姚育華，虞　瑩

(杭州北高峰電力工程設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州 310007)

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地下水浮托力計(jì)算的探索

姚育華，虞瑩

(杭州北高峰電力工程設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州 310007)

摘要：指出了建筑的地下室在確定地下設(shè)計(jì)水位時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)，提出了地下室底板或水池底板的浮托力的合理取值，還提出了探索性的計(jì)算方法及其推導(dǎo)的原理，并提供了建議采用的計(jì)算式。

關(guān)鍵詞：地下水的類(lèi)型；上層滯水；潛水；承壓水；面積孔隙率；浮托力

由于地下水變化受大氣降水及周邊環(huán)境等因素影響(包括建筑物施工后環(huán)境變化)，以及工程所在地地下水變化頻率資料的缺乏，使得建筑物的地下室如何考慮地下水作用，成為一個(gè)不能回避而又存有模糊的問(wèn)題。

要分析地下水的作用，就必須對(duì)工程場(chǎng)地的地層巖土結(jié)構(gòu)和地下水的類(lèi)型(包括含水層厚度、滲透性和水量)有充分了解。本文著重于建議謹(jǐn)慎地確定設(shè)計(jì)地下水位，并推薦了計(jì)算公式確定地下水的浮托力。

1建筑工程中的地下水作用問(wèn)題

地下水分布類(lèi)型一般可分為：上層滯水、潛水、承壓水三種類(lèi)型。建筑工程中地下水作用問(wèn)題主要為以下兩個(gè)方面。

1.1如何確定地下水位的設(shè)計(jì)取值

工程場(chǎng)地的地下水位及類(lèi)型應(yīng)由巖土勘察部門(mén)提供，這在《巖土工程勘察規(guī)范(GB 50021—2009)》中有明確規(guī)定。雖然如此，但設(shè)計(jì)人員得到的資料通常只是勘察期間的地下水位，并不是與建筑物使用年限相協(xié)調(diào)頻率的地下水位。故對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，它是尚屬于不確定的、模糊的，并不宜直接用于工程設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)人員與勘察人員共同綜合分析研究后才能取用一個(gè)接近本工程情況的地下水位數(shù)值。

在對(duì)勘察資料和地下水類(lèi)型進(jìn)行分析后即須決定地下水位的設(shè)計(jì)取值。這時(shí)也須分兩種荷載組合情況：當(dāng)?shù)叵滤畨毫?duì)建筑物不利時(shí)宜取最高水位，對(duì)建筑物有利時(shí)宜取最低水位。

國(guó)家《巖土工程勘察規(guī)范(GB 50021—2009)》規(guī)定確認(rèn)地下水位的技術(shù)責(zé)任崗位是勘察部門(mén)，所以，應(yīng)以尊重勘察部門(mén)的資料為主，但可以進(jìn)一步與其協(xié)調(diào)取得設(shè)計(jì)需要的，經(jīng)勘察部門(mén)修正后的最高(對(duì)建筑物不利時(shí))、最低(對(duì)建筑物有利時(shí))水位。

對(duì)基礎(chǔ)底處于上層滯水層時(shí)，目前工程設(shè)計(jì)中一般仍采用勘察資料提供的水位。但是按這個(gè)水位(哪怕是經(jīng)過(guò)修正的),仍沿用工程上常用的靜水壓力原理確定對(duì)地下結(jié)構(gòu)的作用，與實(shí)際情況是不是相符值得商榷，有時(shí)會(huì)因使用不當(dāng)造成工程投資增大或使工程處于不安全狀況。對(duì)此，筆者將在后面提出自己的一些看法。

1.2如何確定地下水對(duì)建筑物的實(shí)際作用力

地下水對(duì)建(構(gòu))筑物的作用一般有兩種情況：對(duì)側(cè)壁(地下室墻體)或水池壁的水平作用力(側(cè)壓力)；對(duì)地下室底板或池底板的向上浮托力。

