黃曉麗

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城鄉(xiāng)建筑學(xué)院，福建 龍巖 364021）

由于地下建筑的設(shè)計與開發(fā)，在有限的空間內(nèi)可將使用空間做到空間最大化，這對于現(xiàn)代城市高速發(fā)展空間越來越不足的問題具有重要意義。目前的地下建筑結(jié)構(gòu)按照材料可以分為磚墻結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等類型，針對不同的建筑負載需求選擇不同的建筑結(jié)構(gòu)［1］。然而無論哪種地下建筑結(jié)構(gòu)，由于地下建筑與地下水之間的距離較小，當?shù)叵滤簧邥r，會給建筑底板甚至外墻部分施加應(yīng)力，破壞地下建筑結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生滲漏、破裂和變形等現(xiàn)象，影響地下建筑的正常使用［2］。

為解決上述問題，在地下建筑投入使用之前，對其外部結(jié)構(gòu)進行防水施工。防水施工融合了屋面、地下室、外墻等防水施工工藝。為提高地下建筑的防水施工質(zhì)量，制定相應(yīng)的防水規(guī)范，為防水施工提供了質(zhì)量的衡量保證。在建筑結(jié)構(gòu)的防水施工中，首先需要確定施工的范圍，即根據(jù)防水位的測定結(jié)果劃分施工區(qū)域。由此可見，防水位的測定結(jié)果直接影響著防水施工的質(zhì)量，現(xiàn)階段國內(nèi)外先后提出了多個防水位測定方法，林文華等［3］提出考慮堆填界面軟化及地下水位波動的大型棄渣場邊坡穩(wěn)定性測定方法；許歡等［4］提出水平排水孔地下水位線附近淤堵機理測定方法。將上述傳統(tǒng)的防水位測定方法應(yīng)用到實際的地下建筑防水工程的施工工作中，引入抗力平衡的概念，抗力是地下建筑結(jié)構(gòu)承受作用效應(yīng)的能力，在建筑結(jié)構(gòu)不變形的情況下，建筑結(jié)構(gòu)的抗力與應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，可以得出建筑結(jié)構(gòu)的受力分析結(jié)果，并由此測定出施工的防水位。與傳統(tǒng)的測定方法相比，基于抗力平衡的地下建筑結(jié)構(gòu)施工防水位測定方法考慮了地下建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的抗力平衡與變化情況，降低動態(tài)誤差的產(chǎn)生，間接地提升測定結(jié)果的精度。

1 抗力平衡下的地下建筑結(jié)構(gòu)施工防水位測定方法設(shè)計

1.1 構(gòu)建地下建筑結(jié)構(gòu)模型

考慮到數(shù)值計算的精度和效率，使用工程結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真軟件建立地下建筑結(jié)構(gòu)的有限元模型。以地下建筑平面圖為基礎(chǔ)，選取某鋼筋混凝土防水板區(qū)格，采取混凝土和鋼筋網(wǎng)分開的形式來建立混凝土底板模型，構(gòu)建結(jié)果見圖1。

圖1 地下建筑結(jié)構(gòu)模型

地下建筑主要承載構(gòu)件是底板、柱、梁、頂板和剪力墻，在實際的受力平衡分析中，僅考慮主要承載構(gòu)件，采用基礎(chǔ)單元進行數(shù)值模擬［5］。有限元模型中接觸面上的應(yīng)力與相對位移關(guān)系可以表示為：

其中，[D]和{w} 分別表示接觸面的應(yīng)力和位移矩陣，kn和ks為切向和法向上的應(yīng)力值，w n和ws對應(yīng)的是切向和法向的相對位移。

1.2 安裝抗力傳感器

采用超穩(wěn)表壓型154 N 壓力傳感器，該設(shè)備與介質(zhì)相容，外部壓力可通過不銹鋼金屬膜片和內(nèi)部充滿液體的硅油傳遞給傳感器的敏感元件［6-7］。表壓式壓力傳感器結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 表壓型壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)歐姆定律可知，壓力傳感器中的半導(dǎo)體材料的電阻可以表示為：

其中，r、L和S分別為導(dǎo)體的電阻率、長度和橫截面積，最終的結(jié)果R為導(dǎo)體的電阻值。

1.3 利用抗力平衡原理計算地下建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力

在構(gòu)建的地下建筑結(jié)構(gòu)模型下，通過抗力傳感器與測定設(shè)備收集實時數(shù)據(jù)，并遵循抗力平衡原理，分布從抗力和應(yīng)力2個方面進行建筑結(jié)構(gòu)的受力分析［8-9］。地下建筑結(jié)構(gòu)中的底板部分的受力情況，如圖3。

圖3 地下建筑底板受力示意圖

在圖3 表示的受力分布特性中，底板的反力與基礎(chǔ)剛度和強度有關(guān)，而底板應(yīng)力與其反力有關(guān)［10-11］。假設(shè)底板承受的地下水應(yīng)力為均勻荷載，則底板的剛度可以表示為：

