抗浮穩定計算中水壓力作為抗力或荷載的計算與分析

劉 雄，侯衛杰，李鐵軍，畢程敏

（1.河北省水利規劃設計研究院有限公司,河北 石家莊 050021；2.河北省大清河河務中心,河北 保定 071051；3.河北天和監理有限公司,河北 石家莊 050021）

1 前言

近年來,隨著“金山銀山就是綠水青山”生態理念深入人心,河道生態補水、地下水超采治理等一系列項目的逐步實施,人們開采地下水情況越來越少,生態環境也變得越來越好,區域地下水位開始逐漸回升。另外,夏季汛期降雨量增大,直接導致土體飽和度增大。隨著地下水位的升高,在水利、建筑、交通、市政等工程建設中,各種建筑物抗浮問題越來越突出,第一個問題是設防水位取值的問題,第二個問題是水壓力計算的問題。

地下水位是動態的,不僅取決于歷年、季節時段的大氣降雨變化、地面徑流、所在地下地質單元的地下水補給及排泄條件等,還取決于未來社會經濟發展以及本地區工程建設、場地與周邊水體環境滲漏的條件變化、相關部門對區域地下水位管理、控制、要求等。因此,建筑物設防水位的確定,不是單獨由巖土工程勘察能解決的技術問題,而是應由建設單位、勘察單位、設計單位根據勘察成果,在綜合分析抗浮建設投資與安全、未來可能應對建筑物為避免上浮而進行的長期控制地下水的投資與安全等基礎上,進行的一項綜合性投資決策。因此,在一定程度上來說,設防水位取值是一個技術難題,本文僅對第二個問題進行討論。

在水利工程建筑物中,當涉及地下水位上升時就會出現抗浮問題。但是在計算抗浮問題時,當建筑物底板兩側設置懸挑板且地下水位超過底板頂面時,底板以上的水壓力Pw方向豎直向下,建筑物底板以下的揚壓力U 方向豎直向上,水壓力Pw是作為抗力放在分子還是作為荷載放在分母與揚壓力進行抵消,兩種情況計算結果不同。本文以一個簡化例題為例,在建筑物抗浮穩定計算中,對水壓力是抗力還是荷載進行計算、分析。

2 例題

（1）試計算建筑物在當前情況下,建筑物的抗浮穩定系數值；（2）當底板向四周懸挑1.0 m 后,計算此時的建筑物的抗浮穩定系數值。建筑物的橫斷面示意圖見圖1。

圖1 建筑物的橫斷面示意圖

抗浮穩定計算公式：

式中：Kf為抗浮穩定安全系數；∑V 為作用在建筑物底板上全部重力,kN；∑U 為作用在建筑物底板上的揚壓力,kN。

2.1 情況一

在當前情況下,建筑物的邊墻重G1、頂板重G2、底板重G3 計算如下：

則建筑物重力=4655+535+3150+250=8590 kN,方向豎直向下。

地下水位于地面以下1m,距離建筑物底板底面距離4.5 m,則建筑物受到地下水產生的揚壓力為U1=10×18×4.5×10=

8100 kN,方向豎直向上。

抗力為建筑物及其內部全部重力,荷載為地下水產生向上的揚壓力。則建筑物的抗浮穩定系數計算式為：

根據計算得知,在當前情況下,建筑物的抗浮安全系數計算值為1.06,小于規范[1]的允許值1.10,不滿足規范要求。

將3M液劑均勻涂布在光固化樹脂面上，取適量的3M黏結劑置于清潔干燥托槽底板，就位于樹脂面上輕加壓，并去除溢出黏結劑。分別從托槽的近遠中用光固化燈照射20 s。

建筑物抗浮穩定不滿足要求時,可以采用一定的抗浮穩定措施,主要措施為降低地下水位、增加建筑物重量。而地下水位屬于區域性的,降低水位一般來說難度較大,因此,本次采取的抗浮穩定措施主要是通過將建筑物的底板向四周進行懸挑一定長度,進而增加建筑物重量。

