4月建筑與文化淺析基礎設計中考慮地下水浮力減負作用

摘要：隨著現代城市化進程的不斷加快，大量含有地下室建筑物的深基礎不斷涌現。基礎部分造價所占的比重也越來越高，因此基礎設計中采用經濟、合理的方案顯得尤為重要。在基礎設計中大多數設計人員僅考慮水浮力的不利影響，忽視了水浮力減負作用，而各規范對于考慮水浮力作用的表述又不統一。本文結合實際工程闡述了建筑物豎向力減負作用的合理性。

關鍵詞：基礎設計 水浮力 減負作用

一.基礎設計時規范對地下水浮力的規定

眾所周知，建筑物地基反力可以看作是建筑物總豎向力與地下水浮力的差值。目前有關地基基礎的規范對基礎底面處的壓力所表述的原理是一致的，但是對具體細節并不統一。

《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）的基本公式5.2.1～5.2.4，略去了地下水浮力對建筑物豎向力的減負作用，其實際上是將地下水浮力納入建筑物的安全儲備。對于采用天然地基作為基礎的建筑物而言，地下水位與基礎埋深之間的差值小，其對建筑物豎向力的減負作用也小，因此略去水浮力的減負作用偏于安全且有利于簡化計算，這樣做是合理的。

《高層建筑筏形與箱形基礎技術規范》JGJ6-2011基本公式4.0.3-1～4.0.3-3類同于淺基礎的設計要求。但在4.0.3-1條的說明中的G值為基礎自重和基礎上的土重之和，在計算地下水位以下部分時，應取土的有效重度。我對它的理解是：對于埋深較大的基礎，當基底在地下水位以下時，應考慮水浮力的作用，即在總豎向力F+G中減去浮力。

《建筑樁基技術規范》JGJ94-2008中5.1.1.1條計算樁豎向力時，明確指出G值為樁基承臺和承臺上土自重；對穩定的地下水位以下部分應扣除水的浮力。

從上述規范的規定來看，對于埋深較大的筏形基礎和樁基礎，原則理論上應該考慮地下水浮力的作用，不考慮則偏于保守。當然考慮地下水浮力的有利作用需要一個前提，那就是需要對地下水位變化趨勢有正確的評估，地下水位必須按常年穩定的地下水位計算，以避免因地下水下降帶來不利影響。

二.工程實例分析

臨平胤超城市青年廣場由2幢主樓和裙房及地下車庫等組成，主樓之間為地上3層裙房，地下室為3層地下室

本工程結構形式為框架-剪力墻結構，基礎形式為樁筏基礎。0.00相當于絕對高程5.450米，地下室底板面標高為-11.500，地下室板厚為0.5米。根據勘察報告，本場地穩定水位標高在0.80～2.98m之間，年水位變幅1.50m左右。考慮地下水浮力作用的水頭深度為：（0.8-1.5）-（5.45-11.5-0.5）=5.85米

1.以D交2軸處柱子為例（柱網尺寸為8.4x8.4米），根據電算結果，不考慮地下水浮力作用時，柱下軸力為16494KN，布樁方式為3D900（3x5300=15900KN）；考慮地下水浮力作用時，柱下軸力為12901KN，布樁方式為3D800（3x4500=13500KN）；經濟性非常明顯。

2.假定本工程采用筏板基礎，其持力層為第3-2層砂質粉土，地基承載力特征值fak=130kPa。按地下水位絕對標高程為3.5m計算修正后的地基承載力特征值。fa= fak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）。根據地質報告，各參數取值：γ=9.2kN/m3；γm=9 kN/m3；ηb=0.5；ηd =2.0。則fa=130+0.5*9.2（6-3）+2.0*9（10-0.5）=314.8kPa。

以M交15軸處柱子為例（柱網尺寸為8.1x7.5米），根據電算結果，不考慮地下水浮力作用時，柱下軸力為20455KN，=20455/（8.1*7.5）+25*0.5=349.2 kPa。則：fa < pk。如果不考慮地下水浮力作用，本工程需要采用樁筏基礎才能滿足承載力要求。考慮地下水浮力作用時，地下水絕對標高程為3.5m時，水浮力為F浮= γ水h=10×3.5-10*（5.45-11.5-0.5）=100.5kPa。即在“總豎向力中扣除水浮力”，則：pk -F浮=349.2-100.5=248.7kPa< fa=314.8kPa。從地基承載力方面來看，此時采用天然地基就可以滿足要求，不需要打樁。

3. 地下水位下降，原水位下土的重度增加，對地基承載力特征值的修正增加。將地下水位埋深（假設水位降至基底，單位m）和修正后的地基承載力與扣除地下水浮力后的總豎向力（pk -F浮）的差值即fa-（p-F浮）（單位Kpa）的關系繪成曲線，如下圖所示（。假設地下

水位降至基礎底面以下時，按《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）的公式5.2.4計算得出修正后的地基承載力fa=493.6kPa。由此可見，地下水位下降， fa-（p-F浮） 值增大，對結構有利。因此，設計時按該場區常年水位變幅的高水位值計算是偏于安全的。

三.地下水位下降對地基變形的影響分析

地基變形的驗算是按照《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）5.3.5條并考慮第5.3.10條進行，然后再按第5.3.7條確定地基變形計算深度Zn。當結構采用箱型基礎和筏形基礎（有防水外墻），且地下水位高于基礎底面時，公式5.3.5中p0（對應于荷載效應準永久組合時的基礎底面處的附加應力）為常數。因此地下水位在基礎底面以上發生變化時對地基變形沒有影響。

四.結論和建議

1. 《建筑地基基礎設計規范》、《高層建筑筏形與箱形基礎技術規范》、《建筑樁基技術規范》對如何利用水浮力問題的表述不統一，不利于結構工程師掌握和利用。建議將“總豎向力中扣除地下水浮力” 替代“取有效重度”。

2. 對于埋深較大的筏形基礎和樁筏基礎原則理論上應該考慮地下水浮力的作用，不考慮則偏于保守。合理的利用地下水浮力可以擴大天然地基的應用范圍，減少樁基礎數量，節省工程費用，其經濟效益非常可觀。

3. 對于埋深較大的筏形基礎，當基礎底面標高在地下水位以下時，水位下降，則修正后的地基承載力與扣除地下水浮力后的總豎向力（p-P'）的差值即fa-（p-P'）

增大，對結構有利。設計時，除一般規定，應按以下要求驗算地基強度、地基變形、基礎承載力：

（1）地下水位應嚴格按照勘察報告提供的“常年水位”并取相應的水浮力、修整后的地基承載力特征值。如果此時經過減負后的基礎地面壓力值小于修正后的地基承載力特征值，則可認為地基持力層滿足地基承載力要求。

（2）當地下水位在常年最高水位與基礎底面標高之間變動時，則可認為已經滿足常年穩定地下水位要求。此時產生沉降的附加應力p0為常數，地下水位下降對地基變形無影響。如遇南水北調等特殊情況使得該場區地下水位超出常年最高、最低水位，則應另行評估地基承載力和地基變形。

（3）在進行基礎底板強度計算時，基底凈反力等于（上部結構的豎向荷載-水浮力）+水浮力-基礎自重。

參考文獻：

[1]建筑地基基礎設計規范 GB50007-2011.

[2]高層建筑筏形與箱形基礎技術規范JGJ6-2011

[3]建筑樁基技術規范 JGJ94-2008