劉耀東, 饒彬彬, 薛雄道

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430068)

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帶防水板式獨(dú)立基礎(chǔ)力學(xué)特性及設(shè)計(jì)方法研究

劉耀東, 饒彬彬, 薛雄道

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430068)

[摘要]分析獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板這一特殊基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)獨(dú)立基礎(chǔ)和防水板分開設(shè)計(jì)與一體化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析比較，提出了更為科學(xué)的設(shè)計(jì)方法。采用JCCAD樁筏筏板有限元軟件進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)能準(zhǔn)確模擬這種特殊形式基礎(chǔ)的受力情況，更符合實(shí)際受力狀況。

[關(guān)鍵詞]獨(dú)立基礎(chǔ)； 防水板； 一體化設(shè)計(jì)

1帶防水板式獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)構(gòu)想

帶防水板式獨(dú)立基礎(chǔ)是一種常見的基礎(chǔ)形式，主要運(yùn)用在地基土承載力較好的單層或多層地下室建筑。通過在防水板下設(shè)軟墊層，使結(jié)構(gòu)荷載全部由獨(dú)立基礎(chǔ)承擔(dān)，防水板僅承受自重和浮力的作用(圖1)。這種基礎(chǔ)實(shí)際上是柱周區(qū)域加厚的筏板基礎(chǔ)，屬于筏板基礎(chǔ)范疇，也可以將其理解為倒置的有柱帽無梁蓋結(jié)構(gòu)[1]。目前帶防水板的基礎(chǔ)已有廣泛的應(yīng)用，但相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和規(guī)定較少，設(shè)計(jì)中往往對(duì)防水板受力認(rèn)識(shí)不清晰，因此有必要對(duì)其進(jìn)行研究[2]。

圖 1　帶防水板式獨(dú)立基礎(chǔ)示意圖

2防水板對(duì)獨(dú)立基礎(chǔ)基底反力的影響

作用在防水板上的荷載有：水浮力qw、防水板自重qs及其上部建筑面層和固定設(shè)備重量qa。在建筑物的使用過程中，隨著地下水位的變化作用在防水板上的水浮力qw在不斷改變。因此防水板是一種隨荷載情況變化而改變支撐情況的復(fù)雜板類構(gòu)件[3]。按照水浮力的變化可以分為qw≤qs+qa和qw>qs+qa兩種情況(圖2、3)。由圖2可知，防水板及其上部結(jié)構(gòu)重量直接傳給了地基土，獨(dú)立基礎(chǔ)對(duì)其不起支撐作用。由圖3可以看出，防水板將凈水浮力q2傳遞給了獨(dú)立基礎(chǔ)，加大了獨(dú)立基礎(chǔ)承擔(dān)的彎矩值，此時(shí)基底的彎矩將受水浮力控制。

圖 2　qw≤qs+qa時(shí)q1不變

圖 3　qw>qs+qa時(shí)q2隨qw增大而減小

3防水板對(duì)獨(dú)立基礎(chǔ)內(nèi)力的影響

為了更為直觀地研究qw>qs+qa這種情況下獨(dú)立基礎(chǔ)根部彎矩的變化，以一帶地下室的多層框架結(jié)構(gòu)模型為例，基礎(chǔ)布置見圖4。通過調(diào)整抗浮水位來分析獨(dú)立基礎(chǔ)根部彎矩的變化情況。

3.1模型參數(shù)

柱下采用700 mm高獨(dú)基(底標(biāo)高-4.2 m),邊柱及側(cè)墻下采用500 mm厚條形基礎(chǔ)(底標(biāo)高-4.0 m)，防水板厚250 mm (底標(biāo)高-3.75 m)，活荷載2.5 kN/m2、恒荷載3.0 kN/m2。為消除無關(guān)變量的影響，當(dāng)抗浮水位變化時(shí)，除水浮力外以下設(shè)置均為定值。