1.2.1地下水對(duì)側(cè)壁或水池壁的水平作用力

對(duì)于處在上層滯水土層中的地下室側(cè)墻、水池側(cè)壁承受的水和土的側(cè)壓力，筆者建議地下水位以下，宜水土合一，取它們的綜合重度(一般可取20 kN/m3)，其他計(jì)算步驟可按土壓力計(jì)算的有關(guān)要求進(jìn)行。有一點(diǎn)要特別注意的是，其側(cè)壓力模式宜用靜止土壓力模式，這與按主動(dòng)土壓力為主要受荷模式的單純擋土墻是有很大區(qū)別的。

對(duì)于處在潛水層及承壓水層的墻壁的水和土的側(cè)壓力，筆者認(rèn)為地下水位以下宜水、土(此時(shí)土用浮容重)分別計(jì)算再進(jìn)行疊加為宜，其中土的側(cè)壓力模式也宜用靜止土壓力模式。

1.2.2地下水對(duì)地下室底板或池底板的向上浮托力

一般情況下，工程中地下水位設(shè)計(jì)取值確定后，水壓力是按靜水壓力作用原理來(lái)考慮的。也就是將地下水位至底板底的深度作為作用于底板的向上作用水頭，以此為依據(jù)來(lái)核算建(構(gòu))筑物的整體穩(wěn)定、抗浮及混凝土構(gòu)件配筋。這對(duì)于處在潛水層的底板是較為接近工程實(shí)際情況的，然而對(duì)處于承壓水層的底板還應(yīng)考慮其附帶的水頭壓力。

2處在上層滯水層范圍內(nèi)的地下室底板的浮托力計(jì)算公式及推導(dǎo)原理

當(dāng)?shù)装逄幵谏蠈訙畬臃秶鷥?nèi)時(shí)，情況就復(fù)雜多了，這是本文討論的中心內(nèi)容。

工程建筑的地下室處于有地下水的巖土層中時(shí)，地下水對(duì)其作用的情況與上述例子類(lèi)同。如若基底接觸的土層是砂石層或其他強(qiáng)透水層，基底與地下水的接觸面積就接近于基底實(shí)際面積。那就可近似地按靜水壓力原理取用設(shè)計(jì)水位來(lái)計(jì)算水壓力，如若基底接觸的土層是透水性差，甚至很差的巖土層，必然會(huì)使基底與地下水的接觸面積大大減少(圖1)。由于水的浮托力是通過(guò)接觸面?zhèn)鬟f的,從而也減少了地下水對(duì)基底的總作用力，在理論上就是減少了浮托力，如果將此原理應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，不僅在專(zhuān)業(yè)上有突破性的較大意義，而且將產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1　基底接觸面示意圖

要應(yīng)用這原理就必須知道并確定與基底接觸的土層在其接觸面上有多少面積是土顆粒接觸的，有多少面積是土的孔隙(地下水)接觸的(也即是承受水壓力面積的多少)。

為此，筆者提出如下一個(gè)假設(shè)和新的單位名詞：面積孔隙率m(即基底受地下水作用的接觸面積與基底總接觸面積的比)。以便用來(lái)近似估算基底接觸處的地下水的作用。

圖2　接觸處土層孔隙分布

我們不妨假定接觸處的土層的孔隙是沿垂直方向均勻分布的(圖2)，并且對(duì)于單位體積而言其孔隙都集中在單位體積的中間，這種假定并不改變土體的體積空隙率(即土力學(xué)理論中所指土中空隙的體積與土的總體積之比，也即勘察提供的體積孔隙率n)，而可使水平接觸面上的面積孔隙率m在地下水作用方面給人以直觀的感覺(jué)。顯然這種垂直分布的假定，在基底的接觸面處的土的孔隙面積不會(huì)比均勻分布孔隙的實(shí)際土體小(即這樣求出的水浮托力也不會(huì)小于實(shí)際的浮托力值)。

現(xiàn)設(shè)單位水平面上的面積孔隙率為m,孔隙的水平面積為d×d,單位體的水平總面積為l×l，

則面積孔隙率為：m=d×d/l×l=d×d

土力學(xué)中單位體積的孔隙率(孔隙的體積/土的總體積)為n，

則n=d×d×l/l×l×l=d×d

很顯然，這兩個(gè)比例的值雖然含義不同，但數(shù)值是相同的，也即m=n。

因此，我們可以借用勘察資料中提供的土層參數(shù)，孔隙率n,或孔隙比e(孔隙體積/土的固體顆粒體積)得到面積孔隙率m。由土力學(xué)知n與e兩者換算公式為:

n=e/(l+e)

