The ground water plays important role in the design and construction of buildingstructures.The resistance to float re-lates to the attributes and conditions of the ground water,the pressure and floatage of water,the change of water leveland the sudden supplement of water.Some problems that must be dealed with in design,such as the whole and localresistance to float,the construction arrangement and the calculation of members,are discussed.
Keywords:water pressure;floatage;design water level;building structure;foundation
[摘要]　建筑工程技术论文发表地下水的浮力对结构设计和施工有不容忽视的影响。结构抗浮验算与地下水的性状、水压力和浮力、地下水位变化的影响因素、意外补水有关。对结构设计中需处理好的地基反力与地下水浮力和水压力、结构整体抗浮与局部抗浮、结构布置和构件验算等一系列问题进行了讨论。

[关键词]　承载体,水压力,浮力,地基承载力,设计水位　　

一、引言

地下水浮力对地下室和地下构筑物结构设计施工的影响日显突出。地下水作为不可避免的承载体,其浮力或水压力优先于地基反力作用在结构上,给结构设计施工带来了不容忽视的影响。讨论与地下水有关的工程问题应先了解地下水的埋藏条件、存在状态及与土的关系,可参阅文[1]或其他有关文献。设计中需注意下述几种水对结构的影响:上层滞水(大多是雨季地表积水)主要对施工期间的抗浮产生影响;潜水是考虑建筑工程抗浮、结构支承于地基的抗倾稳定验算等的主要地下水;承压水主要通过没封堵或没封堵好的勘探孔渗透压力水浮托地下室,较容易被疏忽,应注意建筑场地周围的地势和土层的走向。

二、抗浮验算

1•水压力和浮力水压力pw和浮力SFw(即文[2]荷载效应值)的表达式分别为:pw=γh (1)SFw=∑Cwipwi(或∑γAihi) (2)式中:C为荷载效应系数(见文[3]第2•2•3条注①,以该式为例,荷载pwi=γhi,荷载效应系数Cwi=Ai,文[2]的荷载效应值等于文[3]的荷载效应系数乘以荷载),下标w表示水压力,i表示物体的第i个面,γ是水或液体自重,Ai,hi分别表示浸入水中物体的各水平面面积和深度。物体下表面的水压力向上作用取正号,物体上表面的水压力向下作用取负号。由阿基米德定律可知物体在水中的浮力表达式为SFw=γV (3)　　
2•抗浮验算基本表达式建筑物和构筑物的抗浮力R的表达式可写为[3]:R =∑γGiCGiGik+∑γQiCQiψqiQik(4)式中G,Q,ψ分别代表建筑的恒载、活载、可变荷载准永久值系数;下标k代表标准值;γGi,γQi分别是恒载和活载的分项系数。结构抗浮验算表达式为:SFw≤R (5)当不满足式(5)时可认为地下结构有上浮的可能。需增加抗浮荷载、抗拔桩、抗浮锚桩等措施协助抗浮。取抗拔桩或抗浮锚桩的抗拔力设计值为RZH,则抗浮验算的表达式为:SFw≤R+∑RZHi(6)　　
3•局部抗浮问题多高层建筑裙房的地下室、伸(挑)出主体建筑平面外的单层地下室、低层建筑的地下室都有可能存在抗浮问题。实际验算可将一栋建筑划分成若干单元(每个单元即为局部),若每个单元的验算都满足抗浮要求,则建筑的整体抗浮也满足要求。实际工程中一般将这些单元视为至地下室顶板的封闭体,用式(2)或式(3)计算浮力,用式(4)计算抗浮力。单元抗浮力计算含上部结构作用于单元的荷载和单元上的荷载及自重两部分,有的单元上只有后一部分抗浮力。单元和局部抗浮验算仍按式(5),(6)计算。

