独立基础加构造防水板的设计探讨

摘要：独立基础加构造防水板因传力简单、明确且费用较低而得到广泛的应用，而设计中对其基底反力的分配仍不明确。文中总结了现有的关于基底反力分配的研究结果，阐述了独立基础加构造防水板的受力特性及设计方法，并对设计中遇到的基础埋置深度计算、防水板形式的采用及设计复核等问题进行了探讨和分析。

关键词：独立基础；防水板；基底反力分配；基础设计

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

0 引言

随着城市化的发展,土地资源越来越稀缺,因此,地下空间的利用越来越重要,地下室、地下车库及地下停车场成为了必不可少的一部分,即使多层建筑也常设计地下室，以满足设备用房及设置地下车库等要求。带地下室的多高层建筑建筑,基础一般采用箱形基础或筏形基础。当地基土承载力较好时，如果仍采用传统的箱基、筏基等基础形式，将造成不必要的浪费，而独立基础加构造防水板的做法传力简单、明确且费用较低，因此近年来在工程中应用相当普遍。该种基础形式适用于地质条件较好、上部为框架或框剪结构，柱网尺寸为6～9 m、8～12 层的建筑[1]。

1 独立基础加构造防水板的基底反力分配

独立基础加构造防水板是一个共同受力的整体，防水板会承担一定的基础反力，但一般其地基反力的分配情况往往很难明确。研究表明，独立基础加构造防水板的基底反力分布具有一定的空间变化特点和分布规律[1][2][3]，基础尺寸、柱网尺寸、地基压缩模量、上部结构荷载、防水板的厚度、防水板位置等因素均对独立基础基底反力和防水板基底反力的分布有影响。武崇福[1]和冯洁[2]等通过有限元分析独立基础和防水板的共同作用，得到：1）构造防水板独立基础的基底反力分布呈波浪形，独立基础下反力最大，防水板跨中反力最小。2）其他条件相同时,基础尺寸越大,基础承担的基底压力越多；柱网尺寸增大,防水板与基础承担的基底反力分配比越小；上部结构刚度对底板分担反力的比例影响不大；3）防水板越厚，刚度也大，防水板分担的载荷相应增加，整个基础的受力特性趋于筏板基础的受力特性；4）地基刚度越大，基床系数越大,底板下的填土刚度越小，防水板分担的载荷越少，因此此种基础适用于地质条件较好的地区。冯洁还得出当防水板离得基础底面越远,独立基础承担的荷载越大, 设计时可以适当提高防水板的位置,高于基础顶面1m比较合适，但此种做法在工程应用中较少。李纯，朱浮声[3]等采用GYH-2型单膜式压力盒对辽宁文化艺术中心、省博物馆新馆的独立基础加构造防水板的地基反力进行测试,也得到了较为类似的结果。

2 独立基础加构造防水板的设计

2.1 设计简化

独立基础加构造防水板的设计设想是独立基础承担全部的结构荷载并考虑水浮力的影响，防水板一般只用来抵抗水浮力，不考虑防水板的地基承载能力。为实现此种结构设计设想，防水板下应设置软垫层，确保防水板不承担或者承担最少量的地基反力，软垫层的做法可采取焦渣垫层或聚苯板。

对独立柱基加防水板的基础,现行较常见的简化算法是将其人为地分割成独立柱基和防水板基础两部分[4]:1)在地下水浮力的作用下,对基础底板可利用现有空间分析程序,按有柱帽无梁楼盖计算;2)独立基础的设计与普通独立基础完全相同,即全部竖向荷载均由独立基础承担,不考虑防水板的作用,按刚性基础考虑,即基底反力按直线分布。

2.2防水板设计

在独立基础加防水板基础中，防水板是一种随荷载情况变化而变换支承情况的复杂板类构件。作用在防水板上的荷载有：地下水浮力、防水板自重及其上建筑做法重量。

当≤时，防水板及其上部重量直接传给地基土，独立基础对其不起支承作用；

当>时，防水板实际上是四角支承于独立基础上的双向板，防水板的计算采取无梁楼盖的计算模型，按纵横两个方向划分为柱上板带和跨中板带，板带的宽度取垂直于计算方向柱距的一半，如图1，内力分析采用经验系数法。底板与独立基础的交界处是受力薄弱部位，在进行设计时要注意此处应力集中。

图1 板带的划分

X方向板的弯矩：

Y方向板的弯矩：

其中，为荷载效应基本组合时，竖向荷载设计值；、为等代框架梁的计算跨度；为独立基础在计算弯矩方向的有效宽度。

水浮力的分项系数。根据实际情况取值，当地下水位变化不大时，可按永久荷载考虑，取 1.35。当地下水位变化较大时，按可变荷载，取 1.4。永久荷载分项系数。根据永久荷载效应对防水板是否有利合理选用，当防水板由水浮力效应控制时，永久荷载的效应对防水板有利，分项系数取 1.0。防水板厚度的变化对独立柱基加防水板基础的弯矩影响不大,因此,在满足设计要求的前提下,可适当减小防水板的厚度[4]。

