土木工程知識(shí)點(diǎn)-獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板的設(shè)計(jì)

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一、受力特點(diǎn)

（1）在獨(dú)基加防水板基礎(chǔ)中，防水板一般只用來抵抗水浮力，不考慮防水板的地基承載能力。獨(dú)立基礎(chǔ)承擔(dān)全部結(jié)構(gòu)重量并考慮水浮力的影響。

（2）作用在防水板上的荷載有地下水浮力qw，防水板自重qs及其上建筑做法重量qa，在建筑物使用過程中由于地下水位變化，作用在防水板底面的水浮力也在不斷改變，根據(jù)防水板所承擔(dān)的水浮力的大小，可將獨(dú)立柱基加防水板基礎(chǔ)分為以下兩種不同情況：1）當(dāng)qw≤qs＋qa時(shí)（注意：此處的qw，qs和qa均為荷載效應(yīng)基本組合時(shí)的設(shè)計(jì)值，即水浮力起控制作用時(shí)的荷載設(shè)計(jì)值，而不是荷載標(biāo)準(zhǔn)值），建筑物的重量將全部由獨(dú)立基礎(chǔ)傳給地基（圖1a）；2）當(dāng)qw>qs＋qa時(shí)，獨(dú)立基礎(chǔ)底面的部分地基反力轉(zhuǎn)移至防水板，并以水浮力的形式直接作用在防水板底面，這種地基反力的轉(zhuǎn)移對獨(dú)立基礎(chǔ)的底部彎矩及剪力有加大的作用，并且隨水浮力的加大而增加（圖1b）

（3）在獨(dú)基加防水板基礎(chǔ)中，防水板是一種隨荷載情況變化而變換支承情況的復(fù)雜板類構(gòu)件，當(dāng)qw≤qs＋qa時(shí)（圖1a），防水板及其上部重量直接傳給地基土，獨(dú)立基礎(chǔ)對其不起支承作用；當(dāng)qw>qs＋qa時(shí)（圖1b），防水板在水浮力的作用下，將凈水浮力（qw-（qs＋qa））傳給獨(dú)立基礎(chǔ)，并加大了獨(dú)立基礎(chǔ)的彎矩?cái)?shù)值。

二、計(jì)算原則

在獨(dú)基加防水板基礎(chǔ)中，獨(dú)立基礎(chǔ)及防水板一般可單獨(dú)計(jì)算。

2．1防水板計(jì)算

1．支承條件：防水板可簡化成四角支承在獨(dú)立基礎(chǔ)上的復(fù)雜受力雙向板（支承邊長度與獨(dú)基尺寸有關(guān)）（圖2）。

2．設(shè)計(jì)荷載（圖2）：

1）重力荷載，一般包括防水板自重、防水板上部的填土重量、建筑地面重量、地下室地面的固定設(shè)備重量等；

2）活荷載，一般包括地下室地面的活荷載、地下室地面的非固定設(shè)備重量等；

3）水浮力，可按抗浮設(shè)計(jì)水位確定。

3．荷載分項(xiàng)系數(shù)：當(dāng)?shù)叵滤蛔兓瘎×視r(shí)，水浮力荷載分項(xiàng)系數(shù)按可變荷載分項(xiàng)系數(shù)確定，取1.4；反之按永久荷載分項(xiàng)系數(shù)確定，取1.35。注意防水板計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)重力荷載效應(yīng)對防水板的有利或不利情況，合理取用永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)防水板由水浮力效應(yīng)控制時(shí)應(yīng)取1.0。

4．防水板應(yīng)采用相關(guān)程序按復(fù)雜樓板計(jì)算，也可按無梁樓蓋雙向板計(jì)算。

5．無梁樓蓋雙向板計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法

（1）按圖3確定防水板柱下板帶及跨中板帶的劃分（2）防水板柱下板帶及跨中板帶彎矩的確定按經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法計(jì)算時(shí)，應(yīng)先算出垂直荷載產(chǎn)生的板的總彎矩設(shè)計(jì)值，然后按表1確定柱下板帶和跨中板帶的彎矩設(shè)計(jì)值。x,y向的總彎矩設(shè)計(jì)值按下式計(jì)算：