各計(jì)算模型均采用JCCAD里的樁筏筏板有限元模塊計(jì)算，網(wǎng)格單元?jiǎng)澐忠恢隆?/p>

為使防水板不承擔(dān)土反力，將防水板下的基床系數(shù)設(shè)為0，獨(dú)基下設(shè)為2000。

荷載僅考慮恒、活及水浮力，水浮力分項(xiàng)系數(shù)取1.4。

圖 4　主要觀測(cè)圈內(nèi)獨(dú)立基礎(chǔ)的內(nèi)力

3.2不考慮抗浮水位時(shí)(qw≤qs+qa)基底彎矩設(shè)計(jì)值

此情況不考慮抗浮水位，防水板厚、板面荷載設(shè)為零，獨(dú)基處板面荷載不變。經(jīng)過試算基本組合為控制組合，設(shè)計(jì)彎矩為408 kN·m。

3.3不同抗浮水位下基底彎矩設(shè)計(jì)值(qw>qs+qa)

當(dāng)考慮水浮力時(shí)，由于水浮力是向上的荷載，判為有利荷載。根據(jù)《荷載規(guī)范》[4]要求分項(xiàng)系數(shù)取1，此時(shí)選取的荷載組合為1.4水-1.0恒。分別計(jì)算抗浮水位為-2.5 m和-1.5 m兩種情況并分析彎矩增幅的大小。

1)-2.5 m時(shí)防水板處水浮力qw=(3.75-2.5)×10=12.5 kN/m2，獨(dú)基下水浮力qw=(4.2-2.5)×10=17 kN/m2。計(jì)算得到獨(dú)立基礎(chǔ)基底的設(shè)計(jì)彎矩為425 kN·m。

2)-1.5 m時(shí)防水板處水浮力qw=(3.75-1.5)×10=22.5 kN/m2，獨(dú)基下水浮力qw=(4.2-1.5)×10=27 kN/m2。計(jì)算得到獨(dú)立基礎(chǔ)基底的設(shè)計(jì)彎矩為470 kN·m。

通過上述計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)抗浮水位在-1.5 m時(shí)，若采用獨(dú)立基礎(chǔ)與防水板分開式設(shè)計(jì)，獨(dú)立基礎(chǔ)將有62 kN·m彎矩沒有計(jì)算，此時(shí)的配筋是不安全的。這也進(jìn)一步論證了當(dāng)qw>qs+qa時(shí)獨(dú)立基礎(chǔ)的基底反力部分外移到防水板上導(dǎo)致獨(dú)立基礎(chǔ)根部彎矩增大，此時(shí)獨(dú)立基礎(chǔ)根部的彎矩由水浮力下的基本組合控制。分開式設(shè)計(jì)僅適合地下水位較低的情況，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)應(yīng)采取更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)方法。

4防水板與獨(dú)立基礎(chǔ)一體化設(shè)計(jì)

4.1設(shè)計(jì)思路

帶防水板式獨(dú)立基礎(chǔ)的基礎(chǔ)形式在實(shí)際的結(jié)構(gòu)受力計(jì)算模型中，會(huì)把獨(dú)立基礎(chǔ)與防水板分割成兩部分，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)時(shí)只按普通獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即由獨(dú)立基礎(chǔ)承擔(dān)全部豎向荷載，而不考慮防水板的作用[5]，這種設(shè)計(jì)方法沒有考慮當(dāng)qw>qs+qa時(shí)防水板對(duì)獨(dú)立基礎(chǔ)內(nèi)力的影響。分析得知，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)這種設(shè)計(jì)方法偏離了設(shè)計(jì)的初衷且不安全。因此可以采用JCCAD中的樁筏筏板有限元軟件進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，通過調(diào)整基床系數(shù)、板面荷載、修改防水板板底標(biāo)高的方法使結(jié)構(gòu)荷載全部由獨(dú)立基礎(chǔ)承擔(dān)，防水板僅承受自重和浮力的作用以滿足設(shè)計(jì)構(gòu)想。將內(nèi)力設(shè)計(jì)值取恒+活與水浮力基本組合的包絡(luò)值，這種一體化設(shè)計(jì)方法可以規(guī)避獨(dú)基與防水板分開設(shè)計(jì)時(shí)獨(dú)立基礎(chǔ)的基底反力部分外移到防水板導(dǎo)致獨(dú)立基礎(chǔ)根部彎矩偏大的情況。

4.2設(shè)計(jì)方法

采用JCCAD中的樁筏筏板有限元軟件進(jìn)行模擬分析，具體的設(shè)計(jì)步驟為：JCCAD人機(jī)交互菜單中按無防水板情況生成獨(dú)立基礎(chǔ)→輸入筏板→將獨(dú)立基礎(chǔ)和筏板導(dǎo)入JCCAD樁筏筏板有限元模塊→設(shè)定抗浮水位→劃分單元網(wǎng)格→檢查筏板標(biāo)高板厚、修改防水板厚度、設(shè)置標(biāo)高及基床系數(shù)→計(jì)算及查看結(jié)果。