三、浮力和抗浮力的有关问题与不利荷载影响

1•浮力的有关问题地下室的埋深是满足功能需要的定值。作用于地下室的浮力的变化,取决于地下水位的变化。地下水位分常年水位、最低水位和最高水位三种。若参照其它荷载处理,理论上可取常年水位为标准水位相对应的地下室的浮力和水压力为标准值;取最高和最低水位与标准水位之间的浮力或水压力之差为正负超载,最高和最低水位对应的浮力或水压力的设计值可以用标准值乘以分项系数表示。但在实际应用中会存在两个问题:(1)用水压力标准值乘以正负分项系数所得的水压力设计值反算地下水位其结果可能出现高于地表面或低于与之有联系的附近水面的情况,不符合水压力超载的实际情况。(2)获得常年水位、最低水位和最高水位需要做长时间的勘察观测分析。建筑工程的地质勘察一般在方案阶段由设计单位提出技术要求,施工图阶段使用,所以难以获得这三个水位;对于有建立地下水文观测网的地区也只能获得这三个水位的参考值;在一些地质条件下,周围新建设的地下建筑物或构筑物也可能使原建设场地的这三个水位发生变化,尤其在南方丘陵地区及地下补水和排泄相对较快的沿海与沿江地带。因此对于地下水位或水压力不能用标准值乘以分项系数确定设计值,本文以设计水位解决这两个问题。设计水位的含义是:针对建筑工程的验算目的,在有地下水的工程地质条件下,地下水产生最不利荷载时所对应的最不利水位即最高水位和最低水位,它们包含了浮力和水压力的正负超载,等同于考虑分项系数后的水位设计值。设计水位取值一般依据勘察报告并结合各地区工程经验确定。使用地质报告应注意地表面至地下室基底以下一定深度范围内土层的透水性及排泄条件、地质勘察的时间如季节(丰水期和枯水期)、河水和潮水涨落、雨雪等地表水补充、地理环境如汇水条件和土方开挖后地形变化影响。还须注意基坑回填土的透水性和施工质量。土方开挖平整引起场地条件变化的设计水位仍可依据这些条件确定。结构稳定验算应取最高水位为设计水位,对应的浮力和水压力分别用SFwmax和pwimax表示;地基承载力验算应取最低水位为设计水位,对应的浮力和水压力分别用SFwmin和pwimin表示。
2•抗浮力的有关问题计算抗浮力时应注意:对结构的倾覆、滑移或漂浮验算,恒载分项系数γGi应取0•9[2];不考虑地下室底板的活载;其它各层是否考虑准永久活载要看验算阶段、目的和活载的实际作用情况,因需作抗浮验算的建筑层数都较少且实际上活载分布不均,故若考虑准永久值系数ψqi还应乘以等于或小于0•5的折减系数;地下水位以下的覆土属恒载(大多回填在伸出室外的地下室底板上),要扣除地下水浮力;抗拔桩和抗浮锚桩的抗拔力属于永久抗力,在式(6)和后面的式子中都用设计值RZH表达,已经考虑了抗力分项系数或安全系数。地下室抗浮验算应考虑施工阶段至使用阶段的全过程。水压力和浮力与抗浮力中的活载是可变的,故应按不利荷载组合做各种验算。文[4]没有抗拔桩的验算规定,在轴心竖向力作用下桩的验算式为式(8•5•4-1),桩顶荷载为标准组合值,式中单桩竖向力特征值Ra已经按静载试验法检测的安全系数(K=2)考虑。文[5]承受拔力的基桩按式(5•2•17-2)验算,桩顶荷载为拔力设计值,验算式的抗力分项系数γs见文[5]的表5•2•2。值得注意的是,验算抗拔桩和抗浮锚桩的抗浮力时,其荷载的性质和计算方法与文[4],[5]有所不同(如一般抗拔桩的永久荷载的分项系数为1•0等),而且抗拔桩的桩身混凝土缺陷对单桩的土层抗拔力影响与抗压桩不同,桩身抗拔(拉)力由钢筋承担,因此用于抗浮的抗拔桩的抗力分项系数在目前可考虑适当减小并保持与规范相当的安全水平,但是宜适当考虑抗拔钢筋的弱腐蚀。
3•考虑不利荷载的抗浮验算最大浮力为:SFwmax=∑Cwipwimax(或∑γAihimax,或γVmax) (7)最小抗浮力为:Rmin=∑γGiCGiGik(8)则最不利荷载组合的抗浮验算式为:SFwmax≤Rmin(9)SFwmax- Rmin≤∑RZHi(10)　　