2.2 情況二

對建筑物采取抗浮措施后,將建筑物底板向四周進行懸挑1.0 m,此時,建筑物的邊墻重G1和頂板重G2均保持不變。底板總面積A1、懸挑面積A2、底板重G3計算如下：

則建筑物重力=4655+535+4200+250=9640 kN,方向豎直向下。

地下水位于地面以下1 m,距離底板底面距離4.5 m,則建筑物受到的揚壓力U2=240×4.5×10=10800 kN,方向豎直向上。

懸挑板以上土重F1 和豎直向下的水壓力Pw計算如下：

F1=60×1×19+60×3.8×9=3192 kN,方向豎直向下。

Pw=60×3.8×10=2280 kN,方向豎直向下。

在這種情況下,因為建筑物底板進行了懸挑加大,且地下水位高于底板頂面,這是建筑物不僅受到豎直向上的揚壓力,而且還受到豎直向下的水壓力,那么在建筑物的抗浮穩定系數計算中,如何處理豎直向上的水壓力Pw呢？是放在分子作為抗力（重力）,還是作為荷載放在分母與揚壓力進行抵消,下面對兩種情況分別進行計算。

方法一：將水壓力Pw放在分子,同建筑物重力、土重均作為抗力,作用方向豎直向下；揚壓力作為荷載,方向豎直向上。則建筑物的抗浮穩定系數計算式為：

方法二：建筑物重力、土重均作為抗力,作用方向豎直向下；將水壓力Pw放在分母,與揚壓力互相抵消后的剩余揚壓力作為荷載（即豎直向上的揚壓力剩余值）,方向豎直向上。則建筑物的抗浮穩定系數計算式為：

2.3 成果分析

當建筑物底板不進行懸挑,地下水位超過底板底面時,其抗浮穩定計算相對比較明確,建筑物全部重力為抗力,其受到的揚壓力為荷載,抗力除以荷載即為建筑物的抗浮穩定系數。

但是,當建筑物底板進行了懸挑,且地下水位高于底板頂面時,建筑物受到來自兩個方向的水壓力。這時按以上兩種方法計算的抗浮穩定系數不一樣。但是兩種方法中抗力與荷載的差值是相同的。

方法一：抗力減荷載為15112-10800=4312 kN

方法二：抗力減荷載為12832-（10800-2280）=4312 kN

那么,既然差值相同,安全系數計算結果不同,實際工程設計中用哪一種方法計算呢？根據《建筑工程抗浮技術標準》[2]6.3.3 條規定,“地下結構內部底板上的填筑材料荷載標準值應采用天然重度進行計算,結構上部、地下結構外墻挑出結構上的填筑材料自重標準值,抗浮設防水位以下應采用飽和重度計算,抗浮設防水位以上應采用天然重度計算”。根據這條規定應該將底板以上的水壓力放在分子,也就是將其放入土中,水位以下土的重度按飽和重度計算,作為抗力。這樣計算的安全系數相對更為可靠。

兩種方法計算結果數值不同,在結構方面和巖土方面某種程度上存在一定的分歧。既然有規范支撐,具體設計時就要遵從規范；另一方面來說,安全系數也是一種規定,建筑物是否能浮起來,最終決定的還是抗力與荷載的差值,并且兩種方法的差值是相同的。所以,作為設計人員,建筑物抗浮穩定計算值在滿足規范的同時,還要明白工程安全可靠的本質內涵。

3 結論

通過以上例題對建筑物抗浮穩定安全系數的計算分析,得知：

（1）當建筑物底板沒有進行懸挑,地下水位超過底板底面時,全部豎直向下的重力為抗力,豎直向上的揚壓力為荷載,抗力除以荷載即為抗浮穩定系數計算值。

（2）當建筑物底板進行了懸挑加大,且地下水位高于底板頂面時,將水壓力Pw放在分子,作為豎直向下的力來考慮,同建筑物重力、土重均作為抗力,底板以下豎直向上的揚壓力僅作為荷載,計算結果較為合理。