式中，q為相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時(shí)，垂直荷載設(shè)計(jì)值；lx，ly分別為等代框架梁的計(jì)算跨度，即柱子中心線之間的距離；bce為獨(dú)立基礎(chǔ)在計(jì)算彎矩方向的有效寬度（見圖4）。

2．2獨(dú)立基礎(chǔ)的計(jì)算

合理考慮防水板水浮力的影響，是獨(dú)立基礎(chǔ)計(jì)算的關(guān)鍵。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可采用包絡(luò)設(shè)計(jì)的原則，按下列步驟計(jì)算。

1．qw≤qs＋qa時(shí)，可直接按地基規(guī)范的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，此部分的計(jì)算主要用于地基承載力的控制，相應(yīng)的基礎(chǔ)內(nèi)力一般不起控制作用，僅可作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的比較計(jì)算。

2．當(dāng)qw>qs＋qa時(shí)

（1）將防水板的支承反力（取最大水浮力計(jì)算），按四角支承的實(shí)際長度（也就是防水板與獨(dú)立基礎(chǔ)的交接線長度。當(dāng)各獨(dú)立基礎(chǔ)平面

尺寸相近或相差不大時(shí)，可近似取圖4中的獨(dú)立基礎(chǔ)的底邊總長度）轉(zhuǎn)化為沿獨(dú)立基礎(chǔ)周邊線性分布的等效線荷載qe及等效線彎矩me（見圖4），并按下列公式計(jì)算：

中，qwj為相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時(shí)，防水板的水浮力扣除防水板自重及其上地面重量后的數(shù)值（kN/㎡）；ax，ay為獨(dú)立基礎(chǔ)在x，y向的底面邊長（m）；k為防水板的平均固端彎矩系數(shù)，可按表2取值；其中

（2）根據(jù)矢量疊加原理，進(jìn)行在普通均布荷載及周邊線荷載共同作用下的獨(dú)立基礎(chǔ)計(jì)算，簡圖見圖5，過程如下：

1)獨(dú)立基礎(chǔ)基底反力引起的內(nèi)力計(jì)算，按地基規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行普通均布荷載作用下獨(dú)立基礎(chǔ)的內(nèi)力計(jì)算，注意此處均布荷載中應(yīng)扣除防水板分擔(dān)的水浮力，以圖5柱邊緣剖面A-A為例，計(jì)算彎矩為MA1（按地基規(guī)范公式（8.2.7-4）計(jì)算）、剪力為VA1。有人認(rèn)為建立新形式的標(biāo)準(zhǔn)化始走向建筑和諧的唯一道路，并且能用建筑技術(shù)加以成功地控制．而我的觀點(diǎn)不同，我要強(qiáng)調(diào)的是建筑最寶貴的性質(zhì)是它的多樣化和聯(lián)想到自然界有機(jī)生命的生長．我認(rèn)為著才是真正建筑風(fēng)格的唯一目標(biāo)．如果阻礙朝這一方向發(fā)展，建筑就會(huì)枯萎和死亡．要使建筑結(jié)構(gòu)適合于環(huán)境，要注意到氣候，地位和四周的自然風(fēng)光，在結(jié)合目的來考慮的一切因素中，創(chuàng)造出一個(gè)自由的統(tǒng)一的整體，這就是建筑的普遍課題，建筑師的才智就要在這個(gè)可提到完滿解決上體現(xiàn)。2)防水板對獨(dú)立基礎(chǔ)的基底邊緣反力引起的附加內(nèi)力計(jì)算，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，進(jìn)行周邊線荷載作用下獨(dú)立基礎(chǔ)的內(nèi)力計(jì)算；以圖5柱邊緣剖面A-A為例，計(jì)算彎矩為MA2＝[qe（b－d）/2+me]l、剪力為VA2=qel。

