚板连接，能否达到模型理想的上部结构刚度，还得请设计师慎重考虑这种过于理想的刚度状态。

盈建科YJK结构设计软件在基础模块中能进行基础工程的非线性分析就是解决基础上浮脱离持力层后计算模型的改变，如果地基土或者桩出现了部分受压部分受拉的情况，就应该通过考虑土桩抗拉抗压刚度不同的非线性迭代计算方法进行分析。

盈建科软件采用非线性分析时是有条件的：首先参数选项中必须钩选考虑上部结构刚度;因为只有考虑了上部结构刚度，才能正确模拟在高水组合或者人防组合作用下的变形和柱墙对基础的支撑作用。

3讨论

软件计算结果（抗浮1.0恒-1.2浮力工况下柱下三维位移0.02mm<0.1mm，该工程不存在拉压不同的弹簧）没有进行非线性分析，就是说柱下的底板没有脱离持力层，底板内力计算时以柱子与柱子之间的距离确定的计算跨度，而不是在柱下的底板脱离持力层情况下，计算底板跨度按照最外面混凝土外挡墙之间的距离作为计算跨度，跟我的概念模型不太一样，是否软件考虑的上部结构刚度太大了？感觉软件还不能自动识别筏板脱离持力层后（筏板反拱），土体分离不能形成支座，根据上部结构的刚度，两端的支座点最终在哪组结构构件上形成约束，筏板计算长度是多长，是一个柱间跨度还是多个柱间长度，这都需要软件多次迭代计算的过程，也是比较烦琐复杂的分析。盈建科软件的非线性分析适用于抗浮措施采用抗拔桩或抗浮锚杆的案例，抗浮锚杆按承载力设计值/允许位移（10mm）估算初始抗拔刚度，有了抗拔刚度产生的抗浮反力作为支座，就有了计算长度，按照实际刚度的不同的迭代计算了。请结构设计师充分了解软件的计算模型的假定，根据实际工程的情况建模计算，得出真实数据结果后，与工程的受力状况相符合，才能用于绘制施工图所使用的最终结果。

4结束语

抗浮设计是水池结构设计的第一步，只有满足抗浮要求才能进行内力和配筋计算，抗浮方案的比选要经济合理，计算机建模模型的不同，荷载输入浮重度或饱和重度也不同，设计参数要有理论根据，结构设计师要充分了解软件的计算模型的假定。

参考文献

[1] 建筑地基基础设计规范：GB50007-2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2] 赵明华.土力学与基础工程[M].武汉：武汉工业大学出版社，2000：12-22.

作者简介

孙国强，学士，工程师，国家一级注册结构工程师。