关于塔楼筏板基础在地下水作用下地基承载力修正问题的探讨

关于塔楼筏板基础在地下水作用下地基承载力修正问题的探讨

陈业丰

（中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司）

【摘要】高层建筑主楼采用筏板基础，周边纯地下室或裙房采用柱下独立基础+防水板的基础形式，是平常工程项目经常遇到的情况。在地下水作用下，主楼筏板下地基承载力的修正会减小，同时也会使主楼筏板下地基反力变小。地下水的水位是变化的，本文就各地下水水位工况下主楼筏板的地基承载力修正进行详细计算分析，为类似的工程应用提供参考。

【关键词】筏板基础；地基承载力修正；地下水水位；

引言：

现在房地产开发对成本控制的要求越来越严格，而结构专业的基础方案选择则是控制成本首当其冲的部分。对于同一建筑，基础类型不同，可能会增加几十万甚至上百万的造价。条件允许和计算通过的前提下，一般都是利用天然地基的造价最低。这就要求要对上部结构荷载、地下水作用及地基承载力的修正做详细分析和计算，在保证安全性的前提下最大限度地达到基础设计的经济性。

1  工程实例

（一）原始条件：某高层住宅地上33层，地下2层。2层地下室层高均按4.2m考虑。根据详勘资料，持力层为圆砾层，地基承载力特征值fak为400kPa（修正系数ηb=3.0，ηd=4.4）。抗浮水位位于室外地面下约1m。主楼采用1500mm厚筏板基础，筏板底标高-9.9m。纯地下室采用柱下独立基础+防水板，防水板厚400mm，防水板底标高-8.8m。

图1：主楼及地下室原始条件示意

（二）YJK计算结果：塔楼筏板底部平均压力值Pk,avg=440kPa，塔楼筏板底部最大压力值Pk,max=621kPa。

（三）主楼筏板地基承载力特征值修正的计算方法：

（1）主楼采用筏板基础而纯地下室采用柱下独立基础+防水板时，一般认为地下室防水板虽有一定的刚度但不承担上部结构的荷载，因此独立基础范围外未能有较多的地下室自重传递到防水板上进而传递到地基土上来约束土体在主楼基底压力下的隆起。因此采用偏安全的处理方式，即采用地下室室内地面至主楼筏板底的折算厚度作为主楼地基承载力深度修正用的埋深，混凝土防水板当作一层容重较大的土层。

（2）在地下水位高出主楼筏板基础底面以上时，基础周围土体受水浮力的同时，基础本身也受到水浮力的作用，这个水浮力对基础本身是有利的，可以有效降低基础和地基土间的接触压力，即地下水使修正后的地基承载力特征值降低的同时，也降低了基底压力。当然不考虑水浮力对基底压力的降低是偏于安全的，但也造成了不同程度的浪费。毕竟客观上水浮力的存在对基础本身及基础周围的土体同时发挥着作用。鉴于地下水位是变动的，因此应分别验算各水位下对应的经深度和宽度修正后的地基承载力特征值是否不小于扣除水浮力后的基底反力标准值。