(1)

通過(guò)上面分析可知當(dāng)基底與持力的土層接觸面附近土的孔隙率如若不變，仍為n時(shí)，其接觸面上的面積孔隙率則可表示為

m=n

(2)

若地下水位設(shè)計(jì)取值確定后，其設(shè)計(jì)水頭h(m)也就確定了，基底單位面積所受水壓力為P，水容重為γ水。

當(dāng)不考慮接觸面上的面積孔隙率時(shí)(工程中一般取γ水=10)：

Po=γ水h=10h(kN/m2)

(3)

當(dāng)考慮接觸面上的面積孔隙率時(shí)：

p=mPo=nPo=nγ水h=10 hn(kN/m2)

(4)

P/Po=n

(5)

由上述可見(jiàn)，考慮了接觸面的面積孔隙率后，水的向上壓力可由式(4)求得，由式(5)和表1可見(jiàn)，其數(shù)值比直接用設(shè)計(jì)水位計(jì)算將近減少一半。

表1　部分n、e對(duì)應(yīng)表

考慮到土體孔隙率的測(cè)試有一定的變幅，建議在工程設(shè)計(jì)中當(dāng)?shù)叵滤畨毫Φ挠绊懹欣麜r(shí)可取用p值，當(dāng)?shù)叵滤畨毫Φ挠绊懖焕麜r(shí)則采用ψp系數(shù)中的ψ值，暫時(shí)建議沿用荷載規(guī)范中活荷載分項(xiàng)系數(shù)值，即ψ=1.4?？赡苡腥藢?duì)接觸面的孔隙率可靠性是否能保證有懷疑，筆者認(rèn)為對(duì)于處在上層滯水的弱透水層的孔隙率，勘察檢測(cè)比較方便，故應(yīng)比較可靠，基坑開(kāi)挖后也可以再檢測(cè)一次，在原狀土夯實(shí)基礎(chǔ)上澆注不透水墊層及底板。其接觸面的面積孔隙率理應(yīng)不比原狀土大，而且計(jì)算中已考慮了ψ系數(shù)，無(wú)須擔(dān)心因孔隙率取小了，導(dǎo)致水壓力值也取小了，從而導(dǎo)致不安全結(jié)果。對(duì)于側(cè)向水壓力的計(jì)算模式，筆者認(rèn)為：因經(jīng)基坑開(kāi)挖及回填，原巖土性能已大變，仍以參照前述工程上習(xí)慣方式為宜。

3結(jié)語(yǔ)

在計(jì)算地下水作用前，一定要認(rèn)真調(diào)研本工程場(chǎng)區(qū)的地層情況，充分分析勘察資料，確定地下水的類(lèi)型，與勘察部門(mén)協(xié)調(diào)后，取用一個(gè)最接近本工程的使用期間，巖土中設(shè)計(jì)地下水位時(shí)，要嚴(yán)禁設(shè)計(jì)、施工中用透水性大于原狀土層的土質(zhì)作基底墊層。再應(yīng)用本文原理，便可取得使工程經(jīng)濟(jì)合理的地下水作用的荷載組合。

對(duì)于想利用地下水壓力的作用來(lái)承載建筑物上部荷載，減輕地基負(fù)擔(dān)的情況(例如樁基時(shí)作為減少樁數(shù)量的依據(jù))，一定要慎重。因?yàn)榈叵滤皇墙?jīng)常在變動(dòng)的，它是根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件和水文地質(zhì)條件經(jīng)常變化的。有的地區(qū)，在汛期地下水位可高達(dá)地面，而在旱季地下水位又可低于基礎(chǔ)底面。因此必須作專(zhuān)題調(diào)查、研究、分析后再得出結(jié)論。

收稿日期：2015-12-10

作者簡(jiǎn)介：姚育華(1939—)，男，浙江湖州人，高級(jí)工程師，從事特種結(jié)構(gòu)的分析研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TU46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-3707(2016)03-0041-03

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