抗浮稳定计算中水压力作为抗力或荷载的计算与分析

刘 雄，侯卫杰，李铁军，毕程敏

（1.河北省水利规划设计研究院有限公司,河北 石家庄 050021；2.河北省大清河河务中心,河北 保定 071051；3.河北天和监理有限公司,河北 石家庄 050021）

1 前言

近年来,随着“金山银山就是绿水青山”生态理念深入人心,河道生态补水、地下水超采治理等一系列项目的逐步实施,人们开采地下水情况越来越少,生态环境也变得越来越好,区域地下水位开始逐渐回升。另外,夏季汛期降雨量增大,直接导致土体饱和度增大。随着地下水位的升高,在水利、建筑、交通、市政等工程建设中,各种建筑物抗浮问题越来越突出,第一个问题是设防水位取值的问题,第二个问题是水压力计算的问题。

地下水位是动态的,不仅取决于历年、季节时段的大气降雨变化、地面径流、所在地下地质单元的地下水补给及排泄条件等,还取决于未来社会经济发展以及本地区工程建设、场地与周边水体环境渗漏的条件变化、相关部门对区域地下水位管理、控制、要求等。因此,建筑物设防水位的确定,不是单独由岩土工程勘察能解决的技术问题,而是应由建设单位、勘察单位、设计单位根据勘察成果,在综合分析抗浮建设投资与安全、未来可能应对建筑物为避免上浮而进行的长期控制地下水的投资与安全等基础上,进行的一项综合性投资决策。因此,在一定程度上来说,设防水位取值是一个技术难题,本文仅对第二个问题进行讨论。

在水利工程建筑物中,当涉及地下水位上升时就会出现抗浮问题。但是在计算抗浮问题时,当建筑物底板两侧设置悬挑板且地下水位超过底板顶面时,底板以上的水压力Pw方向竖直向下,建筑物底板以下的扬压力U 方向竖直向上,水压力Pw是作为抗力放在分子还是作为荷载放在分母与扬压力进行抵消,两种情况计算结果不同。本文以一个简化例题为例,在建筑物抗浮稳定计算中,对水压力是抗力还是荷载进行计算、分析。

2 例题

（1）试计算建筑物在当前情况下,建筑物的抗浮稳定系数值；（2）当底板向四周悬挑1.0 m 后,计算此时的建筑物的抗浮稳定系数值。建筑物的横断面示意图见图1。

图1 建筑物的横断面示意图

抗浮稳定计算公式：

式中：Kf为抗浮稳定安全系数；∑V 为作用在建筑物底板上全部重力,kN；∑U 为作用在建筑物底板上的扬压力,kN。

2.1 情况一

在当前情况下,建筑物的边墙重G1、顶板重G2、底板重G3 计算如下：

则建筑物重力=4655+535+3150+250=8590 kN,方向竖直向下。

地下水位于地面以下1m,距离建筑物底板底面距离4.5 m,则建筑物受到地下水产生的扬压力为U1=10×18×4.5×10=

8100 kN,方向竖直向上。

抗力为建筑物及其内部全部重力,荷载为地下水产生向上的扬压力。则建筑物的抗浮稳定系数计算式为：

根据计算得知,在当前情况下,建筑物的抗浮安全系数计算值为1.06,小于规范[1]的允许值1.10,不满足规范要求。

将3M液剂均匀涂布在光固化树脂面上，取适量的3M黏结剂置于清洁干燥托槽底板，就位于树脂面上轻加压，并去除溢出黏结剂。分别从托槽的近远中用光固化灯照射20 s。

建筑物抗浮稳定不满足要求时,可以采用一定的抗浮稳定措施,主要措施为降低地下水位、增加建筑物重量。而地下水位属于区域性的,降低水位一般来说难度较大,因此,本次采取的抗浮稳定措施主要是通过将建筑物的底板向四周进行悬挑一定长度,进而增加建筑物重量。