2.3 独立基础设计

随地下水浮力大小的变化，防水板受到的荷载也在变化，对独立基础产生的影响也在变化。在独立基础加防水板基础中，独立基础的内力计算与普通独立基础内力计算的区别在于需要考虑水浮力作用下防水板的影响[5]，分两种情况考虑，取较大内力作为独立基础底板配筋的内力。

当≤时（此处的、均为荷载效应基本组合时的设计值，即水浮力起控制作用时的荷载设计值，而不是荷载标准值），建筑物的重量将全部由独立基础传给地基，可不考虑防水板的影响，按普通的独立基础计算即可。

当>时，防水板在水浮力作用下，将净水浮力（－）传给独立基础，需按四角支承的实际长度，转化为沿独立基础周边线性分布的等效荷载和等效线弯矩。计算独立基础在普通荷载和等效荷载共同作用下的内力。

3 设计中的若干问题

3.1 地基承载力深度修正时基础埋置深度的取值

《建筑地基基础规范》规定可用基础埋置深度对地基承载力进行修正。因为在基坑开挖前，受土体自重应力的作用，土样处于三向应力状态，在基坑开挖和土样采集过程中，土体受到扰动。为弥补土工试验与土样实际受力状况的差异，需考虑基础埋深对地基承载力的影响。

《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》（DBJ11-501-2009）第7.3.8条规定，对于具有条形基础或独立基础的地下室，基础埋置深度应按下式计算：

1.外墙基础埋置深度： （3-1）

2.室内墙、柱基础埋置深度：

1）一般第四纪沉积土 （3-2）

2）新近沉积土及人工填土 （3-3）

其中，表示地下室地面到基底的距离；表示室外地坪到基底的距离。

对于地下室地面防水板下有软垫层的基础埋置深度[5]，应按软垫层下的实际地基反力q(防水板自重、地下室地面建筑做法重及地下室地面的活荷载按《荷载规范》第5.1.2条要求折减后的数值)来确定基础的等效埋深，。

3.2 独立基础加防水板的形式

独立基础加构造防水板的形式如图2所示，可分为两种：顶平形和底平形，这两种布置形式有各自的特点，可根据实际工程情况选用。1）顶平形适用于无地下水或地下水位较低的情况，防水板兼做地下室底板，基坑开挖土方量相对较小，但防水板和独立基础底部防水层的施工相对困难；2）底平形适用于地下水位较高，需做抗浮设计的建筑，防水板顶部可填土用于抵抗水浮力，且防水板和独立基础底部的防水层易于施工。

a)底平形 b)顶平形

图2 独立基础加构造防水板的两种形式

3.3 简化计算存在误差

简化产生计算误差的主要原因是,忽略防水板所承担的基底反力,而将基础反力全部归结在独立基础下,显然是不合适的。衡量简化计算是否合理的标准,就是独立基础的计算弯矩与独立柱基加防水板基础实际弯矩的“等效”程度 [4]。为考虑防水板对独立基础基底反力的影响，可在独立基础加防水板设计中采用有限元方法整体分析，或按文[4]中方法进行补充验算。

3.4 应用范围

独立柱基加防水板这种基础形式主要用于以下两类工程中:第一类是高层建筑的多层裙房及地下车库;第二类是多层建筑及纯地下车库。在这两类工程中,独立柱基加防水板的设计侧重点有所不同:对于高层建筑的多层裙房及地下车库,采用独立柱基加防水板的主要目的在于加大裙房及纯地下室车库的基底压力,从而加大此部分的沉降量,减少主楼和裙房的沉降差,满足设计及使用的要求;而对于多层结构及纯地下车库,则着重在经济性上,这种基础形式比筏板结构的造价要低很多。

参考文献：

[1] 武崇福,任顺利. 构造板独立基础地基反力的数值模拟[J]. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版）,第29卷第3期, 2010年6月

[2] 冯洁. 防水底板影响下的独立基础基底反力与变形的数值分析[].山东建筑大学硕士学位论文.2012

[3] 李纯，朱浮声. 构造板独立基础地基反力测试[J].辽宁工程技术大学学报,第 25卷第2期, 2006 年 4 月

[4] 朱炳寅. 独立柱基加防水板基础设计方法的分析[J]. 建筑结构,第31卷第11期, 2001年11月.

[5] 朱炳寅，娄宇，杨琦. 建筑地基基础设计方法及实例分析[M] 中国建筑工业出版社，2007

[6] 北京地区建筑地基基础勘察设计规范，DBJ11-501-2009，中国计划出版社，2009