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浅析基础设计中考虑地下水浮力减负作用

工程综合2020-06-29 14:38:17



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  一.基础设计时规范对地下水浮力的规定
  众所周知,建筑物地基反力可以看作是建筑物总竖向力与地下水浮力的差值。目前有关地基基础的规范对基础底面处的压力所表述的原理是一致的,但是对具体细节并不统一。
  《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)的基本公式5.2.1~5.2.4,略去了地下水浮力对建筑物竖向力的减负作用,其实际上是将地下水浮力纳入建筑物的安全储备。对于采用天然地基作为基础的建筑物而言,地下水位与基础埋深之间的差值小,其对建筑物竖向力的减负作用也小,因此略去水浮力的减负作用偏于安全且有利于简化计算,这样做是合理的。
  《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》JGJ6-2011基本公式4.0.3-1~4.0.3-3类同于浅基础的设计要求。但在4.0.3-1条的说明中的G值为基础自重和基础上的土重之和,在计算地下水位以下部分时,应取土的有效重度。我对它的理解是:对于埋深较大的基础,当基底在地下水位以下时,应考虑水浮力的作用,即在总竖向力F+G中减去浮力。
  《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008中5.1.1.1条计算桩竖向力时,明确指出G值为桩基承台和承台上土自重;对稳定的地下水位以下部分应扣除水的浮力。
  从上述规范的规定来看,对于埋深较大的筏形基础和桩基础,原则理论上应该考虑地下水浮力的作用,不考虑则偏于保守。当然考虑地下水浮力的有利作用需要一个前提,那就是需要对地下水位变化趋势有正确的评估,地下水位必须按常年稳定的地下水位计算,以避免因地下水下降带来不利影响。
  二.工程实例分析
  临平胤超城市青年广场由2幢主楼和裙房及地下车库等组成,主楼之间为地上3层裙房,地下室为3层地下室
  本工程结构形式为框架-剪力墙结构,基础形式为桩筏基础。0.00相当于绝对高程5.450米,地下室底板面标高为-11.500,地下室板厚为0.5米。根据勘察报告,本场地稳定水位标高在0.80~2.98m之间,年水位变幅1.50m左右。考虑地下水浮力作用的水头深度为:(0.8-1.5)-(5.45-11.5-0.5)=5.85米
  1.以D交2轴处柱子为例(柱网尺寸为8.4x8.4米),根据电算结果,不考虑地下水浮力作用时,柱下轴力为16494KN,布桩方式为3D900(3x5300=15900KN);考虑地下水浮力作用时,柱下轴力为12901KN,布桩方式为3D800(3x4500=13500KN);经济性非常明显。
  2.假定本工程采用筏板基础,其持力层为第3-2层砂质粉土,地基承载力特征值fak=130kPa。按地下水位绝对标高程为3.5m计算修正后的地基承载力特征值。fa= fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)。根据地质报告,各参数取值:γ=9.2kN/m3;γm=9 kN/m3;ηb=0.5;ηd =2.0。则fa=130+0.5*9.2(6-3)+2.0*9(10-0.5)=314.8kPa。
  以M交15轴处柱子为例(柱网尺寸为8.1x7.5米),根据电算结果,不考虑地下水浮力作用时,柱下轴力为20455KN,=20455/(8.1*7.5)+25*0.5=349.2 kPa。则:fa < pk。如果不考虑地下水浮力作用,本工程需要采用桩筏基础才能满足承载力要求。考虑地下水浮力作用时,地下水绝对标高程为3.5m时,水浮力为F浮= γ水h=10×3.5-10*(5.45-11.5-0.5)=100.5kPa。即在“总竖向力中扣除水浮力”,则:pk -F浮=349.2-100.5=248.7kPa< fa=314.8kPa。从地基承载力方面来看,此时采用天然地基就可以满足要求,不需要打桩。
  3. 地下水位下降,原水位下土的重度增加,对地基承载力特征值的修正增加。将地下水位埋深(假设水位降至基底,单位m)和修正后的地基承载力与扣除地下水浮力后的总竖向力(pk -F浮)的差值即fa-(p-F浮)(单位Kpa)的关系绘成曲线,如下图所示(。假设地下
  水位降至基础底面以下时,按《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)的公式5.2.4计算得出修正后的地基承载力fa=493.6kPa。由此可见,地下水位下降, fa-(p-F浮) 值增大,对结构有利。因此,设计时按该场区常年水位变幅的高水位值计算是偏于安全的。
  三.地下水位下降对地基变形的影响分析
  地基变形的验算是按照《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)5.3.5条并考虑第5.3.10条进行,然后再按第5.3.7条确定地基变形计算深度Zn。当结构采用箱型基础和筏形基础(有防水外墙),且地下水位高于基础底面时,公式5.3.5中p0(对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加应力)为常数。因此地下水位在基础底面以上发生变化时对地基变形没有影响。
  四.结论和建议
  1. 《建筑地基基础设计规范》、《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》、《建筑桩基技术规范》对如何利用水浮力问题的表述不统一,不利于结构工程师掌握和利用。建议将“总竖向力中扣除地下水浮力” 替代“取有效重度”。
  2. 对于埋深较大的筏形基础和桩筏基础原则理论上应该考虑地下水浮力的作用,不考虑则偏于保守。合理的利用地下水浮力可以扩大天然地基的应用范围,减少桩基础数量,节省工程费用,其经济效益非常可观。
  3. 对于埋深较大的筏形基础,当基础底面标高在地下水位以下时,水位下降,则修正后的地基承载力与扣除地下水浮力后的总竖向力(p-P')的差值即fa-(p-P')
  增大,对结构有利。设计时,除一般规定,应按以下要求验算地基强度、地基变形、基础承载力:
  (1)地下水位应严格按照勘察报告提供的“常年水位”并取相应的水浮力、修整后的地基承载力特征值。如果此时经过减负后的基础地面压力值小于修正后的地基承载力特征值,则可认为地基持力层满足地基承载力要求。
  (2)当地下水位在常年最高水位与基础底面标高之间变动时,则可认为已经满足常年稳定地下水位要求。此时产生沉降的附加应力p0为常数,地下水位下降对地基变形无影响。如遇南水北调等特殊情况使得该场区地下水位超出常年最高、最低水位,则应另行评估地基承载力和地基变形。
  (3)在进行基础底板强度计算时,基底净反力等于(上部结构的竖向荷载-水浮力)+水浮力-基础自重。
  参考文献:
  [1]建筑地基基础设计规范 GB50007-2011.
  [2]高层建筑筏形与箱形基础技术规范JGJ6-2011
  [3]建筑桩基技术规范 JGJ94-2008

来源:http://www.xzbu.com/6/view-5937693.htm

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