（四）各地下水标高工况下主楼筏板地基承载力特征值修正及验算

（1）工况1：地下水位远低于主楼筏板底面时

该工况下，纯地下室防水板底至主楼筏板底土层自重及纯地下室防水板自重可加权为平均重度。主楼筏板底部土层容重取全重。

纯地下室防水板顶部100厚建筑面层：             20×0.1=2.0kN/㎡

纯地下室400厚防水板混凝土重：              25×0.4=10.0kN/㎡

纯地下室防水板底至主楼筏板底土重:    18×（1.5-0.4）=19.8kN/㎡ 

主楼筏板底面以上土平均重度γm=（19.8+10+2）/1.5=21.2kN/m3

Fa=400+3.0×20×（6-3）+4.4×21.2×（1.5-0.5）=673kPa

Pk,avg=440kPaa=673kPa，满足要求

Pk,max=621kPa<1.2Fa=1.2×673=807kPa，满足要求

（2）工况2：地下水位刚好位于主楼筏板底面时

该工况下，纯地下室防水板底至主楼筏板底土层自重及纯地下室防水板自重可加权为平均重度。主楼筏板底部土层容重取有效重度。

纯地下室筏板顶部100厚建筑面层：               20×0.1=2.0kN/㎡

纯地下室400厚防水板混凝土重：              25×0.4=10.0kN/㎡

纯地下室防水板底至主楼筏板底土重:   18×（1.5-0.4）=19.8kN/㎡ 

主楼筏板底面以上土平均重度γm=（19.8+10+2）/1.5=21.2kN/m3

Fa=400+3.0×（20-10）×（6-3）+4.4×21.2×（1.5-0.5）=583kPa

Pk,avg=440kPaa=583kPa，满足要求

Pk,max=621kPa<1.2Fa=1.2×583=699kPa，满足要求

（3）工况3：地下水位刚好位于地下室防水板底面时

该工况下，纯地下室防水板底至主楼筏板底土层容重取有效自重并和纯地下室防水板自重加权为平均重度。主楼筏板底部土层容重取有效重度。由于地下水位于主楼筏板底部以上1.1m，水浮力可抵消掉部分筏板底部应力。

纯地下室筏板顶部100厚建筑面层：               20×0.1=2.0kN/㎡

纯地下室400厚防水板混凝土重：               25×0.4=10.0kN/㎡

纯地下室防水板底至主楼筏板底土重：（18-10）×（1.5-0.4）=8.8kN/㎡

主楼筏板底面以上土平均重度γm=（8.8+10+2）/1.5=13.87kN/m3

Fa=400+3.0×（20-10）×（6-3）+4.4×13.87×（1.5-0.5）=551kPa

Pk,avg=440-10×1.1=429kPaa=551kPa，满足要求

Pk,max=621-10×1.1=610kPa<1.2Fa=1.2×551=661kPa，满足要求

（4）工况4：地下水位位于-7.600m时（最不利工况）

该工况下，纯地下室防水板底至主楼筏板底土层容重取有效自重并和纯地下室防水板自重加权为平均重度。主楼筏板底部土层容重取有效重度。由于地下水位于主楼筏板底部以上2.3m（主楼筏板底部标高为-9.9m，水头高度9.9-7.6=2.3m），水浮力可抵消掉部分筏板底部应力。

纯地下室筏板顶部100厚建筑面层：                20×0.1=2.0kN/㎡

纯地下室400厚防水板混凝土重：                  25×0.4=10.0kN/㎡

纯地下室所受的水浮力（水头高度8.8-7.6=1.2m）： -10×1.2=-12.0kN/㎡

2+10-12=0，即地下室防水底板无任何恒荷载压在主楼筏板周边的土层上

纯地下室防水板底至主楼筏板底土重：（18-10）×（1.5-0.4）=8.8kN/㎡

主楼筏板底面以上土平均重度γm=8.8/1.5=5.86kN/m3

Fa=400+3.0×（20-10）×（6-3）+4.4×5.86×（1.5-0.5）=515kPa

Pk,avg=440-10×2.3=417kPaa=515kPa，满足要求

Pk,max=621-10×2.3=598kPa<1.2Fa=1.2×515=618kPa，满足要求

（5）工况5：地下水位高于-7.600m以上时

该工况下，纯地下室防水板底至主楼筏板底土层容重取有效自重并和纯地下室防水板自重加权为平均重度。主楼筏板底部土层容重取有效重度。参照工况4的计算过程，水浮力已完全抵消掉纯地下室防水板恒荷载，即地下室防水底板无任何恒荷载压在主楼筏板周边的土层上。由于地下水位在主楼筏板底部以上2.3m的更高处（主楼筏板底部标高为-8.4-1.5=-9.9m，水头高度大于9.9-7.6=2.3m），水浮力可抵消掉部分筏板底部应力。参照工况4的计算结果，修正后的Fa和工况4相同仍然是515kPa，但由于水头更高的地下水抵消掉了更多的上部结构荷载，所以相比于工况4，地基承载力更加能满足要求。

结束语

一般情况下地下水水位升高时，由于水浮力作用，塔楼筏板底部应力有所减少。但修正后的地基承载力特征值也在减少且减少得更快。所以地下水水位升高对地下室筏板基础承载力验算不利。当地下水位于水压力刚好抵消掉防水底板自重的高度时，则是承载力验算的最不利工况。若地下水水位在最不利工况下继续升高，修正后的地基承载力不再变化，但是筏板底部应力继续减小，对承载力验算反而有利。

因此，塔楼筏板基础在地下水作用下地基承载力修正应按水位的不同工况进行计算，并着重复核最不利工况下（地下水压力刚好抵消掉防水底板自重）修正后的地基承载力是否满足不小于扣除水浮力后的上部结构荷载标准值。

参考文献

【1】建筑地基基础设计规范 GB5007-2011 北京：中国建筑工业出版社，2011.