其中，變量 EI表示底板的縱向抗彎剛度，l和Ls分別表示底板的計算跨度和相鄰底板承重梁之間的間距［12］。除了縱向剛度外，若施工防水位設(shè)置不準確，地下水就可能蔓延到地下建筑兩側(cè)，并產(chǎn)生水平剛度。根據(jù)剛度定義可以將水平剛度表示為：

其中，q(x)和d(x)分別表示在地下建筑兩側(cè)地下水的作用下，結(jié)構(gòu)的水平作用力和法向位移。綜合公式（5）和公式（6）的計算結(jié)果，在雙向應(yīng)力作用下彈性體主拉應(yīng)力出現(xiàn)時，節(jié)點的抗裂度與剪應(yīng)力的大小相等，方向相反［13-14］。節(jié)點的抗裂強度如下：

其中， Rf表示最大剪應(yīng)力，σz和σL分別表示不同地下建筑位置上的軸向應(yīng)力。遵循抗力平衡原理如下關(guān)系式成立。

其中， KT表示穩(wěn)定性因素，Rc表示增加支撐面因素， Fl表示維持支撐面因素。根據(jù)公式（7）中任意一個未知變量的具體取值結(jié)果，可以得出施工防水位的理論測定結(jié)果。

1.4 實現(xiàn)地下建筑結(jié)構(gòu)施工防水位測定

在進行地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工過程中，采用重復(fù)采集動態(tài)曲線比擬法，求取地下水位的埋深序列，結(jié)合抗力平衡的應(yīng)力分析結(jié)果求得抗浮水位的具體取值，以達到施工設(shè)防的要求。利用地下水平衡方程對地下水位變化進行了分析。定義某一含水層地下水補給量計算總和Qr，進而得出目標施工地點對應(yīng)位置上地下水的儲量變化值Q，那么抗浮水位可以表示為：

其中，Qd表示地下水的消耗量。

考慮勘探孔水位與抗浮水位埋深之間的關(guān)系，確定最終的防水位測定結(jié)果［15］。另外受到臺風、人為干擾等外界因素的影響，地下建筑施工區(qū)域的地下水處于實時波動的狀態(tài)，因此測定的施工防水位也呈現(xiàn)出動態(tài)變化狀態(tài)，為了保證建筑結(jié)構(gòu)施工的絕對安全，需要控制設(shè)置的防水位與抗浮水位之間的距離在30 mm以上。

2 工程分析及結(jié)果

為驗證設(shè)計方法的性能以及在實際地下建筑施工中的應(yīng)用效果，選擇實際的建筑工程作為研究背景和對象進行實驗驗證，并通過與傳統(tǒng)測定方法的對比，體現(xiàn)出設(shè)計方法的運行與應(yīng)用優(yōu)勢。

2.1 地下建筑工程概況

為了最大程度地降低實驗對實際工程的破壞和影響，選擇某市未完工的高層建筑作為研究對象，該建筑工程項目分為地上和地下2個部分，地上28層，地下3層，大約93 m，地面建筑結(jié)構(gòu)屬于框架-核心的筒狀結(jié)構(gòu)。而地下建筑由地下室和地下車庫2 層組成，地下室主要用來居住和存放雜物，地下車庫用來停放車輛。根據(jù)地質(zhì)工程勘察中心提供的《巖土工程勘察報告》工程編號：yk2021-003中顯示的信息，選擇建筑項目區(qū)域的主要巖土層及性質(zhì)特征見表1。

表1 工程區(qū)域土層分布特征表

地下層建筑由基礎(chǔ)和抗浮板構(gòu)成，板跨大約8 m×8 m，底板面標高控制在區(qū)間［-9.8，-10.3］內(nèi)。抗浮錨采用在板跨內(nèi)設(shè)置抗浮錨的形式，根據(jù)常用的地下無梁底板厚度，選擇抗浮板0.6 m 厚度，根據(jù)最低值選擇抗浮錨，約10.4 m。在施工區(qū)域范圍內(nèi)，選擇8 個測點，分別編號為：Me - 001、Me - 002、Me - 003、Me -004、Me-005、Me-006、Me-007 和Me-008，每個測點選取4個值，不同施工地點地下水分布情況見圖4。

圖4 研究區(qū)域不同施工地點的地下水位分布情況圖

在進行建筑的防水施工之前，需要通過鋼筋、混凝土、后澆帶等工程材料得出地下建筑各個構(gòu)件材料的基本信息如表2。

表2 地下建筑構(gòu)件材料表

2.2 設(shè)置實驗測試指標與對比項

實驗分別從測定功能和應(yīng)用性能2個方面進行分析，因此設(shè)置測定精度和施工質(zhì)量作為實驗的2 個測試指標，其中測定精度是指對比實際防水位和測定防水位之間的誤差的值。最終得出的測定誤差越小，證明對應(yīng)方法的測定精度越高。另外防水施工質(zhì)量的評價測試指標綜合考慮了施工成本和施工效果，因此設(shè)置的指標為滲水次數(shù)、建筑含水率和防水施工的經(jīng)濟成本。利用實驗對比，體現(xiàn)出設(shè)計測定方法的優(yōu)勢，實驗還設(shè)置了基于抗力平衡的地下建筑結(jié)構(gòu)施工防水位測定方法、考慮堆填界面軟化及地下水位波動的大型棄渣場邊坡穩(wěn)定性測定方法［3］和水平排水孔地下水位線附近淤堵機理測定方法［4］作為實驗的兩個對比方法，在相同的實驗背景下對同一地下建筑進行測定與防水施工。

