楊新峰，劉平，馬躍

(江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，鎮(zhèn)江 212100)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人才與資本向一些超大城市集中，造成土地資源越來越少，于是人們開始把發(fā)展目光和挖掘潛力轉(zhuǎn)向了地下，出現(xiàn)了大批地下車庫(kù)、地下糧倉(cāng)[1]、地下商場(chǎng)等建筑。地下工況復(fù)雜多變，在地下水浮力作用下結(jié)構(gòu)四周和基底遭受水力侵蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上浮或傾斜、倒塌破壞，許多學(xué)者就此問題已開展研究[2-4]。越來越多的地下建筑安全事故[5]說明地下結(jié)構(gòu)與周邊土體和周邊水的相互作用機(jī)理復(fù)雜，所以有必要對(duì)該問題進(jìn)行深入研究，避免更多工程災(zāi)害發(fā)生及生命財(cái)產(chǎn)損失。

賴穎等[6]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析建筑周邊重約束對(duì)地下車庫(kù)抗浮能力的影響；於忠華等[7]基于MIDAS和ABAQUS，考慮不同底板形式，研究地下水浮力對(duì)高層建筑地下室防水性能的影響，指出可能滲水位置，Ahmed等[8]利用有限元方法研究水下建筑物底板滲流問題；曹洪等[9]推導(dǎo)出一種簡(jiǎn)化算法用于臨江地下結(jié)構(gòu)二元地層滲流分析，發(fā)現(xiàn)覆蓋層地下底板浮力中間大、四周小的規(guī)律；陸啟賢等[10]利用U形管模型試驗(yàn)裝置和孔壓計(jì)對(duì)黏土進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果證明黏土水浮力折減系數(shù)在0.84～0.87范圍內(nèi)，且折減系數(shù)與水位呈正相關(guān)；Zhou等[11]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黏性地基等弱滲透或不透水土壤的地下水浮力值明顯低于阿基米德原理值，擬合計(jì)算后，地下水浮力需要折減；Gourvenec等[12]將浮力看作環(huán)境荷載，浮力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用全部由基礎(chǔ)承擔(dān)，所以基礎(chǔ)作用是核心；李健等[13]基于某多層建筑地下車庫(kù)，探討了沉降差異、抗浮設(shè)計(jì)與筏板基礎(chǔ)大面積裂縫之間的關(guān)系；潘立[14]對(duì)混凝土筏基抗?jié)B漏抗裂驗(yàn)算的組合拉應(yīng)力、溫度做了補(bǔ)充；Chian等[15]通過動(dòng)態(tài)離心試驗(yàn)探究地震荷載下土壤性能及液化土中浮力結(jié)構(gòu)的位移變化；舒昭然等[16]基于某地下室上浮破壞案例，分析不同尺寸底板撓度變形規(guī)律，證明公式推導(dǎo)結(jié)果優(yōu)于數(shù)值模擬結(jié)果。因此，針對(duì)地下水浮力對(duì)結(jié)構(gòu)的不確定性與擾動(dòng)性，諸多學(xué)者與工程師提出了許多有效抗浮措施，包括抗拔樁、降低水位、錨桿等。孫偉武等[17]基于結(jié)構(gòu)板底傳力模式和彈塑性變形理論，提出了一種更為安全、經(jīng)濟(jì)的抗浮錨桿布置形式，利用數(shù)值模擬對(duì)該方案的性能與受力進(jìn)行分析，有利于錨桿優(yōu)化配置，徐寒[18]結(jié)合工程實(shí)例介紹了《抗浮錨桿技術(shù)規(guī)程》對(duì)抗浮錨桿的試驗(yàn)要求和錨桿極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值取值方法。目前濱海地區(qū)、地下水位較淺地區(qū)研究較少，張子涵[19]在前人研究基礎(chǔ)上提出了新抗浮試驗(yàn)思路，對(duì)土層水浮力理論與作用機(jī)制深入研究，并用數(shù)值模擬手段驗(yàn)證結(jié)果；馬婷玉[20]對(duì)雨水充沛地區(qū)抗浮樁做了詳細(xì)研究，以改善浮力較大問題；Tang等[21]分析了某地下車庫(kù)工程在暴雨作用下發(fā)生不均勻浮動(dòng)的原因，并針對(duì)性地對(duì)工程提出覆土、梁柱板加固、植筋注漿和加預(yù)應(yīng)力錨桿等措施；李國(guó)勝[22]闡述了目前地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)抗浮水位確定的現(xiàn)狀及相關(guān)規(guī)定及不同的抗浮驗(yàn)算方法，并分析不同規(guī)范對(duì)抗浮承載力的確定方法；牛志春等[23]基于實(shí)際工程某小區(qū)地下室，在原抗浮設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提出了新抗浮設(shè)計(jì)方案，新方案效益顯著；古今強(qiáng)等[24]充分閱讀參考文獻(xiàn)及地方標(biāo)準(zhǔn)，說明要對(duì)勘察建議的抗浮設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行必要調(diào)整，此外還需結(jié)合實(shí)際情況決定采用被動(dòng)抗浮或主動(dòng)抗?。荒财G君[25]的研究證明除結(jié)構(gòu)內(nèi)外剛度協(xié)同抗浮之外，結(jié)構(gòu)自身整體剛度在抗浮過程發(fā)揮重要作用。對(duì)于地下水浮力折減問題的計(jì)算，學(xué)術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)兩種不同聲音。李廣信[26]認(rèn)為地下水浮力與水浮力是一個(gè)概念，故而地下水浮力不需折減；方玉樹[27]、梅國(guó)雄等[28]認(rèn)為部分種類土的地下水浮力計(jì)算過程中需要考慮折減系數(shù)，且折減系數(shù)不定量，這些情況已經(jīng)納入實(shí)際工程規(guī)范。以上中外學(xué)者已經(jīng)對(duì)地下水浮力問題及地下結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的抗浮性能或失效機(jī)制開展了不同程度的研究。