3)將兩部分內(nèi)力疊加，進(jìn)行獨(dú)立基礎(chǔ)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)計(jì)算。

3．取上述1和2的大值進(jìn)行獨(dú)立基礎(chǔ)的包絡(luò)設(shè)計(jì)。

三、構(gòu)造要求

為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)想，防水板下應(yīng)設(shè)置軟墊層，確保防水板不承擔(dān)或承擔(dān)最少量的地基反力，軟墊層應(yīng)具有以下兩方面的特點(diǎn)：

1）軟墊層應(yīng)具有一定的承載能力，至少應(yīng)能承擔(dān)防水板混凝土澆注時(shí)的重量及其施工荷載，并確保在混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前不致產(chǎn)生過大的壓縮變形；

2）軟墊層應(yīng)具有一定的變形能力，避免防水板承擔(dān)過大的地基反力，以保證防水板的受力狀況和設(shè)計(jì)相符。

工程設(shè)計(jì)中軟墊層的做法大致如下：

1）防水板下設(shè)置焦渣墊層，利用焦渣墊層所具有的承載力承擔(dān)防水板及其施工荷載重量，并確保在防水板施工期間不致發(fā)生過大的壓縮變形，同時(shí)，在底板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，具有恰當(dāng)?shù)目蓧嚎s性。受焦渣材料供應(yīng)及其價(jià)格因素的影響，焦渣墊層的應(yīng)用正在逐步減少；

2）防水板下設(shè)置聚苯板。近年來隨著獨(dú)立柱基加防水板基礎(chǔ)應(yīng)用的普及，聚苯板的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，由于其來源穩(wěn)定，施工方便快捷且價(jià)格低廉，在工程應(yīng)用中獲得比較滿意的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。聚苯板應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和彈性模量，以能承擔(dān)基礎(chǔ)底板的自重及施工荷載。

四、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題

（1）軟墊層設(shè)計(jì)中對聚苯板性能的控制問題是關(guān)系獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板受力合理與否的關(guān)鍵問題。

（2）需要說明的是，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常有忽略防水板的水浮力對獨(dú)立基礎(chǔ)的影響，而只按獨(dú)立基礎(chǔ)基底反力引起的彎矩計(jì)算，其基底彎矩設(shè)計(jì)值偏小，不安全。當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，影響更為明顯。

（3）采用軟墊層后對地基承載力的深度修正影響問題。

五、設(shè)計(jì)建議

（1）建議在軟墊層設(shè)計(jì)中，采取控制軟墊層強(qiáng)度和變形的結(jié)構(gòu)措施，如根據(jù)設(shè)計(jì)需要提出聚苯板的抗壓強(qiáng)度和壓縮模量指標(biāo)（抗壓強(qiáng)度一般取壓縮量為試件總厚度的10%時(shí)的強(qiáng)度值）。

（2）軟墊層厚度h可根據(jù)地基沉降數(shù)值s確定，且應(yīng)滿足h≥s。

（3）當(dāng)?shù)叵滤惠^高（qw>qs＋qa）時(shí)，應(yīng)考慮防水板承擔(dān)的水浮力對獨(dú)立基礎(chǔ)彎矩的增大作用，并可采用矢量疊加原理進(jìn)行簡單計(jì)算。

（4）應(yīng)特別注意對獨(dú)立基礎(chǔ)計(jì)算埋深的修正。

（5）應(yīng)注意獨(dú)基加防水板基礎(chǔ)與變厚度筏板基礎(chǔ)的區(qū)別。

（6）當(dāng)?shù)叵滤徊桓邥r(shí)，應(yīng)盡量采用較小厚度的防水板，以控制防水板的配筋略大于防水板的構(gòu)造配筋為宜。

六、特別說明

6.1獨(dú)基加防水板基礎(chǔ)暫未列入相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則和做法均為編者對實(shí)際工程的總結(jié)和體會(huì)，供讀者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中參考。