4.3參數(shù)設(shè)置

4.3.1基床系數(shù)為實(shí)現(xiàn)防水板不承擔(dān)土反力的構(gòu)想，在JCCAD中將防水板的基床系數(shù)設(shè)為0，獨(dú)立基礎(chǔ)部分的基床系數(shù)仍按正常情況設(shè)置。

4.3.2板面荷載將防水板上荷載設(shè)為零，不考慮筏板自重，此時(shí)獨(dú)立基礎(chǔ)范圍內(nèi)筏板除考慮板面荷載外還應(yīng)人為添加獨(dú)立基礎(chǔ)自重。這樣設(shè)置主要是為了使防水板自承重，若防水板上設(shè)有荷載，由于基床系數(shù)為零，非水浮力組合下防水板自重及其上荷載將傳給獨(dú)立基礎(chǔ)。與設(shè)計(jì)構(gòu)想相違背。

4.4計(jì)算結(jié)果分析

將防水板自重及其上荷載設(shè)為零之后，再修改防水板板底標(biāo)高，其恒+活基本組合下彎矩設(shè)計(jì)值為406 kN·m與分開設(shè)計(jì)時(shí)的407 kN·m相差很小，水浮力基本組合彎矩設(shè)計(jì)值為479 kN·m與分開設(shè)計(jì)時(shí)的470 kN·m相差不大。計(jì)算結(jié)果表明一體化設(shè)計(jì)方法在受力分析上是正確的。此時(shí)內(nèi)力設(shè)計(jì)值將取恒+活與水浮力基本組合的包絡(luò)值(圖5)，不會(huì)再出現(xiàn)獨(dú)立基礎(chǔ)與防水板分開設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的不安全狀況。這種設(shè)計(jì)方法不僅受力分析準(zhǔn)確，而且擁有包絡(luò)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)帶防水板式獨(dú)立基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)工作有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1—2.49

5結(jié)論

1)采用帶防水板式獨(dú)立基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮在水浮力作用下，獨(dú)立基礎(chǔ)基底反力外移至防水板對(duì)獨(dú)基內(nèi)力產(chǎn)生的不利影響，應(yīng)采用一體化設(shè)計(jì)方法。內(nèi)力計(jì)算采用包絡(luò)設(shè)計(jì)，更符合實(shí)際受力情況。

2)帶防水板式獨(dú)立基礎(chǔ)適用于抗浮水位較低，地基承載力較高且沉降不大的建筑，應(yīng)重視。

防水板下軟墊層的設(shè)置措施(若獨(dú)立基礎(chǔ)的沉降大于防水板的沉降，防水板將承受土反力，此時(shí)帶防水板式獨(dú)立基礎(chǔ)將變?yōu)樽兒穸确ぐ?。

3)當(dāng)抗浮水位較高時(shí)，應(yīng)與變厚度筏板作經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，采取合理的基礎(chǔ)形式。

[參考文獻(xiàn)]

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[責(zé)任編校： 張巖芳]

On the Mechanical Characteristics and Design Method of Independent Foundation with Water-proof Slab

LIU Yaodong, RAO Binbin, XUE Xiongdao

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture，HubeiUniv．ofTech．，Wuhan430068，China)

Abstract：The paper analyzed the loading and design features of the special independent Foundation with water-proof slabs and also compared the merits and demerits between the separate and integrated design in this kind of foundation. It then proposed a more scientific design method. By adopting finite element analysis software of JCCAD piled raft to conduct the integrated design, the stress of this special form foundation could be accurately simulated; meanwhile the practical force condition could be better fitted.

Keywords：independent foundation; water-proof slab; integrated design

[中圖分類號(hào)]TU470

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]：A

[文章編號(hào)]1003-4684(2016)01-0098-03

[作者簡(jiǎn)介]劉耀東(1971-)， 男， 山東滕州人，工學(xué)博士，湖北工業(yè)大學(xué)副教授，研究方向?yàn)闃蛄号c隧道

[收稿日期]2015-04-20