現(xiàn)基于江蘇鎮(zhèn)江某單建式地下車庫(kù)，通過觀測(cè)位移實(shí)測(cè)值反映沿江地區(qū)結(jié)構(gòu)地下底板性能；利用ANSYS APDL數(shù)值仿真，分析有無折減工況下地下車庫(kù)底板應(yīng)力變化與位移分布，計(jì)算其抗浮能力。本文工程地下底板在地下水浮力復(fù)雜分布規(guī)律下預(yù)計(jì)需考慮折減效應(yīng)更符合實(shí)際作用情況。

1 工程及觀測(cè)數(shù)據(jù)

鎮(zhèn)江地處長(zhǎng)江與京杭大運(yùn)河交匯處，且境內(nèi)年均降雨充沛，因此有必要針對(duì)該小區(qū)地下車庫(kù)的位移變化進(jìn)行觀測(cè)，驗(yàn)證基底安全性能，位移變化數(shù)值可側(cè)面反映地下車庫(kù)底板的抗浮能力。

1.1 工程背景

以江蘇省鎮(zhèn)江市某六層小區(qū)單建式地下車庫(kù)工程作為研究對(duì)象，其中，地上建筑高度為20.4 m，建筑整體呈框架結(jié)構(gòu)，地下共一層，層高4.2 m。本文此地下車庫(kù)防水等級(jí)為二級(jí)，地下部分鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用防水混凝土，抗?jié)B等級(jí)為P6。該小區(qū)周邊房屋及人流稀少；需特別注意，京杭大運(yùn)河位于其附近300 m左右，運(yùn)河平均水深為3.2 m。

