獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板、地下室外墻的設(shè)計(jì)

1、獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板地下室外墻的設(shè)計(jì)審定：李緒華審核：苑清山編制：覃嘉仕北京京誠華宇建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 結(jié)構(gòu)所二九年八月第一部分：獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板的基礎(chǔ)形式，近年來在民用建筑的單層和多層地下室結(jié)構(gòu)以及荷載不大的小高層結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛，本文僅就施工圖中常用的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合我院工程的具體應(yīng)用情況，對其中的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行交流，為其他設(shè)計(jì)提供參考。一獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板的由來及概念在大面積地下車庫中，柱距通常在6m9m之間，我院的工程常用柱網(wǎng)為8.4m8.4m。因跨度較大，采用整體筏板不經(jīng)濟(jì)，對上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞也缺乏針對性，通常采用獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板這種基礎(chǔ)方案。獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板，即在柱下

2、采用獨(dú)立基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)防水的目的，在獨(dú)立基礎(chǔ)之間設(shè)較薄的板，此板僅起地下室地坪板和防水的作用，不承擔(dān)地基反力。如此除可降低造價(jià)外，還可加大獨(dú)立基礎(chǔ)的沉降，以取得與主樓地基變形的協(xié)調(diào)。有地下室且有防水要求時(shí)，如地基承載力較高，可采用獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板的形式。獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板基本形式如下圖若地基承載力較低，則可考慮采用筏形基礎(chǔ)，筏形基礎(chǔ)可選用有梁式或無梁式。若筏形基礎(chǔ)仍無法滿足地基承載力要求，或是存在較大的凈浮力，設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)地基承載力情況和抗浮要求來綜合考慮是否采用樁基。則基礎(chǔ)形式變?yōu)楠?dú)立承臺加防水板，如煙臺世茂地下室、南京河西新城區(qū)蓮花村中低價(jià)房地下室等。因抗浮問題比較復(fù)雜，涉及到荷載取值、配重經(jīng)濟(jì)

3、性、基坑降水、施工順序、抗浮樁設(shè)計(jì)、不均勻沉降控制等諸多因素，本文主要就天然地基的獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板加以論述。二地基承載力根據(jù)建筑資料確定基礎(chǔ)板頂標(biāo)高，預(yù)估基礎(chǔ)厚度，查閱巖土工程勘察報(bào)告，確定基礎(chǔ)底板所在地基持力層是否滿足基底壓力的要求。地基承載力的修正計(jì)算公式見建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范5.2.4條， （5.2.4）北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范中地基承載力修正公式為在確定地基承載力fa的過程中，最讓設(shè)計(jì)者把握不定的是基礎(chǔ)的埋置深度d。當(dāng)采用獨(dú)立基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)時(shí)，按下列規(guī)定取值：1外墻基礎(chǔ)埋置深度：d(d1d2)/2。2內(nèi)柱基礎(chǔ)：一般第四紀(jì)沉積土：d(3d1d2)/4；式中d1、d2分別為地下室地

4、面起和室外地面起算時(shí)的基礎(chǔ)深度。需要指出的是：北京市地基規(guī)范特別規(guī)定當(dāng)車庫基礎(chǔ)與主體高層建筑之基礎(chǔ)整體相連時(shí)，為使車庫沉降量不致過小，應(yīng)盡量提高車庫地基土的計(jì)算承載力，此時(shí)，基礎(chǔ)埋置深度不分內(nèi)、外墻（柱），一般?。篸(d1d2)/2，詳見北京市建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范8.7.1條。若經(jīng)修正后的地基承載力fa仍無法滿足上部結(jié)構(gòu)荷載的需要，則需考慮打樁或者是CFG地基處理等。三獨(dú)立基礎(chǔ)平面尺寸的確定主要依據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范5.2.15.2.2條，即軸心荷載作用 （1）偏心荷載作用 （2）以及偏心荷載作用 （3）實(shí)際操作時(shí)，對于純地下室，不需考慮風(fēng)荷載和地震作用，可滿足(1)式即可，當(dāng)中Fk+G