2.3 描述實驗過程

按照3 種防水位測定方法的運行流程，得出最終的防水位測定結(jié)果。由于設(shè)計的測定方法應(yīng)用了抗力平衡理論，因此，得出相應(yīng)的抗力分析結(jié)果如圖5。

圖5 地下建筑底板施工抗力分析示意圖

根據(jù)圖5 可知，地下建筑底板施工抗力分布數(shù)值控制在-13.2 到18.5 之間，呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，負值占據(jù)大部分比重，通過與設(shè)置防水位數(shù)據(jù)的比對，便可以得出反映測定精度的測試結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，分別通過選擇防水材料、調(diào)整建筑施工結(jié)構(gòu)、防水卷材工藝施工等步驟，完成對地下建筑對象的防水施工處理。在地下建筑的底板下部增加地下水，利用測量設(shè)備測試滲水率和含水量，觀察建筑的漏水情況。

2.4 實驗結(jié)果對比分析

2.4.1 防水位測定精度對比結(jié)果

由于不同地下建筑位置上的地下水分布不同，因此，在研究對象上設(shè)置多個測點，從而保證實驗結(jié)果的準確性。地下水水位測點和施工區(qū)域如圖6。

圖6 地下建筑施工區(qū)域水位測點圖

根據(jù)圖6可知，地下建筑施工區(qū)域水位8個測點分別為地表水位、上層滯水位、測壓水位、潛水位、潛水含水位、隔水層、越流層和承壓含水層。經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與處理，得出防水位測定精度的實驗測試結(jié)果如表3。

表3 防水位測定精度測試結(jié)果

從表3 中可以看出，考慮堆填界面軟化及地下水位波動的大型棄渣場邊坡穩(wěn)定性測定方法［3］和水平排水孔地下水位線附近淤堵機理測定方法［4］、基于抗力平衡的地下建筑結(jié)構(gòu)施工防水位測定方法測定的防水位高程與設(shè)置實際的防水位高程平均誤差分別是0.837 5、0.148 75 和0.032 5 m，3 種方法的對比誤差0.805 m，由此可見設(shè)計方法的測定誤差更小，測定精度更高。

2.4.2 防水施工質(zhì)量評價結(jié)果

地下建筑結(jié)構(gòu)防水的5 個施工區(qū)域分別編號為Ar-001、Ar-002、Ar-003、Ar-004 和Ar-005，具體分布如圖7。

圖7 地下建筑結(jié)構(gòu)防水的5個施工區(qū)域圖

表4 表示的是應(yīng)用不同防水位測定方法下，地下建筑結(jié)構(gòu)防水施工結(jié)果的質(zhì)量評價結(jié)果。

表4 防水施工質(zhì)量評價結(jié)果

從表4 中可以直觀地看出，相比于考慮堆填界面軟化及地下水位波動的大型棄渣場邊坡穩(wěn)定性測定方法［3］和水平排水孔地下水位線附近淤堵機理測定方法［4］，應(yīng)用設(shè)計防水位測定方法的施工成本更低，發(fā)生滲水現(xiàn)象的次數(shù)更少。從建筑材料的含水率方面來看，應(yīng)用3 種測定方法下平均含水率分別為0.138%、0.046%和0.003%。綜上所述，將設(shè)計的防水位測定方法應(yīng)用到實際的地下建筑防水施工工程中的質(zhì)量更好，應(yīng)用性能更佳。

3 結(jié)論

文章運用抗壓平衡原理，實現(xiàn)了防水位的精確測量，間接提高了防水施工效果，同時也提高了建筑行業(yè)的集中度，增強了建筑發(fā)展的競爭力。通過實驗得到：基于抗力平衡的地下建筑結(jié)構(gòu)施工防水位測定方法測定的防水位高程與設(shè)置實際的防水位高程平均誤差是0.032 5 m，設(shè)計方法的測定誤差更小，測定精度更高；應(yīng)用設(shè)計防水位測定方法的施工成本更低，發(fā)生滲水現(xiàn)象的次數(shù)更少；從建筑材料的含水率方面來看，應(yīng)用3 種測定方法下平均含水率為0.003%，將設(shè)計的防水位測定方法應(yīng)用到實際的地下建筑防水施工工程中的質(zhì)量更好，應(yīng)用性能更佳。