防水板基础在设计中应注意的几个问题

吴君俊

防水板在工程中一般特指用来抵抗地下水的结构板。我国现行规范中虽未对防水板有明确的界定和定义，但实际工程中防水板应用普遍，如独立基础加防水板、桩基承台加防水板等。本文通过计算模型的选择等几个方面探讨了防水板设计中应注意的问题。

1.抗浮水位

水位是防水板设计的重要因素之一，正确的水位选择关乎基础设计的安全性、经济性。地勘资料所提供的水位类型很多，如稳定水位、历史最高最低水位、防水设计水位、抗浮设计水位等，对后两者往往容易混淆。防水设计水位主要用于建筑外防水措施(如防渗漏、防腐蚀危害等)和确定抗渗等级。抗浮设计水位是指抗浮设计时控制浮力的水位，主要适用于防止地下水浮力对基础安全危害和建筑物整体抗浮稳定而采取的结构措施及结构验算，是结构抗浮设计的重要指标不容忽视[1][6]。设计时如无长期地下水观测资料，抗浮设计水位可按地勘资料提供数据或取周边整平标高或标高以下0.50m 考虑。

2.计算模型的合理选择

在模型选择前，设计人员需要了解基础设计中力学模型的分类，主要分为刚体假定模型、变形体假定模型(有限元模型)，其具体分类及区别如图1 所示。由图示分析可知倒楼盖模型的特点是将竖向构件作为不动支座，所以上部的荷载对防水板的计算是没有影响的。通常的设计中，竖向构件是不会向上移动的，但抗浮设防水位比较高、人防荷载作用、较大水平力作用等情况时，竖向构件会有一定的向上位移，这时防水板按倒楼盖模型计算的位移变形并不一定能满足实际基础变形，这种理想化模型会造成防水板计算结果的偏小，并无法对防水板进行沉降、冲切和剪切验算，存在一定的安全隐患。弹性地基梁板法模型是最常用到的力学模型，是需进行整体有限元划分的，又可分为线性分析模型和非线性分析模型。对于抗浮水位比较高的工程，部分区域会出现上抬脱空现象，脱空区域的土将失去支撑作用，桩可以受拉、受压但桩的受拉刚度、受压刚度有着明显区别，而土根据其特性只能受压不能受拉。线性分析方法考虑的是拉压刚度相同情况下，当土或桩出现部分受拉的情形时，就无法如实反映桩土受力情况。出现这种情况时应该通过考虑桩土抗拉抗压刚度不同的非线性迭代计算方法进行分析[2][3]。当水浮力大、水平荷载很大或人防设计工程等工程都会导致基础变形上抬脱空情况，此时桩土受拉受压不定，刚度变化悬殊，所以高水位防水板设计时建议采用筏板模拟防水板法，即采用弹性地基梁板法模型并采用非线性迭代计算方法进行分析，这时整体分析模型下才能准确模拟计算出基础实际变形及内力。同理，锚杆计算时也建议采用筏板模拟防水板法计算。当抗浮水位低时可根据实际情况选择防水板模型或弹性地基梁板法模型。

图1 基础力学模型概览

3.基床系数及桩刚度系数

基床系数是指地层弹性压缩系数。桩竖向刚度系数指桩平均反力与桩对应的沉降比值。它们的值均可依地质资料反算（如根据分配到的荷载计算沉降，得到沉降值后，按照K=p/s、Kp=Q/s 反算基床系数及桩刚度或直接指定取值）[3]。基床系数及桩刚度是基础计算的重要参数，对基础计算结果影响大，需要结合桩土反力的分布来判断是否合理。如防水板设计时常采用筏板来模拟防水板建模，此时可对筏板(防水板)按构件布置设置基床系数为0，对独基可按实际的土层情况取值，桩或锚杆的刚度一般可取抗压或抗拉承载力值的50 倍～100 倍，这样就可将各基础模块的受力情况通过基床系数(桩刚度)调整到设想的受力状态与实际匹配。

