地基基础设计思考与实践（二十三）-抗浮设计之水压力

地基基础设计思考与实践（二十三）

抗浮设计之水压力

                        

一

   水压力概念及其分项系数 。

   结构抗浮设计或地下外墙配筋计算，需要首先确定水压力荷载。既然是荷载，我们看下《荷载规范》是如何规定的。

  

  荷载规范没有提到水压力荷载，但条文说明里提到了：

    按条文说明来理解，水压力既可以是永久荷载，也可以是可变荷载，根据水位是否变化来决定。但民有建筑设计哪有不变的水位呢？如果说用变化大小来界定，这个大小根本没有标准。最终还得设计师自己把握，一般干脆当成可变荷载。

     如果当成可变荷载，那就应该按可变荷载的一系列的规定执行，比如标准值、设计值、组合值、准永久值等。

   

    《荷载规范》条文说明中，还做了如下的描述，但关于水压力的部分让人不知所云：

   

       （1）绿色划线部分干脆不如说：当永久荷载对计算有利时，分项系数可取为小于等于1.0；或，当永久荷载或可变荷载对计算有利时，永久荷载分项系数可取小于等于1.0，可变荷载应取为0。

    （2）红笔划线的部分，不理解是什么意思。是不是说如果地下水位如果取到了地表，就可以按永久荷载考虑，（因为地下水压力不可能高于地表？），此时无论稳定计算还是承载力计算，分项系数均为1呢？（中国建筑院的技措好像就是这样规定的，见下文）。

      （3）篮框里的话如果对于一般的永久荷载是没什么问题的，但对水压力显然不对，哪有对倾覆、稳定性有利的水呀（计算水池抗滑移稳定时，池内水压力宜当成可变荷载分项系数应为0）？

  

二

     决定水压力大小有三个因素，即重度、水位和土与水之间互相关系的一个小于等于1   的系数（定义为??），水压力等于= 。

    除非水池或大坝的水压力，建筑结构地下的水压力，总是通过岩土联通的空隙作用于结构底板或外墙的，因为岩土的渗透阻力，??值一定小于等于1。但水无孔不入，即使地基如岩石、回填如水泥土等，也很难保证水不会渗入，即使短期内不会，也不能保证整个设计期限50年水不会渗入，所以实际设计中，一般都是不考虑岩土减缓水压力的有利影响，取??=1。

    但岩土工程设计中的渗流力、施工中的基坑支护、确定施工期间的抗浮措施时，这个所谓的和渗透有关的??的大小，是一个很重要的因素。各规范对此有具体的计算和措施，我这里只是说明一个概念而已。

    非常明确，水的重度 ，水压力 。决定水压力大小变化的是 水位 h。

    水位总是变化的，我们按可变荷载好像没什么错误。但看下荷载规范上其它的可变荷载和其相应的一系列的标准值、设计值、组合、准永久值等，对比一下是不是性质一样呢？

  

     除温度作用外，其它的可变荷载都是统计出来，这些众多样本的统计的规律一般符合正态分布，规范按可靠度的原则取某一保证率的一个数值固定下来，比如北京地区的雪荷载或办公室的2.5 等，再根据承载或正常使用极限状态选用设计值和标准值、准永久值及组合系数等。

    但是，水压力有其独特的特点，决定水压力变化的唯一因素是水位高度h，而这个水位变化每个工程都是不相同的，没有一般可变荷载的统计的规律。所以按其它可变荷载来套用水压力的这个“变”就会存在很多似是而非的问题。

  

    我查了一些权威的资料和抗浮标准对水压力这个“ 可变荷载” 的规定，真是五花八门。

    （1）北京市建筑设计院技术措施干脆定义为永久荷载（因水重度恒定？）规定：

     承载能力设计时分项系数为1.3，正常使用（应包含抗浮稳定）按标准值即分项系数1.0。

   （2）中国建筑设计院规定如下：

    

     “ 当水位变化剧烈时” ，这个描述有问题，民用建筑的抗浮或外墙设计时（岩土、基坑设计除外），我们总是选取经过权衡得出的最高水位，这样的水压力能够包的住所谓的剧烈的水位变化。如果说水位变化剧烈，设计取用的水位不够高，所以用分项系数来提高，那为什么不直接用更可靠的高水位来设计呢？

    这里水压力的可变荷载和永久荷载之别，也是按《荷载规范》的思路，水位是否变化大来说的，逻辑上不严密。该技措出现了四个系数，分别为1.2、1.4、1.35和1.0。

     也许中国建筑院措施的制定人也意识到了这样规定有疑问，所以【说明】中又规定，乘以分项系数后的水压力不能超过室外地面的水位的水压力。换句话说，当水位取室外地面时，即使计算承载能力极限状态的防水板的配筋也要只按 即可，无需乘以分项系数，比永久荷载还永久 。  

    （3）看下最权威的《抗浮标准》规定：

   

    文字比较繁琐，总结如下：

    （1）整体抗浮稳定设计按

    （2）计算抗浮构件配筋时按

    （3）计算抗浮构件比如锚杆数量时按

    （4）计算抗浮构件的裂缝时变形时按

    

    这个规定似乎比两个大院的规定更明晰些，但还存在中国建筑设计院的那个疑问。比如南方丰水的城市，设防水位就定在了室外标高（比如10米的水位），那设计抗水板配筋时采用100KN/平米还是还是135KN/平米呢？如果该地基恰好是砂石地基位于水位变化剧烈的河边，那是否应该按可靠度标准中的可变荷载的1.5呢？  