5、k可取1.0恒+1.0活。而對于小高層的裙房，通常需考慮恒、活、風(fēng)各種荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合，取各種不利工況，需同時(shí)滿足上述（1）（3）式。四獨(dú)立基礎(chǔ)構(gòu)件計(jì)算獨(dú)立基礎(chǔ)的構(gòu)件計(jì)算主要包括底板的受沖切計(jì)算和受彎計(jì)算。1受沖切計(jì)算沖切計(jì)算決定基礎(chǔ)的厚度，其基本計(jì)算簡圖如下：荷載組合應(yīng)取基本組合（含分項(xiàng)系數(shù)），由非人防和人防工況分別計(jì)算取較大值，見算例。當(dāng)柱底彎矩較大時(shí)，還需考慮彎矩作用下的沖切計(jì)算，可參見國標(biāo)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄P。2受彎鋼筋計(jì)算荷載效應(yīng)組合應(yīng)取基本組合（含分項(xiàng)系數(shù)），由非人防和人防工況分別計(jì)算取較大值，見算例。五計(jì)算荷載與地基承載力相關(guān)的計(jì)算取荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合，與構(gòu)件設(shè)計(jì)相關(guān)的計(jì)算

6、取荷載效應(yīng)基本組合，如上所述。非人防工況的的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合、基本組合均可從JCCAD中讀取，但是JCCAD中沒有給出柱底剪力。對于純地下室，由于不考慮風(fēng)荷載和地震作用，可不考慮柱底剪力。對于多層地下室，即使地面以上存在多層結(jié)構(gòu)，經(jīng)過多層地下室層層衰減后，到基礎(chǔ)頂面的剪力已很小，亦可忽略。若無把握，可到SATWE中查取柱底剪力。在基礎(chǔ)的沖切和抗彎計(jì)算時(shí)，需要考慮人防荷載。人防荷載的柱底內(nèi)力在JCCAD中無法讀取，只能在SATWE中讀取標(biāo)準(zhǔn)工況內(nèi)力。人防組合只考慮兩種工況，即1.0恒+1.0人防和1.2恒+1.0人防，可以人工計(jì)算累加。荷載計(jì)算注意事項(xiàng)：1按地基承載力確定基礎(chǔ)底面大小時(shí)，只讀取P

7、KPM軟件柱底最大內(nèi)力，容易漏掉基礎(chǔ)本身的自重。此外，防水板自重及其上的活荷載，是否應(yīng)計(jì)入基礎(chǔ)自重，目前也存在較大的爭議。我院的幾個工程中，煙臺世茂和南京中低價(jià)房為獨(dú)立樁基承臺加防水板，樁基剛度明顯較防水板下的天然地基要大得多，而且南京中低價(jià)防水板下為淤泥質(zhì)土，不穩(wěn)定，因此在計(jì)算時(shí)將防水板上的恒、活荷載考慮傳到承臺上，再傳給樁基。京誠亦莊二辦項(xiàng)目，天然地基持力層為粉質(zhì)粘土，fka=150kPa，認(rèn)為土質(zhì)相對較好，防水板自重及其上面的荷載考慮直接傳給地基，不再導(dǎo)入獨(dú)立基礎(chǔ)上。但是計(jì)算地基反力時(shí)，應(yīng)計(jì)入基礎(chǔ)本身的自重。2關(guān)于消防車荷載，對于柱子和基礎(chǔ)而言，屬于間接受力構(gòu)件，板頂?shù)刃Ш奢d可按消防車實(shí)

8、際重量除以柱網(wǎng)面積確定。如我院常用的柱網(wǎng)8.4m8.4m，計(jì)算柱子和基礎(chǔ)時(shí)300kN消防車等效板頂荷載可取為4.2kN/m2，近似取4kN/m2。建議在使用PKPM軟件計(jì)算柱子和基礎(chǔ)時(shí)可按以上荷載單獨(dú)建模導(dǎo)荷。 六其他注意事項(xiàng)1獨(dú)立基礎(chǔ)的厚度宜滿足臺階的寬高比不大于2.5。因在計(jì)算獨(dú)立基礎(chǔ)配筋時(shí)往往直接套用建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中公式8.2.7-45，該公式的受彎計(jì)算假定為獨(dú)立基礎(chǔ)一側(cè)梯形面積的荷載對柱根（變階）處的彎矩，若基礎(chǔ)臺階的寬高比大于2.5，基礎(chǔ)的剛度偏小，受力狀態(tài)接近懸臂構(gòu)件，用獨(dú)立基礎(chǔ)計(jì)算公式偏不安全。2基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)組合內(nèi)力偏心距Mmax/N應(yīng)小于1/6基礎(chǔ)寬度，一般發(fā)生在外墻基礎(chǔ)，由

