带防水板式独立基础力学特性及设计方法研究

刘耀东, 饶彬彬, 薛雄道

(湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430068)



带防水板式独立基础力学特性及设计方法研究

刘耀东, 饶彬彬, 薛雄道

(湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430068)

[摘要]分析独立基础加防水板这一特殊基础的受力特点、设计要点，对独立基础和防水板分开设计与一体化设计进行分析比较，提出了更为科学的设计方法。采用JCCAD桩筏筏板有限元软件进行一体化设计能准确模拟这种特殊形式基础的受力情况，更符合实际受力状况。

[关键词]独立基础； 防水板； 一体化设计

1带防水板式独立基础设计构想

带防水板式独立基础是一种常见的基础形式，主要运用在地基土承载力较好的单层或多层地下室建筑。通过在防水板下设软垫层，使结构荷载全部由独立基础承担，防水板仅承受自重和浮力的作用(图1)。这种基础实际上是柱周区域加厚的筏板基础，属于筏板基础范畴，也可以将其理解为倒置的有柱帽无梁盖结构[1]。目前带防水板的基础已有广泛的应用，但相关设计规范和规定较少，设计中往往对防水板受力认识不清晰，因此有必要对其进行研究[2]。

图 1　带防水板式独立基础示意图

2防水板对独立基础基底反力的影响

作用在防水板上的荷载有：水浮力qw、防水板自重qs及其上部建筑面层和固定设备重量qa。在建筑物的使用过程中，随着地下水位的变化作用在防水板上的水浮力qw在不断改变。因此防水板是一种随荷载情况变化而改变支撑情况的复杂板类构件[3]。按照水浮力的变化可以分为qw≤qs+qa和qw>qs+qa两种情况(图2、3)。由图2可知，防水板及其上部结构重量直接传给了地基土，独立基础对其不起支撑作用。由图3可以看出，防水板将净水浮力q2传递给了独立基础，加大了独立基础承担的弯矩值，此时基底的弯矩将受水浮力控制。

图 2　qw≤qs+qa时q1不变

图 3　qw>qs+qa时q2随qw增大而减小

3防水板对独立基础内力的影响

为了更为直观地研究qw>qs+qa这种情况下独立基础根部弯矩的变化，以一带地下室的多层框架结构模型为例，基础布置见图4。通过调整抗浮水位来分析独立基础根部弯矩的变化情况。

3.1模型参数

柱下采用700 mm高独基(底标高-4.2 m),边柱及侧墙下采用500 mm厚条形基础(底标高-4.0 m)，防水板厚250 mm (底标高-3.75 m)，活荷载2.5 kN/m2、恒荷载3.0 kN/m2。为消除无关变量的影响，当抗浮水位变化时，除水浮力外以下设置均为定值。

各计算模型均采用JCCAD里的桩筏筏板有限元模块计算，网格单元划分一致。

为使防水板不承担土反力，将防水板下的基床系数设为0，独基下设为2000。

荷载仅考虑恒、活及水浮力，水浮力分项系数取1.4。

图 4　主要观测圈内独立基础的内力

3.2不考虑抗浮水位时(qw≤qs+qa)基底弯矩设计值

此情况不考虑抗浮水位，防水板厚、板面荷载设为零，独基处板面荷载不变。经过试算基本组合为控制组合，设计弯矩为408 kN·m。

3.3不同抗浮水位下基底弯矩设计值(qw>qs+qa)

当考虑水浮力时，由于水浮力是向上的荷载，判为有利荷载。根据《荷载规范》[4]要求分项系数取1，此时选取的荷载组合为1.4水-1.0恒。分别计算抗浮水位为-2.5 m和-1.5 m两种情况并分析弯矩增幅的大小。

1)-2.5 m时防水板处水浮力qw=(3.75-2.5)×10=12.5 kN/m2，独基下水浮力qw=(4.2-2.5)×10=17 kN/m2。计算得到独立基础基底的设计弯矩为425 kN·m。

2)-1.5 m时防水板处水浮力qw=(3.75-1.5)×10=22.5 kN/m2，独基下水浮力qw=(4.2-1.5)×10=27 kN/m2。计算得到独立基础基底的设计弯矩为470 kN·m。

