地下室底板受力分析的 FLAC數值模擬

劉冬 梅全義 鄧宇

地下室底板受力分析的 FLAC數值模擬

劉冬 梅全義 鄧宇

介紹了FLAC數值模擬的基本原理,針對成都某高層建筑地下室底板變形開裂事故,利用FLAC數值模擬地下室底板在無頂板、有頂板無覆土、有頂板加覆土條件下的受力變形情況,揭示了該高層建筑地下室底板開裂的原因,并提出了合理的加固處理措施。

FLAC,地下室底板,開裂,加固

1 工程概況

成都市某高層建筑由 20層主樓及多層裙房組成,鋼筋混凝土框架剪力墻結構,主要柱網為 7.5m×7.8m,一層地下室,埋深5.4m。該工程主樓基礎采用筏板基礎,裙房部分采用柱下獨立基礎及墻下條形基礎,以稍密卵石層作為基礎持力層,地基承載力特征值為 fak=350 kPa。其中,抗浮設計水頭高度為 5.4m。該工程地下室底板厚度為 500 mm,基礎梁截面為 500 mm×1 000mm,基礎、底板及基礎梁混凝土強度等級為 C30。標準跨底配筋為：面筋 Φ16@150(二級鋼)雙向通長布置,支座處底筋 Φ16@100(二級鋼),標準跨基礎梁面、底筋均為 10@25(三級鋼)通長布置,縱橫各均勻布置有后澆帶。

2 地下室底板開裂事故及原因分析

2.1 地下室底板開裂事故

地下室部分施工完成時,地下室底板沒有發現明顯的裂縫,當主體結構封頂約半年后,底板開始出現少數細小裂縫;主體結構封頂一年后,底板出現了很多裂縫。地下室底板開裂情況分為兩種,一種為裂縫未完全貫通,這些裂縫大多分布在多層裙房部分的地下室范圍內;另外一種為出現貫通裂縫,長度從不到 1m到幾米不等,分布在主樓與裙房交接處附近的地下室范圍內,并出現明顯的滲漏水現象。該工程沉降觀測正常,沉降均勻。

2.2 事故原因分析

根據裂縫的產生及發展狀況,可以判定本工程地下室底板裂縫由兩方面原因造成,一種為基礎設計的缺陷,由于設計缺陷的存在,相關計算與基礎、地下室底板的實際受力狀態不符,基礎承載力達不到實際使用要求,地下室防水底板承受了比設計更大的荷載,使得結構產生較多裂縫,加之過大溫差,對地下室結構產生比較大的溫度應力,從而使裂縫發展成貫通裂縫,導致地下室底板出現開裂事故;另外一種原因為地下室頂板上反壓覆土自重不夠造成,該部分是由于地下室整體抗浮不能滿足設計要求導致裂縫出現。

3 FLAC模擬地下室底板受力變形情況

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua),是以拉格朗日差分法為基礎的一種數值模擬方法,是基于拉格朗日差分法的一種顯式有限差分程序。FLAC是一種利用拖帶坐標系分析大變形問題的數值方法,利用差分格式按時步積分求解[3]。

3.1 模型建立

地下室底板的受力按平面應變問題考慮,忽略其在一個方向上的變形,按照地下室底板的接觸受力情況和邊界條件,建立相應模型。對建立的模型進行材料定義,分別通過容重、粘聚力、內摩擦角、抗拉強度、彈性模量來定義不同變形體模型[4]。各模型層巖土力學參數見表 1。

表1 各模型層巖土力學參數

3.2 邊界條件、加載情況及地下水模擬

考慮邊界條件,將地下室底板模型邊界條件考慮為只能向豎向移動。在本次模擬中,將地下水考慮為恒態流,不設定初始孔隙水壓力。同時我們可以在建模的時候直接考慮地下水的作用,在建模初期將地下水的位置設定在施工后水位可以漲到的最高位置,這樣地下水對地下室底板會有一個直接的浮力作用;另外我們可以將水壓力簡化為作用在地下室底板下邊界的均布力,模擬地下室底板的受力變形情況。

3.3 參數選擇

本次模擬采用了 10個模型,分別為泥巖層、稍密卵石層、高層建筑 1、地下室底板、獨立柱基 1、獨立柱基 2、獨立柱基 3、頂板、頂板上覆土層、高層建筑 2。其中大部分模型采用 1∶1比例模擬,通過定義材料特性來還原模型受力變形情況。

3.4 受力結果分析

1)FLAC模擬地下室底板的第一種受力工況：在地下室施工完成時,采用了降水處理,地下室底板在不受地下水作用,也沒有施工獨立柱基及地下室頂板、覆土情況下,受力變形情況如圖 1所示。2)FLAC模擬地下室底板第二種工況：施工基礎及地下室頂板后,地下室底板在受到地下水作用后其變形情況如圖 2所示。由FLAC數值模擬結果可知：地下室底板在獨立柱基、頂板施工完成時,未加覆土情況下,分析其豎向位移云圖可知,地下室底板變形較大,在未加覆土,或覆土的荷載不夠時,在長期地下水受力作用下,地下室底板所受的力無法得到平衡,導致底板會出現較大變形,嚴重時底板會發生上拱,出現開裂變形事故。3)FLAC模擬地下室底板受力第三種工況：施工基礎、地下室頂板及加上覆土后,地下室底板在受到地下水作用后其變形情況如圖 3所示。