4.人防荷载

防水板基础设计时需要考虑人防区的人防底板荷载。底板等效静荷载一般分为土反力方式和绕射波荷载作用方式。土反力方式实际是顶板人防荷载下土反力的等效，绕射波荷载则是由核武器爆炸动荷载所形成的土中压缩波通过侧面绕射到底板上的荷载，为实际作用荷载并非等效静荷载，类似于水浮力的作用，所以该类荷载应与水浮力叠加。当采用倒楼盖模型时，假定土反力是均匀分布的，墙柱为不动支座，不考虑人防顶板荷载，应采用绕射波荷载。当采用弹性地基梁板法时，不再假定土反力是均匀分布的，而是按实际受力状态分布，人防顶板荷载沿竖向构件作用在底板上，这个作用是当作荷载来考虑的，地基土当作土弹簧考虑，通过有限元计算得到土反力的实际分布，需考虑顶板人防荷载，不管人防底板等效静荷载取何数值均须与人防顶板平衡。

5.防水板设计对独基(桩基承台)的影响

防水板设计时不能忽视其对独基（桩基承台）的影响，抗浮水位比较高时水浮力大，当水浮力大于防水板自重与其上建筑做法重量之和时，防水板会将一定的水浮力传递给独基承台（桩基承台），加大承台弯矩作用，对内力和配筋产生影响，此时可采用矢量叠加原理对增大的内力进行计算复核并加强构造措施[1][4]，如在防水板底与独基（桩基承台）交接处加设附加筋等。独基加防水板设计时应忽略防水板的承载力，确保主要基础载荷均由独基承担，可在防水板下部设置褥垫层，这样也可以减小差异变形对防水板的影响。比较常用的褥垫层有焦渣垫层、级配中粗砂、聚苯板等，前者受货源、价格等影响逐步被替代，后两项是工程中比较常用的褥垫层[5]。

6.算例分析

某工程位于福州市长乐区，拟建建筑物为两座厂房、一座宿舍及一座办公楼，办公楼及宿舍楼下设一层地下室。基本条件为：标准设防类、抗震烈度为7 度（0.10g）、地震分组为三组、场地类别为Ⅱ类、人防等级为核6 常6。地下室底板结构面标高为-5.20m，抗浮设计水位为-0.50m。根据勘探揭露，场地岩土各层情况依次为：杂填土、淤泥、粉质黏土层、全风化花岗岩、强风化花岗岩(砂土状、碎块状)层、微风化岩层。地下室底板底位置标高为粉质黏土层，地下室基础采用管桩基础加防水板(防水板厚为350mm），抗浮不足处采用抗拔管桩。选取中间某区块（柱距为7000mm×8250mm）结合YJK-F 软件，在相同条件下（水浮力均为50.5kPa）分别采用防水板模型(倒楼盖模型)及弹性地基梁板法模型对该区块进行计算分析，如下图统计了该区块底板Y向双层配筋、底板剪力包络图。依图2、图3 可知，由水浮力起控制作用的板顶钢筋配筋量差值约50%，底板Y 向剪力差值也接近20%。可见本工程在高水位情况下采用防水板模型计算所得的内力及配筋均存在一定的程度偏小，存在设计安全隐患。设计时对模型的选择及荷载的选取应慎重。

图2 底板剪力包络图

图3 底板Y 向配筋图

7.结束语

（1）防水板按倒楼盖模型进行计算时，以竖向构件作为不动支座，其力学模型与实际的变形有一定出入，其计算方法及结果存在一定的限制。所以在防水板设计时应充分结合实际情况，选取合理的计算模型，模拟真实受力变形状态，保证设计的安全性可靠性。

（2）现行结构设计软件更迭速度快、工程技术的发展快，对结构设计人员也不断地提出更高的技术要求。在基础设计时应结合工程实际，对每个参数、荷载取值仔细考究，找到真实的受力状态，使结构合理的同时也更加符合实际情况。