通过上述计算发现当抗浮水位在-1.5 m时，若采用独立基础与防水板分开式设计，独立基础将有62 kN·m弯矩没有计算，此时的配筋是不安全的。这也进一步论证了当qw>qs+qa时独立基础的基底反力部分外移到防水板上导致独立基础根部弯矩增大，此时独立基础根部的弯矩由水浮力下的基本组合控制。分开式设计仅适合地下水位较低的情况，当地下水位较高时应采取更为严谨的设计方法。

4防水板与独立基础一体化设计

4.1设计思路

带防水板式独立基础的基础形式在实际的结构受力计算模型中，会把独立基础与防水板分割成两部分，设计基础时只按普通独立基础进行设计，即由独立基础承担全部竖向荷载，而不考虑防水板的作用[5]，这种设计方法没有考虑当qw>qs+qa时防水板对独立基础内力的影响。分析得知，当地下水位较高时这种设计方法偏离了设计的初衷且不安全。因此可以采用JCCAD中的桩筏筏板有限元软件进行一体化设计，通过调整基床系数、板面荷载、修改防水板板底标高的方法使结构荷载全部由独立基础承担，防水板仅承受自重和浮力的作用以满足设计构想。将内力设计值取恒+活与水浮力基本组合的包络值，这种一体化设计方法可以规避独基与防水板分开设计时独立基础的基底反力部分外移到防水板导致独立基础根部弯矩偏大的情况。

4.2设计方法

采用JCCAD中的桩筏筏板有限元软件进行模拟分析，具体的设计步骤为：JCCAD人机交互菜单中按无防水板情况生成独立基础→输入筏板→将独立基础和筏板导入JCCAD桩筏筏板有限元模块→设定抗浮水位→划分单元网格→检查筏板标高板厚、修改防水板厚度、设置标高及基床系数→计算及查看结果。

4.3参数设置

4.3.1基床系数为实现防水板不承担土反力的构想，在JCCAD中将防水板的基床系数设为0，独立基础部分的基床系数仍按正常情况设置。

4.3.2板面荷载将防水板上荷载设为零，不考虑筏板自重，此时独立基础范围内筏板除考虑板面荷载外还应人为添加独立基础自重。这样设置主要是为了使防水板自承重，若防水板上设有荷载，由于基床系数为零，非水浮力组合下防水板自重及其上荷载将传给独立基础。与设计构想相违背。

4.4计算结果分析

将防水板自重及其上荷载设为零之后，再修改防水板板底标高，其恒+活基本组合下弯矩设计值为406 kN·m与分开设计时的407 kN·m相差很小，水浮力基本组合弯矩设计值为479 kN·m与分开设计时的470 kN·m相差不大。计算结果表明一体化设计方法在受力分析上是正确的。此时内力设计值将取恒+活与水浮力基本组合的包络值(图5)，不会再出现独立基础与防水板分开设计时出现的不安全状况。这种设计方法不仅受力分析准确，而且拥有包络设计的优势，对带防水板式独立基础的设计工作有较强的指导意义。

1—2.49

5结论

1)采用带防水板式独立基础，在设计时应考虑在水浮力作用下，独立基础基底反力外移至防水板对独基内力产生的不利影响，应采用一体化设计方法。内力计算采用包络设计，更符合实际受力情况。

2)带防水板式独立基础适用于抗浮水位较低，地基承载力较高且沉降不大的建筑，应重视。

防水板下软垫层的设置措施(若独立基础的沉降大于防水板的沉降，防水板将承受土反力，此时带防水板式独立基础将变为变厚度筏板)。

3)当抗浮水位较高时，应与变厚度筏板作经济性对比，采取合理的基础形式。

[参考文献]

[1]朱炳寅.带防水板式独立基础设计方法的分析[J]. 建筑结构,2001,31：51-53.

[2]李岩.带防水板式独立基础在工程中的应用[J]. 山西建筑,2011,37：89-90.

[3]张美仙.浅议柱下独基加防水板基础设计[J]. 福建建设科技,2011(5)：33-34.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 建筑地基基础设计规范(CB50007-2011)[S].北京：中国建工出版社，2011.

[5]李纯，朱浮生.构造板独立基础地基反力测试[J]. 辽宁工程技术大学学报,2006(25):220-222.

[责任编校： 张岩芳]

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

[中图分类号]TU470

[文献标识码]：A

[文章编号]1003-4684(2016)01-0098-03

[作者简介]刘耀东(1971-)， 男， 山东滕州人，工学博士，湖北工业大学副教授，研究方向为桥梁与隧道

[收稿日期]2015-04-20