9、于存在水、土壓力，容易出現(xiàn)偏心距過大的情況。3獨(dú)立基礎(chǔ)沒有最小配筋率，構(gòu)造要求不小于10200即可4防水板下設(shè)置聚苯板：概念設(shè)計(jì)上為實(shí)現(xiàn)防水板不承擔(dān)或承擔(dān)最小量的地基反力，防水板下應(yīng)設(shè)置軟墊層。軟墊層一方面應(yīng)具有一定的承載能力（即應(yīng)能承擔(dān)防水板混凝土澆注時(shí)的重量及其施工荷載），另一方面應(yīng)具有一定的變形能力，即充當(dāng)一個緩沖變形的作用，避免防水板承擔(dān)過大的地基反力。防水板下軟墊層作法通常有焦渣或聚苯板，也有用中粗砂的（南京蓮花村A組團(tuán)地塊就使用中粗砂作軟墊層）。在我院設(shè)計(jì)的幾個工程中，如煙臺世茂、南京中低價(jià)房，因獨(dú)立基礎(chǔ)為樁基承臺，沉降很少或幾乎沒有沉降，就不存在承臺拖拽防水板下沉受力的問題，因此

10、經(jīng)方案討論防水板下取消了軟墊層。5.獨(dú)立基礎(chǔ)及防水板強(qiáng)度計(jì)算由水浮力控制時(shí)，結(jié)構(gòu)自重恒荷載分項(xiàng)系數(shù)可取為1.0，而水浮力分項(xiàng)系數(shù)取法則存在不同意見。國標(biāo)地基規(guī)范中當(dāng)水土荷載占主導(dǎo)作用時(shí)相當(dāng)于恒荷載起主導(dǎo)作用，分項(xiàng)系數(shù)取1.35，工業(yè)設(shè)計(jì)中的水工規(guī)范取為1.27，而朱丙寅建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法及實(shí)例分析中取水浮力分項(xiàng)系數(shù)為1.4（第187頁）。七防水板的計(jì)算：防水板計(jì)算方法基本有三種：第一種方法為等代框架法：即將防水板模擬成框架梁，梁寬為半個柱距，梁高為防水板厚度，獨(dú)立基礎(chǔ)模擬成柱帽，輸入水浮力，用PKPM進(jìn)行計(jì)算。第二種方法為SAP2000建模計(jì)算：被認(rèn)為是相對準(zhǔn)確的計(jì)算方法。將獨(dú)立承臺和防水板

11、分別指定為不同厚度的殼，通過輸入水浮力或人防荷載，按規(guī)范指定的荷載效應(yīng)組合工況得出彎矩云圖，再根據(jù)每延米的彎矩云圖手算進(jìn)行配筋。該方法因獨(dú)立基礎(chǔ)與防水板交界處殼單元厚度發(fā)生突變，有限元彎矩或應(yīng)力計(jì)算結(jié)果存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象（尤其是獨(dú)立樁承臺把樁也建入模型時(shí)），需對計(jì)算應(yīng)力或彎矩結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪ㄆ教幚砗蠓娇捎糜谑┕D配筋。如下圖第三種方法為無梁樓蓋人工計(jì)算，該方法概念簡單，為傳統(tǒng)的計(jì)算方法。在煙臺世茂項(xiàng)目中， SAP2000計(jì)算結(jié)果進(jìn)行局部應(yīng)力平均后與該方法計(jì)算結(jié)果基本吻合。防水板水浮力對獨(dú)立基礎(chǔ)的影響：在獨(dú)立柱基加防水板的內(nèi)力計(jì)算中，過去有的設(shè)計(jì)是將獨(dú)立基礎(chǔ)和防水板分別進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。具體作法

12、是：將獨(dú)立柱基及防水板人為地分割成兩部分，在地下水浮力的作用下，對防水板按有柱帽無梁樓蓋計(jì)算，此時(shí)僅考慮水浮力對防水板的作用。獨(dú)立基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)時(shí)與普通獨(dú)立基礎(chǔ)完全相同，即承擔(dān)全部豎向荷載，而不考慮防水板的作用。而事實(shí)上，當(dāng)?shù)叵滤挥诨A(chǔ)底板以上時(shí)，防水板和基礎(chǔ)均受水浮力作用，根據(jù)力的平衡關(guān)系，不難推斷，此時(shí)，獨(dú)立基底下的地基反力p將減小，一部分為因水浮力的作用，防水板傳給基礎(chǔ)的剪力V（作用在基礎(chǔ)的邊緣處），顯然V的力臂要大于基底反力p的形心力臂，導(dǎo)致獨(dú)立基礎(chǔ)底板受彎鋼筋加大。在水浮力較大的情況下，若不考慮防水板水浮力的作用，是偏于不安全的。 對于獨(dú)立基礎(chǔ)基底反力，目前業(yè)內(nèi)也有觀點(diǎn)認(rèn)為獨(dú)立基礎(chǔ)加防

