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抗浮建筑浮力计算取值的探讨
言
本文通过对《建筑工程抗浮技术标准》JGJ476-2019(以下简称《标准》)中,承压水头产生的浮力及浮力总和计算等相关条文内容的探讨,对浮力计算中土层重度取值及浮力总和计算方法等内容提出了不同的表达方式,分析了原因,并提出相关建议。
1. 引言
近年来,建筑工程抗浮的安全性、经济性等受到越来越多的关注。《建筑工程抗浮技术标准》JGJ 476-2019,综合了建筑、市政、水电、港工、轨道交通、公路等多个行业涉及抗浮问题的技术内容,对解决各行业共性的抗浮技术问题,提出了全面的、系统的设计标准,对规范、指导工程抗浮设计,保证工程抗浮的安全性、适用性、经济合理性等有重要的意义。本文通过对《标准》6.2节浮力取值的部分内容认真分析,并结合作者个人工作经验,认为《标准》6.2节浮力取值表达式取值有待商榷,部分情况下提高了抗浮标准,需待大家进一步深入探讨。
2.《标准》条文的浮力计算表达与理解
为便于理解《标准》条文内容,本文根据条文规定内容设计了理解图示,以方便理解和说明问题。为简化模型,假设抗浮水位于地坪标高、土层为①、②、③共3层,其中②层为隔水层,承压水头稍高于地坪,结构底板稍低于①、②层交界,嵌于②层土。
1)静水位(抗浮水位)下浮力值的《标准》规定与理解图一:
6.2.1式的表达很易理解,不再赘述。
2)承压水条件下浮力值的《标准》规定与图解图二:
本条包括了2-1、2-2两个表达式,2-2式是2-1计算为负值时的补充,即计算为负时,直接赋值为“0”,以下不再讨论2-2式情况。
商榷一:式中重度取值为浮重度,工程意义不对。如果隔水层完全不透水,显然其压重即为自重,表达式应为: pw-γ*hc (γ=隔水层重度)。当隔水层存在由下向上渗流时,按下列两种极端情况模型进行分析:
模型A1,基底设计有排水措施,渗流到基础底的水不积集(有排水措施)。此时隔水层对水压力的平衡应包括浮重度,即《标准》采用的指标,但由于水是由下向上渗流的,因此尚应扣除水的自重影响,即水的比重,结果的总效应是浮重度+水重度,即为土层的饱和重度。此结论也可用抗渗流稳定计算的重度取值进行佐证,见《地基基础设计规范》GB50007-2011附录W.0.1的抗渗流稳定表达式,式中重度为饱和重度。实质上W.0.1的验算情况即为本条2-2式表达的内容,即承压水压力小于隔水层重,方能保证土体渗流稳定。本条2-1为承压水压力较大情况,即扣除隔水层重后,尚有剩余压力浮托基础底板,即底板受到的浮力。表达式:pw-γ*hc。
模型A2,基底没有排水措施,如果承压水水量无限,且渗流时间足够长。在此模型情况下,基础周边水位将上升,最终水头达到承压水头高度。此时底板受到的浮力是pw-γw*hc (γw=水重度)。
从以上两个模型来看当基底受到承压水压力作用时,此压力应为模型A1计算值与模型A2计算值之间的数值。其中模型A1是最小可能压力pw-γ*hc,模型A2是最大可能压力pw-γw*hc。
3)浮力标准值总和的规定与图解图三:
本条规定了浮力标准值总和为6.2.1、6.2.2、6.2.3(水平向渗透压力,本文不讨论)3种情况结果的代数和。
商榷二:浮力标准值总和取各项式的代数和,工程意义不明确,当工程属于6.2.1、6.2.2工况时,各自表达的计算是正确的(6.2.2改后),但当抗浮水位、承压水按图示综合作用时,分别验算的工况简单叠加,来计算总浮力是不合理的。如图三所示两种水位共同作用情况,现采用两种模型进行讨论。
模型B1:基础底板与土层间是透水的(这是工程一般实际情况),此时在板底标高的水压仍是6.2.1式Fw,此时承压水也由底板标高的水压Fw平衡而不再发生竖向渗流。如果承压水头较高,计算有Ffc>Fw时(如果有的话),则此时竖向渗流还会发生,水位会升到承压水头高度。此模型情况时间和模型A2基本一样,即由最终水头决定底板压力。既由静水位和承压水头的计算的基底浮力较高值决定基底浮力。
模型B2:基础底板与土层间为不透水时,此时底板受到的浮力为承压水计算浮力Ffc。而静水位的水对结构只有侧墙压力,而没有底板浮力。
通过静水位与承压水共同作用的分析表明,不论承压水头与静水位的高度关系如何,基础底板最多只能受到两种工况计算压力较大值的作用,而不是分别计算的代数叠加。
3. 对《规范》条文的浮力计算表达式建议
通过前面的分析、讨论,《标准》条文6.2.2、6.2.4的浮力计算式,表达的工程意义不明确,因此提出以下建议:
1)承压水条件下浮力值表达式6.2.2-1的取值建议采用范围值,具体浮力取值受到抗浮治理措施、隔水层渗透性、隔水层厚度及水头高度等因素影响,应根据工程情况确定。浮力值范围为模型A1计算值与模型A2计算值之间的数值,即有:(pw-γ*hc)< Ffc <(pw-γw*hc)。
2)静水位(抗浮水位)与承压水、稳定渗流共同作用时,采用三者分别计算的代数叠加与共同作用分析结果有出入。前面分析表明,静水位与承压水共同作用时,是二者的分别作用较大值对工程底板压力起到决定作用。因此,《标准》6.2.4的浮力计算式,建议取静水位浮力与承压水浮力二者中的较大值,与水平渗流作用叠加。
4. 总结
本文对《标准》6.2.2、6.2.4的浮力计算问题进行了分析探讨,提出了其中个别表达式有待商榷或完善,并提出相关建议。欢迎同行批评指正。
【作者简介】
张建良, 高级工程师, 一级注册结构工程师, 北京市施工图审查协会技术委员会委员, 北京城建信捷轨道交通工程咨询有限公司审查工程师, 从事结构专业施工图审查工作。
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