由圖 1～圖 3可知：地下室底板由于受到地下水的作用,主建筑對地基的擠壓,導致地下室底板下地基對地下室底板有一個向上的力,所以地下室底板受到的力很大,而且地下室底板下的變形值為負,說明地下室底板是上拱變形。但由于頂板上加載覆土,導致平衡底板地下水壓力的反力有所增加,所以有覆土的底板變形值較無覆土時小一些。三種工況下計算結果對比見表 2。

表2 三種工況下計算結果對比分析表 mm

4 現有規范檢算地下室底板抗浮

采用倒置樓板的假設,將地下室當作一個倒置的樓面,用《多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件》SATWE對地下室底板進行分析計算。

地下室整體抗浮檢算：地下室柱底自重力為：7.5×7.8×(17.9+12.5+18.0)+33.75=2 865 kN。

浮力設計值為：1.0×10×5.4×7.5×7.8=3 159 kN。

2 865 kN＜3 159 kN,不能滿足建筑抗浮要求。

地下室底板配筋檢算：底板標準跨軸線跨度 7.5m×7.8m,考慮到底板配筋是由裂縫寬度控制,故計算底板配筋時可取板凈跨計算,即板跨按7.1m×7.4m計算,底板按四邊固端的雙向板計算,通過檢算支座配筋Φ16@100時地下室底板裂縫寬度ωmax=0.24mm≥ωlim=0.2mm,該工程設計計算結果不滿足要求。

計算結果表明：該工程在有覆土情況下,地下室底板裂縫寬度仍然大于允許裂縫寬度,而且地下室整體抗浮不能滿足要求,說明覆土所產生的豎向荷載沒能抵抗住地下水所產生的浮力,基礎的強度檢算滿足要求,導致一部分荷載作用在地下室底板上,底板因變形過大,最終出現開裂現象。

5 結論與展望

1)通過檢算可知,該工程地下室整體抗浮未滿足設計要求,導致地下室所受地下水的一部分荷載無法得到平衡,最終作用在地下室底板上,地下室底板設計過程中未考慮該部分荷載,裂縫檢算不符合設計要求,最終導致地下室底板產生裂縫。通過對比可知：未加覆土時地下室底板在地下水作用下變形較加覆土后大,我們可以通過 FLAC數值計算將地下室底板裂縫控制在允許范圍內,來優化設計地下室頂板上覆土的加載,通過調節地下室頂板覆土的加載來有效平衡地下水的作用,作為地下室優化設計的依據。對于該部分地下室底板開裂的處理,也可以采用抗浮錨桿的處理方式。2)該工程一部分地下室底板位于有群房的位置,

柱基上部荷載可平衡地下水對地下室底板的作用,地下室整體抗浮也能滿足設計要求,但是該部分底板也出現了不同程度的開裂現象。通過對裂縫的分析可知該部分地下室底板開裂主要是由于基礎的設計缺陷,導致基礎未將上部荷載全部傳遞到地基,一部分荷載轉移到地下室底板上,導致地下室底板出現開裂。該部分裂縫的處理：a.可在地下室底板結構表面沿裂縫走向騎縫鑿出一條適當深度和寬度的 U形溝槽,然后用改性環氧樹脂填充,并粘貼纖維復合材料以封閉其表面,對于寬度較大的裂縫,應以一定的壓力將改性環氧樹脂注入裂縫腔內,進行封閉,然后再進行防水層修補[5]。b.在地下室底板上加設泄水孔,并及時將水導出,然后降水將水壓力降低,加上覆土后再將泄水孔回填。

[1]何培玲,何世玲.鋼筋混凝土結構裂縫現象與變形協調條件[J].武漢理工大學學報,2005,27(9)：17-22.

[2]余立榮,莫世海,王倫兵.某工程地下室底板開裂原因分析及處理[J].案例分析,2009,27(3)：53-54.

[3]劉 冬.武廣客運專線紅粘土地基沉降計算與預測方法研究[D].長沙：中南大學碩士學位論文,2009：72-75.

[4]趙志方,徐世烺.混凝土軟化本構曲線形狀對雙 K斷裂參數的影響[J].土木工程學報,2001,34(5)：470-473.

[5]于德湖,程道軍,張同波,等.某工程地下室底板裂縫原因分析及處理[J].施工技術,2007,36(11)：105-106.

On FLAC numeric simulation of stressed analysis of foundation slabs

LIU Dong MEIQuan-yi DENG Yu

The paper introduces the basic principle for the FLAC numeric simulation,againsthigh-rise building of foundation slab deformation crack accident in Chengdu,adopts FLAC numeric simulation for the stressed deformation of the foundation slabs with the conditions of without the apical p late,with the apical plate and without earthing,and with the apical p late and the earthing,and discloses the reasons for the slab cracks of the foundation in high-rise buildings,and points out the reasonab le intensification treatmentmeasures.

FLAC,foundation slab,crack,intensification

TU924

A

1009-6825(2011)09-0089-02

2010-11-25

劉 冬(1984-),男,碩士,助理工程師,中冶成都勘察研究總院有限公司,四川成都 610031

梅全義(1978-),男,工程師,中冶成都勘察研究總院有限公司,四川成都 610031

鄧 宇(1980-),男,碩士,工程師,中冶成都勘察研究總院有限公司,四川 成都 610031