    为什么会有这些似是而非的疑问？我觉的是《荷载规范》把水压力和一般的永久荷载、可变荷载弄混了。水压力是个特殊的荷载，只和水位有关（不考虑??值的有利影响）。

    建议《荷载规范》单独列出水压力一章 ， 规定水压力任何时候分项系数取1，不同情况取不同的水位标高 。比如计算整体抗浮或锚杆数量、抗水板裂缝或变形时按 综合权衡确定的抗浮水位 ，计算防水板、地下室外墙配筋时，水位由设计人员根据抗浮水位取值或适当提高，分项系数均为1.0；再比如无边泳池的池壁计算，水压力取 （水池深） ，承载力计算和正常使用计算分项系数均取1.0。

    水压力的关键是抗浮设防水位，设防水位是一个复杂的 功能、技术、经济等综合权衡的一个数值 ，应该把主要关注点放在水位上，水位一旦确定，水压力一定≤ ，和其它的永久、可变荷载本质不同。之所以建议所有的系数均取1，是让技术人员把水压力的关注点集中在水位的确定上，不可被分项系数的安全度所打扰，而忽略了水位。

   

                          

三

    如何合理的确定 抗浮设防水位 就是非常重要的。《抗浮标准》第五章专门规定，但都是宏观的概念。在6.1、6.2节结构浮力规定如下：

  

    我觉的《抗浮标准》把概念搞错了。这些公式是计算某结构 某一时刻的水压力 的，不是计算设防水位的浮力效应的。抗浮水位是在整个设计期间（不包括施工期间）综合各种因素确定的一种合理的 可能的水位 ，确定抗浮水位时这些因素 必须全都考虑在内，并且还不限于这些因素。确定了抗浮水位后，直接按 (抗浮水位减底板底标高)即 可。 对 于有的地基可能存在地下承压水的情况，抗浮水位也许高于室外地面，见下图：

   《抗浮标准》还区分了 施工期间的抗浮设防水位 。施工期间的抗浮与基坑安全等问题比结构正常使用期间的抗浮问题要复杂的多，结构工程师一般难当其任。但施工期间因抗浮、水压力在成的结构主体自身破坏问题，结构工程师一般难脱干系，这块应该与施工总包和岩土工程师紧密配合，注意设计说明中应尽可能的对施工期间可能存在的问题进行文字描述，提示甲方委托专门的部门负责具体设计执行。

                              四

    《抗浮标准》还规定了抗浮工程等级来确定安全稳定系数等，搞的太复杂了。

  

     所谓的甲、乙、丙等抗浮等级是很模糊的概念，抗浮重要性工程之间没有类比性，不仅仅是《标准》所列的内容，和建筑结构分类不是一个概念，所以不宜归类。抗浮稳定安全系数0.95~1.10来区别分类也没什么意义。 唯一重要的是什么要求的建筑在什么水文地质下确定多高的抗浮设防水位 ，水位确定的合理了，一切都没有问题，水位确定不合理一切都失去了意义。

   《抗浮标准》6.3.7还给出了抗浮力组合系数，但没看到什么地方需要采用这个抗浮力组合系数。

   

      我不知道什么情况下的 抗 浮力对抗浮稳定不利，难道是翘翘板结构？让人无语。

    

五

     如何确定合理的水位呢？对于重要的建筑并不是仅仅地勘单位根据一些历史的、未来的可能数据来确定，而是应该由甲方、设计院、勘察等或专家根据建筑功能要求（甲方及设计院）、水文地质条件（勘察）、未来的预测（国家的资源环境政策比如南水北调）、投资（甲方、及经济部门）综合确定的，很复杂。规范或国家法规应该强调设防水位需综合确定，国家政策至少应该在确定的程序上进行规定，明确甲方水位最终负责制（政府投资项目和商品房由政府委托的机构最终决策，业主自用项目甲方最终决策），而不是推给勘察单位，而由设计院总背锅，真正受损的是业主。

    关于抗浮设计即复杂又简单，复杂的是设防水位权衡的不易和实际中的各种情况，简单的是水位确定后的水压力的计算。还有一种情况，很多人可能忽略了，是水位变化期间时对岩土和结构的影响，比如施工期间基坑的水位变化、渗透力的变化对基坑或地基的沉降、基坑降水漏斗水位对临近已有建筑物地基的沉降等。

    对于民用建筑使用期间内，水位的变化似乎对结构影响不大，但对于抗拔桩或锚杆的设计还是有很大的影响，只考虑最终的设防水位而不考虑水位变化过程，有时会出现工程事故，如抗拔桩在水位较低时对底板的不利影响等。

    所以就抗浮设计这一块来说，概念极其简单，但应用实践情况极其复杂。规范应该简单，实际应用中工程师之间多交流总结经验，由专家们、各设计院通过教材、手册或措施、培训班等灌输给设计师，而不是用漏洞百出的标准规范来规定。

     比如《抗浮标准》还对分区域进行抗浮计算规定和计算公式。标准编制者这是手把手教结构工程师做设计啊。

     

    而《北京地基勘察设计规范》的关于抗浮设计就一两页，而且还做了精简，8.8.1条被精简掉了，抗浮设计的计算就8.8.2一条，没有那么多各种系数。

                         

                           结语

    我写这些，并不是较真，有些问题思考深入了，就会少犯错误。对规范或标准的一些质疑（很多规范存在语言表达和逻辑上的问题），是希望提高我们国家的标准编制水平。建议有关人员重视设防水位的确定，对可能存在抗浮问题建筑，设计院应提请甲方组织三方（甲方、勘察、设计院建筑结构、甲方或设计院成本部门）和专家参会的设防水位专项会议。至于其它的分项系数、稳定安全系数之类的，做到心中有数，自己去把握就好了。

                                                  2012年7月9日

感谢两位专家的微信指导。

参考文献：

1：《抗浮标准》

2：《北京院结构技术措施》

3：《中国建筑设计院技术措施》

4：《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》