13、水板作為一個整體，基底反力僅作用在獨(dú)立基礎(chǔ)范圍內(nèi)是不對的。尤其是獨(dú)立基礎(chǔ)周邊的防水板，關(guān)于其受力特性，尚存在較大的爭議，有待于進(jìn)一步的深入研究。這種情況與水浮力作用不同，若水頭是真實(shí)存在的，則水浮力的大小是確定的；而沒有水浮力時(shí)，防水板是否參與了基礎(chǔ)受力，參與了多少，實(shí)際上是一個地基應(yīng)力擴(kuò)散的問題。目前常用的手段是用SAP2000等計(jì)算軟件進(jìn)行整體建模分析，但是也不是說這就是一個精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法，同樣也存在一些技術(shù)細(xì)節(jié)問題，如基底土彈簧的模擬，本來基床系數(shù)就是一個相對粗略的范圍值，其取值本身需結(jié)合工程所在場地土的特性，較大程度依賴于經(jīng)驗(yàn)以及多次的試算，而不是統(tǒng)一取PKPM通常默認(rèn)的20000kN

14、/m3。此外，對于防水板本身，其下是否也要設(shè)置土彈簧，彈簧系數(shù)是否和獨(dú)立基礎(chǔ)統(tǒng)一取值，也是值得商榷的計(jì)算細(xì)節(jié)。如果防水板的土彈簧與獨(dú)立基礎(chǔ)的一樣，則獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板計(jì)算實(shí)際變成了變厚度的整體筏板（只是在柱子附近加大殼單元的厚度），這與當(dāng)初最早提出獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板的設(shè)計(jì)理念完全背離。八、典型防水板配筋圖第二部分：地下室外墻一計(jì)算模型地下室外墻基本計(jì)算模型為1m寬的墻單元，以各層樓板為支座的連續(xù)梁，其中上部各層樓板為簡支鉸接支座，底板處為固接支座。計(jì)算模型可用理正軟件實(shí)現(xiàn)，簡單便捷。二計(jì)算荷載地下室外墻一般剛度較大，土的側(cè)壓力取靜止土壓力，系數(shù)一般取0.5，當(dāng)勘察報(bào)告有特別說明時(shí)，按勘察報(bào)告讀取，

15、如南京中低價(jià)房靜止土壓力系數(shù)為0.7。外墻的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)分項(xiàng)系數(shù)取法，北京地基規(guī)范第8.1.6條規(guī)定取為1.3，而李國勝多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中疑難問題的處理及算例中建議外墻計(jì)算時(shí)，水土荷載分項(xiàng)系數(shù)取為1.2(第184頁)；若地下室采用了護(hù)坡樁進(jìn)行基坑支護(hù)，可考慮護(hù)坡樁的有利作用，地下室外墻可按有限土壓力計(jì)算，原有土壓力乘以折減0.66系數(shù)，但水壓力不折減。地面超載通常取為10kN/m2。若為人防外墻，需考慮人防荷載。四截面的合理性截面的合理性判斷：外墻鋼筋計(jì)算時(shí)，豎向鋼筋單面單向配筋率應(yīng)控制在0.3%1.0%；若配筋率超出該范圍，一般認(rèn)為墻厚需要調(diào)整。以下是我院設(shè)計(jì)的幾個工程地下室外墻的基本

16、信息：項(xiàng)目名稱地下室層高（m）水頭高度（m）墻厚（mm）煙臺世茂7.2/4.5/4.514.0600、400、400天津于家堡5.65/4.2/4.214.50600、600、500南京中低價(jià)房3.95.0350亦莊二辦4.150.6統(tǒng)一取400五超長處理超長地下室外墻抗裂的基本措施有：控制水平通長鋼筋單面單向配筋率不小于0.25%，設(shè)置后澆帶，為減少砼水化熱，外墻混凝土強(qiáng)度等級不宜超過C35。外墻鋼筋：雖然計(jì)算上豎向?yàn)橥鈮Φ闹饕芰Ψ较?，為了獲得更有利的截面有效高度h0，過去常把豎向鋼筋設(shè)置在外側(cè)。而實(shí)際工程中，當(dāng)外墻較長時(shí)，裂縫大多數(shù)為豎向裂縫，為非荷載因素產(chǎn)生的裂縫，考慮這一實(shí)際情況，建