6.2在可不考慮地下水對建筑物影響時(shí)，對防潮要求比較高的建筑，?？刹捎锚?dú)立基礎(chǔ)加防潮板，防潮板的位置（標(biāo)高）可根據(jù)工程具體情況而定：

（1）當(dāng)防潮板的位置在獨(dú)立基礎(chǔ)高度范圍內(nèi)（有利于建筑設(shè)置外防潮層，并容易達(dá)到滿意的防潮效果）時(shí)，上述獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板設(shè)計(jì)方法同樣適用。

（2）當(dāng)防潮板在地下室地面標(biāo)高處時(shí)，防潮板變成為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一般可不考慮其對獨(dú)立基礎(chǔ)的影響，但注意框架柱在防潮層標(biāo)高處應(yīng)留有與防潮層相連接的胡子筋。6.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采用抗浮設(shè)計(jì)水位，而不是防水設(shè)計(jì)水位。6.4關(guān)于結(jié)構(gòu)的抗浮設(shè)計(jì)

當(dāng)抗浮設(shè)計(jì)水位較高時(shí)，結(jié)構(gòu)的抗浮設(shè)計(jì)往往存在較大的困難，尤其是純地下車庫或地下室層數(shù)較多而地上層數(shù)很少時(shí)，問題更為嚴(yán)重。

抗浮設(shè)計(jì)常用的方法有：

1）自重平衡法：采用回填土、石或混凝土（或重度≥30kN/m3的鋼渣混凝土）等手段，來平衡地下水浮力；

2）抗力平衡法：設(shè)置抗拔錨桿或抗拔樁，來消除或部分消除地下水浮力對結(jié)構(gòu)的影響；

3）浮力消除法：采取疏、排水措施，使地下水位保持在預(yù)定的標(biāo)高之下，減小或消除地下水對建筑（構(gòu)筑）物的浮力，從而達(dá)到建筑（構(gòu)筑）物抗浮的目的；

4）綜合設(shè)計(jì)方法，即：根據(jù)工程需要采用上述兩種或多種抗浮設(shè)計(jì)方法，采取綜合處理措施，實(shí)現(xiàn)建筑（構(gòu)筑）物的抗浮。

方法1）和2），從工程角度屬于抗的范疇，能解決大部分工程的抗浮問題，但對地下水浮力很大的工程，投資大，費(fèi)用高。而設(shè)計(jì)方法3）則屬于消的范疇，處理得當(dāng)，可以獲得比較滿意的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)效果。一般情況下，當(dāng)?shù)叵滤惠^高，建筑物長期處在地下水浮力作用下時(shí)，宜采用自重或抗力平衡法；當(dāng)?shù)叵滤惠^低，建筑物長期沒有地下水浮力作用或水浮力作用的時(shí)間很短、概率很?。m然其有可能在某個(gè)時(shí)間出現(xiàn)較高的水位）時(shí)，宜采用浮力消除法。采用抗和消相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，對于防水要求不是很高的大面積地下車庫等建筑尤為適合。

采用浮力消除法的相關(guān)問題：1）地下室底板宜位于弱透水層；2）地下室四周及底板下應(yīng)設(shè)置截水盲溝，并在適當(dāng)位置設(shè)置集水井及排水設(shè)備；3）設(shè)置排水盲溝，應(yīng)具有成熟的地方經(jīng)驗(yàn)，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行相關(guān)水工試驗(yàn)。應(yīng)采取確保盲溝不淤塞的技術(shù)措施（如設(shè)置砂礫反濾層，鋪設(shè)土工布等），并加以定期監(jiān)測和維護(hù)，保證排水系統(tǒng)的有效運(yùn)轉(zhuǎn)。有人