四、有浮力作用的地下室底板验算

定义p为建筑荷载在基底的地基反力(按无地下水考虑,不含桩的抗拔力),G为地下室底板自重荷载,验算地下室底板抗浮主要考虑了地下水承载优先的概念。当p≥pwimax时,因地下水承载优先减小了建筑荷载对地基的压力,有地下水作用于地下室底板的地基反力与地下水压力对地下室底板的共同作用实际上等于p,所以地下室底板的构件承载力按下式验算:S =∑Cpip-∑CGiG≤R (11)式(11)的Cpip为文[3]的荷载效应表示方法,与文[2]荷载效应Spi的意义相同。为了讨论方便,本文大多数地方仍用文[3]的表示方法。算例1　图1是地下室底板一根简支梁的计算简图,脚标p代表地基反力或地下水压力产生的荷载,脚标G代表地下室底板自重产生的荷载,验算简支梁跨中正截面承载力。简支梁跨中集中力的荷载效应系数为0•25L,均布荷载的荷载效应系数为0•125L2。Pp作用下的荷载效应(其它荷载效应计算略)即弯矩为:Spp=0•25LPp荷载效应组合值为:S=0•25LPp+0•125L2qp-0•25LPG-0•125L2qG将文[6]式(7•2•1—1)小于等于号和右边的式子改为等号和梁正截面承载力R即为正截面承载力公式,将S和R代入式(11)即可求出该简支梁的跨中截面配筋。当p≤pwi(pwimin≤pwi≤pwimax)时,需要抗拔桩或抗浮锚桩协助抗浮,这时地下水浮力承担了建筑荷载对地基的压力,还承担了抗拔桩或抗浮锚桩通过地下室底板传给地下水的抗力,所以地下室底板的构件承载力按下式验算:S =∑Cpipwimax-∑CGiG≤R (12)
当地下室的底板置于缝隙较少的基岩上(该做法对底板抗收缩变形有利)时,可取缝宽为计算跨度,验算在水压力的作用下该裂缝处的底板承载力,同时应验算缝边支座的混凝土和基岩结合面及基岩的抗拉强度,并注意缝隙两边的岩面与垂直面的夹角宜小于30°。若基底的部分基岩被缝隙所围且可确定已成为孤石,则水压力作用在孤石表面,不直接作用在板底。这种情况可沿缝隙取孤石和底板的脱离体作为抗浮验算单元,若孤石自重满足该脱离体的抗浮则可看作基岩。若孤石自重不满足该脱离体的抗浮条件且孤石很小时,则取该缝外闭合圈的计算跨度验算底板承载力及支座抗拉强度,需要时可在缝边植锚筋以承担支座处底板与基岩间的拉力。基岩缝隙较多时按水压力直接作用于底板下验算底板承载力是偏安全的。浇注底板前应先清除基岩面上的松动石片、裂缝杂物并灌缝,使底板与基岩结合良好。

五、地基强度和建筑抗倾稳定验算

水压力优先于地基反力作用于基础板底是水和地基这两种承载体之间的关系。为了直观分析问题,取理想化的计算简图(见图2)说明:假定土单元为长方体。G1和G2代表两个土单元的自重,它们之间有接触面但很小。这里Ri为土单元之间垂直方向接触点的相互作用力。A1和A2分别代表两土单元各自顶面和底面面积。水的重度γ=10kN/m3。根据土单元G1和G2的脱离体图,在垂直方向的平衡条件有:A1h1+ R2= R1+ G1(13)A2(h1+ h2)+ R3= G2+ R2-A2h1(14)图2　理想化土单元脱离体简图式中Aihi(i=1,2)代表土单元的体积和浮力。式(13),(14)表明水压力参加承载工作,通过移项整理可得出上部各土单元对下面土单元的作用力Ri都扣除了它们的浮力。如果假定G1代表基础,G2代表与基础底面接触的所有土单元,则R2为地基反力,即基础对地基的作用力(已扣除了地下水面以下基础的浮力)。这些分析证明了地下水和地基这两种承载体的承载关系是地下水承载优先。因此,地基承载力验算均可扣除地下水面以下的箱基和片筏基础的地下室及其它基础(含覆土)的浮力。体积小的独立和条形等基础其浮力很小,扣除浮力作用对工程的实际影响不大。有地下水作用的箱形基础设计应注意以下三点并符合文[2],[7]~[9]的有关要求:1•地基承载力验算应满足p-pwmin≤fa(15)pmax-pwmin≤1•2fa(16)pmin-pwmin≥0(17)式中p为地基压力,fa为地基承载力特征值。2•文[8]规定,单幢高层建筑的箱形基础底的偏心距e应满足:当恒载与活载组合时,e≤B/60;当恒载、活载与风载组合时,e≤B/30。其中B为箱形基础底板的长度或宽度。该规定属于结构整体稳定验算。因地下水作为不稳定的承载体且优先于地基承载,故计算e时应扣除位于水位以下的基础部分的浮力。计算步骤为:计算基底以上的垂直荷载合力RN和基础浮力Swmax;计算各荷载对箱形基础底形心处的合力矩M。则:e = M/(RN- Swmax) (18)上式的分母减去了浮力使e加大后验算满足条件是偏安全的。RN和M的计算应与两组荷载对应。3•文[8]规定,在地震作用下基础底面与地基之间零压力区的面积不超过基底面积的25%也属于稳定验算,同样应扣除浮力。若矩形箱基的e已经由式(18)求得,则可按文[2]图5•2•2偏心荷载(e>b/6)下基底压力计算示意图分析验算,可求得基底零压力区的宽度为b-3a,则(b-3a)/b≤25%即满足基底零压力区的面积不超过基底面积的25%的要求。