1.2 觀測(cè)方法及過程

對(duì)地下車庫(kù)的位移指標(biāo)的觀測(cè)工作將采用水準(zhǔn)控制點(diǎn)組成的閉合水準(zhǔn)網(wǎng)[29-30]方法，以預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)(由于待測(cè)目標(biāo)幅度范圍較大，基準(zhǔn)點(diǎn)布置于地下車庫(kù)南側(cè)公路上，方便監(jiān)測(cè))為本文高程基準(zhǔn)點(diǎn)，在基準(zhǔn)點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)之間建立固定的觀測(cè)路線，按國(guó)家二等水準(zhǔn)觀測(cè)精度要求進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在地下車庫(kù)共布置了29個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，詳細(xì)布置圖如圖1所示。

①～軸及A～L軸為CAD軸線

1.3 數(shù)據(jù)觀測(cè)結(jié)果

取暴雨之后測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8發(fā)現(xiàn)上浮后的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，上浮位移如表1所示；采取加固措施后，底板上浮開始回落，趨于穩(wěn)定，取地下車庫(kù)中間軸線G軸和次中間軸線E軸上的各6個(gè)測(cè)點(diǎn)分析，全部觀測(cè)工作量分12 d完成，歷時(shí)205 d，考慮到數(shù)據(jù)龐大和計(jì)算分析的參考性，12 d觀測(cè)天數(shù)按時(shí)程均勻取5 d，變化位移如表2、表3所示。

1.4 數(shù)據(jù)分析

將表1數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖2所示，分析測(cè)點(diǎn)上浮值隨時(shí)間變化趨勢(shì)，探究地下車庫(kù)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間上浮或沉降的總體趨勢(shì)。

表1 暴雨后測(cè)點(diǎn)7、8上浮值

由圖2可知，兩測(cè)點(diǎn)時(shí)程變化的上浮值總體趨勢(shì)比較接近，可證明觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性；且暴雨之后地下水浮力較大，導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)上浮，后期則會(huì)回落，說明地下結(jié)構(gòu)性能受浮力影響較大。

圖2 暴雨后測(cè)點(diǎn)7、8上浮位移曲線圖

將表2和表3數(shù)據(jù)繪制成曲線，分別如圖3和圖4所示，分析同一天底板四周與中央的位移分布，初步總結(jié)地下底板浮力變化規(guī)律。

表2 G軸測(cè)點(diǎn)時(shí)程觀測(cè)數(shù)據(jù)

表3 E軸測(cè)點(diǎn)時(shí)程觀測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 G軸測(cè)點(diǎn)位移曲線

圖4 E軸測(cè)點(diǎn)位移曲線

由圖3、圖4可知，G軸和E軸的曲線變化趨勢(shì)總體比較相似，位移以上浮為主，后期反映為沉降。兩軸中間測(cè)點(diǎn)(如測(cè)點(diǎn)14、15、20、21)的位移比邊緣測(cè)點(diǎn)(如測(cè)點(diǎn)12、17、18、23)要低，初步說明地下車庫(kù)中央部位的地下水浮力較四周邊緣位置要小，且沉降現(xiàn)象亦可總結(jié)反映出此規(guī)律。

2 計(jì)算與討論

采用通用有限元軟件ANSYS APDL平臺(tái)，完成地下車庫(kù)整體結(jié)構(gòu)建模(包括梁柱框架，側(cè)墻、板及周邊巖土邊界層)、施加車庫(kù)底板下部水浮力荷載、運(yùn)行計(jì)算，由數(shù)值模擬結(jié)果研究浮力分布規(guī)律及結(jié)構(gòu)整體抗浮效果。

2.1 有限元模型

對(duì)于墻體，采用SHELL181殼單元，從幾何角度看，為二維平面單元。地下車庫(kù)側(cè)墻體有限元計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 墻體計(jì)算模型

對(duì)于梁柱框架，采用BEAM188單元，圖6為梁柱單元的有限元計(jì)算模型。為了顯示方便，圖中采用實(shí)體顯示模式，實(shí)際上是一維線性單元。