2.2 情况二

对建筑物采取抗浮措施后,将建筑物底板向四周进行悬挑1.0 m,此时,建筑物的边墙重G1和顶板重G2均保持不变。底板总面积A1、悬挑面积A2、底板重G3计算如下：

则建筑物重力=4655+535+4200+250=9640 kN,方向竖直向下。

地下水位于地面以下1 m,距离底板底面距离4.5 m,则建筑物受到的扬压力U2=240×4.5×10=10800 kN,方向竖直向上。

悬挑板以上土重F1 和竖直向下的水压力Pw计算如下：

F1=60×1×19+60×3.8×9=3192 kN,方向竖直向下。

Pw=60×3.8×10=2280 kN,方向竖直向下。

在这种情况下,因为建筑物底板进行了悬挑加大,且地下水位高于底板顶面,这是建筑物不仅受到竖直向上的扬压力,而且还受到竖直向下的水压力,那么在建筑物的抗浮稳定系数计算中,如何处理竖直向上的水压力Pw呢？是放在分子作为抗力（重力）,还是作为荷载放在分母与扬压力进行抵消,下面对两种情况分别进行计算。

方法一：将水压力Pw放在分子,同建筑物重力、土重均作为抗力,作用方向竖直向下；扬压力作为荷载,方向竖直向上。则建筑物的抗浮稳定系数计算式为：

方法二：建筑物重力、土重均作为抗力,作用方向竖直向下；将水压力Pw放在分母,与扬压力互相抵消后的剩余扬压力作为荷载（即竖直向上的扬压力剩余值）,方向竖直向上。则建筑物的抗浮稳定系数计算式为：

2.3 成果分析

当建筑物底板不进行悬挑,地下水位超过底板底面时,其抗浮稳定计算相对比较明确,建筑物全部重力为抗力,其受到的扬压力为荷载,抗力除以荷载即为建筑物的抗浮稳定系数。

但是,当建筑物底板进行了悬挑,且地下水位高于底板顶面时,建筑物受到来自两个方向的水压力。这时按以上两种方法计算的抗浮稳定系数不一样。但是两种方法中抗力与荷载的差值是相同的。

方法一：抗力减荷载为15112-10800=4312 kN

方法二：抗力减荷载为12832-（10800-2280）=4312 kN

那么,既然差值相同,安全系数计算结果不同,实际工程设计中用哪一种方法计算呢？根据《建筑工程抗浮技术标准》[2]6.3.3 条规定,“地下结构内部底板上的填筑材料荷载标准值应采用天然重度进行计算,结构上部、地下结构外墙挑出结构上的填筑材料自重标准值,抗浮设防水位以下应采用饱和重度计算,抗浮设防水位以上应采用天然重度计算”。根据这条规定应该将底板以上的水压力放在分子,也就是将其放入土中,水位以下土的重度按饱和重度计算,作为抗力。这样计算的安全系数相对更为可靠。

两种方法计算结果数值不同,在结构方面和岩土方面某种程度上存在一定的分歧。既然有规范支撑,具体设计时就要遵从规范；另一方面来说,安全系数也是一种规定,建筑物是否能浮起来,最终决定的还是抗力与荷载的差值,并且两种方法的差值是相同的。所以,作为设计人员,建筑物抗浮稳定计算值在满足规范的同时,还要明白工程安全可靠的本质内涵。

3 结论

通过以上例题对建筑物抗浮稳定安全系数的计算分析,得知：

（1）当建筑物底板没有进行悬挑,地下水位超过底板底面时,全部竖直向下的重力为抗力,竖直向上的扬压力为荷载,抗力除以荷载即为抗浮稳定系数计算值。

（2）当建筑物底板进行了悬挑加大,且地下水位高于底板顶面时,将水压力Pw放在分子,作为竖直向下的力来考虑,同建筑物重力、土重均作为抗力,底板以下竖直向上的扬压力仅作为荷载,计算结果较为合理。