六、抗浮设计方案及措施

除箱形基础和内部无柱的地下构筑物外,采用片筏基础的地下室的结构一般难以满足整体抗浮的刚度和强度要求,故将地下室划分为若干结构单元进行抗浮验算是合理的,抗浮设计需结合结构单元抗浮验算的结果选择或调整结构抗浮方案及措施。常用抗浮方案及措施有:1•主体工程采用桩(挖孔桩除外)基础时,单层地下室或裙房地下室可用桩(可以适当调整桩径)协助抗浮,因为受地下水变化的影响,该桩可能抗拔也有可能承压。2•主体工程采用天然地基时,单层地下室或裙房地下室可采用加大恒载(如覆土)抗浮,或将单层地下室和裙房及裙房地下室的结构处理成垂直荷载作用下的子框架结构支承于主体结构上,由主体结构协助抗浮。后者需修正原设计对应于子框架的梁柱内力与配筋和主体结构中支承子框架的节点的梁柱端的内力和配筋,修正的原则是取二次设计中承载力大的配筋和截面。主体结构离支承子框架节点较远的梁柱端内力受影响较小,一般可以不必修正。另外,若选用子桁架协助抗浮时应注意与子桁架连接的主体结构框架梁承担了子桁架传来的轴力,要再作偏拉或偏压修正验算。3•抗浮锚桩协助抗浮。抗浮锚桩的施工方法基本上同锚杆,适用范围比较大。常用于大空间、大面积的单层地下室或裙房地下室及地下构筑物抗浮,当水压力较大时,用分布抗浮锚桩无梁地下室底板的方案易于设计且比较经济。抗浮锚也可替代上面的结构抗浮方案。4•地下罐体的抗浮设计应注意其基础或基墩在地下水的影响下可能受压也可能受拉,要做两个方向受力的强度验算。5•施工阶段的抗浮问题是设计和施工双方都要考虑的。设计方主要考虑地下室的设计能否施工的大原则。如高地下水位的多层地下室采用逆施工设计,当主体结构的自重满足抗浮要求后施工地下室底板,底板满足承载要求后封堵其上的降水井。施工方主要考虑地下室的施工细则,如基坑降水、排水、意外补水的基坑水位控制措施或排水应急措施,基坑回填土后的地下室抗浮措施和必要的抗浮和结构验算,回填土的透水性与基底水压力变化速度的关系对意外补水的地下室的抗浮影响等。6•位于高地下水位的淤泥地基上的地下构筑物主要是考虑抗浮稳定,而不是处理地基承载力。采用抗拔桩或抗浮锚桩加覆土的抗浮方案同时解决了这两个问题,但应注意在必要时要做抗拔桩或抗浮锚桩的拔和压的双向受力验算,承压验算宜考虑桩土协同工作,桩主要起抗倾斜作用;注意抗浮验算单元应与协助抗浮的方案吻合;位于地下水位以下的室外抗浮覆土要扣除地下水的浮力;悬挑出室外的地下室底板可以适当考虑上面覆土的内摩擦角按倒梯形截面计算抗浮力;抗拔桩和抗浮锚尽量布置在柱、墙下或对称布置在柱下,共同形成基础梁的支座,可以使抗拔桩和抗浮锚桩的受力均匀,当基础梁的刚度较小时,要避免跨中抗拔桩和抗浮锚桩的弹性约束系数难以确定而影响基础梁的内力计算;因基础梁的竖向位移刚度从柱下至跨中各点不相同,所以布置在基础梁跨中的抗拔桩和抗浮锚桩对基础梁跨中是新约束,应注意计算简图的处理,调整基础梁的配筋;工程地质勘查应考虑协助抗浮的抗拔桩和抗浮锚桩的布置方案对桩长的影响。文中涉及的问题多是通过对实际工程分析得出的,并在理解有关文献的基础上归纳出解决问题的理论和方法,不妥之处恳请指正。

参考文献
1•华南工学院等四校.地基及基础.中国建筑工业出版社,1981.
2•建筑结构荷载规范(GB50009—2001).
3•建筑结构荷载规范(GBJ9—87).
4•建筑地基基础设计规范(GB50007—2002).5•建筑桩基技术规范(JGJ94—94).
6   concrete structure design codes (GB50010-2002).
7 July high-rise building box and raft foundation form specification (JGJ6-99).
8   rc high-rise building and structure design and construction procedures (JGJ3-91).
9  the standard aseismatic design, http://www.elunwen.org/jzgcjslw/ architecture (GB50011-2001).