圖6 梁柱框架計(jì)算模型

對(duì)于邊界巖土模型，采用SOLID65單元。為了在減少邊界效應(yīng)與計(jì)算效率之間達(dá)到平衡，選擇一倍車庫(kù)高度的巖土層厚度來模擬車庫(kù)下巖土層影響。一般而言，對(duì)于巖土邊界層應(yīng)該按結(jié)構(gòu)的2～3倍尺寸取值比較合適，但是本文的重點(diǎn)是關(guān)注地下水浮力因素，故假設(shè)土層力學(xué)特性均勻，選擇一倍車庫(kù)高度來計(jì)算。

墻體、梁柱、樓板等結(jié)構(gòu)在APDL網(wǎng)格命令流中均采用自動(dòng)劃分方式。結(jié)構(gòu)全部計(jì)算模型(含梁、柱、墻、樓板及地下車庫(kù)周邊巖土)如圖7所示。

黃色為車庫(kù)樓板；藍(lán)色為車庫(kù)周邊巖土層

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算加載

地下結(jié)構(gòu)抗浮失效事故[31]發(fā)生一般分為兩個(gè)階段：第一階段，地下水位處于正常變化范圍內(nèi)，基底土體承受壓應(yīng)力作用，此階段地下水位的變化并不會(huì)引起結(jié)構(gòu)大面積上浮，僅改變地下結(jié)構(gòu)位移的數(shù)值；第二階段，地下水位超過一定限值，基底土體承受拉應(yīng)力作用而破壞，此階段地下水位的上升將導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)位移的迅速增加，使結(jié)構(gòu)發(fā)生較為明顯的相對(duì)變形。

地下車庫(kù)結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)假設(shè)處于平衡狀態(tài)。破壞狀態(tài)即為暴雨后水頭4.5 m作用，此水頭為地質(zhì)勘察時(shí)的地下水位高度，按地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，基底土體已承受拉應(yīng)力作用而破壞，出現(xiàn)抗浮失效事故。

無折減工況下車庫(kù)底板下水浮力為均布荷載為，其中水頭高度H無變化，H=4.8 m，即均布荷載qb=4.8×104Pa。

對(duì)于折減工況，地下車庫(kù)長(zhǎng)度方向?yàn)?0 m、寬度方向50 m，車庫(kù)底板水浮力加載函數(shù)如式(1)所示，加載示意圖如圖8所示。

圖8 折減工況車庫(kù)底板水浮力加載示意圖

(1)

式(1)中：q為車庫(kù)底板荷載，Pa；x為地下車庫(kù)長(zhǎng)度方向距離，m；y為地下車庫(kù)寬度方向距離，m。

2.3 計(jì)算結(jié)果

基于通用有限元軟件ANSYS APDL，考慮地下水浮力有無折減兩種工況，現(xiàn)將地下車庫(kù)底板應(yīng)力與位移分布情況列出如下。

2.3.1 無折減工況底板分析

圖9為無折減工況時(shí)車庫(kù)底板的等效應(yīng)力分布云圖，可以看出，基底柱位置處應(yīng)力較大，這是工程中需要注意的地方；由于未考慮塑性階段，因此底板應(yīng)力中較大位置處已經(jīng)超出混凝土屈服強(qiáng)度14.3 MPa，其中最大值達(dá)到73 MPa；除側(cè)墻附近柱腳與底板相交處外，其余大部分板均處于彈性狀態(tài)。

圖9 無折減工況車庫(kù)底板等效應(yīng)力云圖

在無折減工況下，底板單元的位移云圖如圖10所示?？梢钥闯?，底板位移四周小、中間大，而且中間部分位移梯度非常小，表明地下車庫(kù)整體框架剛度很大。

圖10 無折減工況車庫(kù)底板位移云圖

2.3.2 折減工況底板分析

圖11為折減工況下車庫(kù)底板等效應(yīng)力分布云圖?？梢钥闯觯诨字恢脩?yīng)力較大，其余部分應(yīng)力情況正常。相比于無折減工況，折減工況下的地下水浮力折減對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力削弱效應(yīng)與位置有關(guān)，即越靠近地下車庫(kù)中央，應(yīng)力削弱效應(yīng)(比例)越大。