17、議將水平鋼筋放在外排。六墻底彎矩處理關(guān)于墻底彎矩與底板關(guān)系：墻下布樁時(shí)墻底彎矩傳給底板，不宜傳給樁，避免樁受彎。為保證底板對墻的嵌固作用，底板通常應(yīng)比外墻厚，至少應(yīng)同樣厚，以保證墻底彎矩能傳給底板。若防水板厚度小于外墻底部厚度時(shí)，宜設(shè)置變截面板進(jìn)行過渡，如煙臺世茂項(xiàng)目中的節(jié)點(diǎn)處理見下圖：七地下室外墻的裂縫控制一般情況下，在截面合理和經(jīng)濟(jì)配筋率范圍內(nèi)，對于荷載類別相同的荷載組合，以標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行受彎裂縫驗(yàn)算（裂縫限值0.2mm），基本組合進(jìn)行受彎強(qiáng)度驗(yàn)算，則裂縫計(jì)算需要的鋼筋比強(qiáng)度計(jì)算通常要高20%30%。關(guān)于裂縫計(jì)算，目前工程界存在著較大的爭議，對規(guī)范裂縫公式的準(zhǔn)確性和適用性，許多專家提出了質(zhì)疑

18、。但不管怎么樣，在沒有更準(zhǔn)確的裂縫公式得到認(rèn)可以前，作為施工圖設(shè)計(jì)，按照現(xiàn)行規(guī)范以及各地工程的設(shè)計(jì)審查要求，對構(gòu)件裂縫驗(yàn)算仍按混凝土規(guī)范裂縫公式進(jìn)行。我院設(shè)計(jì)的幾個工程外墻裂縫要求如下：項(xiàng)目名稱裂縫限值mm構(gòu)件受力類型備注煙臺世茂0.2壓彎構(gòu)件優(yōu)化鋼筋天津于家堡無要求彎曲構(gòu)件技術(shù)會議結(jié)論南京中低價(jià)房0.2彎曲構(gòu)件地方審圖強(qiáng)條亦莊二辦0.4彎曲構(gòu)件裂縫不控制配筋1裂縫計(jì)算公式裂縫計(jì)算公式，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50010-2002中8.1.2條： 該公式的基本思路是：在荷載作用下鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)變乘以構(gòu)件的平均裂縫間距得到鋼筋的伸長量，混凝土協(xié)同變形保持相應(yīng)的伸長量即得到混凝土裂縫。同時(shí)公式還

19、考慮了裂縫的不均勻性（），荷載短期作用、長期作用下混凝土收縮、應(yīng)力松弛、徐變等因素（cr） 對裂縫寬度加以修正。2裂縫寬度影響因素裂縫公式由四個部分組成，第一部分為鋼筋的應(yīng)變，由該部分公式可以看出，由于鋼筋各個不同鋼號（HRB400、HRB335）之間的彈性模量幾乎沒什么差別，因此當(dāng)混凝土鋼筋由裂縫控制時(shí)，一般不用三級鋼筋（HRB400），因?yàn)殇摻顟?yīng)力遠(yuǎn)未達(dá)到300N/mm2時(shí)砼裂縫就超過了規(guī)范限值。若不存在批量訂貨問題，可使用HRB335鋼筋即可。第二部分為裂縫平均間距，由本部分公式可以看出，在配筋面積相同情況下（即te相同），鋼筋越是細(xì)而密，裂縫計(jì)算寬度越??；另外，混凝土保護(hù)層厚度c對裂縫寬度也有直接影響。開裂前混凝土和鋼筋協(xié)同變形，由平截面假定，鋼筋應(yīng)變與混凝土邊緣的裂縫寬度呈線性關(guān)系，即砼保護(hù)層c越大裂縫也越大。但從工程宏觀角度看，控制裂縫其中一個重要的原因是為了保護(hù)鋼筋不銹蝕，應(yīng)該是保護(hù)層越厚對鋼筋保護(hù)越好，為此規(guī)范規(guī)定當(dāng)c65時(shí)取c=65。但是還是沒有很好的解釋這一矛盾，在實(shí)際的工程計(jì)算中，設(shè)計(jì)為了在計(jì)算上湊夠最大裂縫寬度小于規(guī)范限值，有時(shí)減小保護(hù)層厚度c比增加截面高度更有效。如天津于家堡的抗拔樁裂縫驗(yàn)算，在華東院、北京院、建設(shè)部院、天津市院、天津華匯以及我院共同參加的技術(shù)會議中，經(jīng)過討論，在樁身裂縫驗(yàn)算時(shí)混凝土