圖11 折減工況車庫(kù)底板等效應(yīng)力云圖

在折減工況下，底板單元的位移云圖如圖12所示。可以看出，底板位移四周小、中間大，與無折減工況下不同的是，位移最大值不出現(xiàn)在車庫(kù)中央，而是在中部位置附近區(qū)域，這是因?yàn)閷?duì)中央?yún)^(qū)域水浮力進(jìn)行了折減，而離中部位置遠(yuǎn)的位置折減系數(shù)較小、水浮力較大。

圖12 折減工況車庫(kù)底板位移云圖

2.3.3 豎向反拱位移對(duì)比

將圖1中軸線6與軸線8反拱位移測(cè)量值與非折減工況、折減工況位移值進(jìn)行比較。圖13(a)中，靠近墻位置，反拱值較小，但增長(zhǎng)幅度較大。這是因?yàn)閭?cè)墻處重力較大，與水浮力相平衡，位移較小。3種工況均展現(xiàn)出這種規(guī)律，但是實(shí)測(cè)值較計(jì)算值有些滯后，這是因?yàn)閷?shí)際施工時(shí)側(cè)墻位置如地下柱、條形基礎(chǔ)等在計(jì)算模擬時(shí)并未考慮。圖13(b)中3條曲線的規(guī)律分布與圖13(a)基本一致，實(shí)測(cè)值曲線右側(cè)趨于平緩是因?yàn)樵撐恢每拷噹?kù)入口，車庫(kù)入口剛度限制其位移變化。

圖13 8軸位置豎向反拱曲線

通過圖13 3種情況下反拱位移的對(duì)比分析，無論數(shù)值還是規(guī)律，考慮折減工況后的計(jì)算結(jié)果均較非折減的結(jié)果更符合實(shí)測(cè)情況。因此可認(rèn)為，地下水浮力作用雙線性正弦折減規(guī)律適用于所研究工程。

3 結(jié)論

通過對(duì)鎮(zhèn)江市某六層小區(qū)單建式地下車庫(kù)工程進(jìn)行位移觀測(cè)分析及結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真模擬，研究地下底板在地下水浮力是否折減兩種工況下的抗浮效應(yīng)，得出如下結(jié)論。

(1)地下車庫(kù)工程采用大面積地下底板時(shí)，出于安全考量和工程整體效益，計(jì)算工況需要考慮地下水浮力的折減效應(yīng)，可有效降低地下底板應(yīng)力和位移；根據(jù)本文數(shù)值仿真模擬結(jié)果，地下水浮力分布規(guī)律可按中間小、四周大的模型分布。

(2)地下水浮力折減工況下，地下底板位移趨勢(shì)基本呈現(xiàn)為四周小、中部大、中央小，折減工況下位移數(shù)值云圖與實(shí)測(cè)結(jié)論更為吻合。

(3)地下水浮力有、無折減工況下，應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在側(cè)墻基底柱腳與地下底板相交處，實(shí)際工程中需特別注意該位置的情況，車庫(kù)中央部位應(yīng)力正常；且地下水浮力折減對(duì)應(yīng)力的削弱效應(yīng)也與位置有關(guān)，即越靠近地下車庫(kù)中央，應(yīng)力削弱效應(yīng)(比例)越大。

(4)需注意的是，本文方案是結(jié)合現(xiàn)象與檢測(cè)結(jié)果反推，屬于通過現(xiàn)象判斷機(jī)理的研究方法，而地下水與巖土具體作用機(jī)理、規(guī)律推廣，還需做進(jìn)一步的論證。