地下水位上漲對淺埋矩形框架結構受力影響研究

摘 要：地下水位上漲造成土體水土壓力的變化，進而影響結構的安全性。結合石家莊地鐵某工程實例，通過SP84軟件計算當地下水位處于地面0 m，-2 m，-4 m，-6 m和-8 m工況下，矩形框架結構的受力情況，分析頂板跨中、端部和底板跨中、端部彎矩隨地下水位上漲的變化特征。計算結果表明，隨地下水位上升淺埋矩形框架結構頂板跨中、底板跨中和頂板端部彎矩變化量均小于工程允許的變化范圍5%，底板端部彎矩增加量大于工程允許的誤差范圍5%，設計時應做加強考慮。

關鍵詞：地下水位 淺埋 矩形框架 彎矩

中圖分類號：U231 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（b）-0045-01

隨著經濟的大力發展，我國各大城市地下軌道交通建設正在如火如荼地進行，因此關于地下結構的安全性問題一直倍受關注。在一些工業發達的城市，由于地下水的大量開采，導致近幾十年地下水位急劇下降，以石家莊為例，20世紀60年代地下水水位埋深約6.00 m，現在已經下降到40 m左右，目前修建的地下軌道結構幾乎完全處于地下水位以上，從目前的使用情況來看基本不受地下水的影響。然而像城市地鐵工程這樣要求結構耐久性長達100年的公共基礎設施，研究地下水位回升對結構受力安全性影響是很有必要的。

目前，已有部分學者針對地下水位變化對地下結構安全性影響以及一些應對策略做過一定程度的研究[1-4]。借鑒這些研究的基礎上，根據石家莊地區地鐵工程區域地下水位和地鐵土建結構具體情況，通過力學計算研究地下水位回升對矩形框架結構受力影響。

1 工程概況

石家莊地鐵某車站出入口覆土3.5 m，自上而下依次為素填土，黃土狀粉質黏土和細粉砂。出入口標準段矩形框架結構寬7.7 m，高4.5 m，頂板厚0.6 m，底板厚0.7 m，側墻厚0.6 m，目前地下水位為-40 m。工程概況詳見圖 1。

人工素填土多為雜填土，成分復雜，土質不均，結構松散，工程性質較差。黃土狀粉質黏土具有濕陷性，場地內普遍分布于砂層之上，層位連續，濕陷系數δ=0.015～0.053。地下水主要接受大氣降水、地表水入滲及地下徑流補給，排泄方式以人工開采為主。

2 計算模型

假設不考慮混凝土結構因時間推移而產生的鋼筋混凝土構件耐久性破壞因素，不考慮地下水上漲對地層力學參數的影響，地下水位分別取-0m，-2 m，-4 m，-6 m和-8 m，其中-8m處為結構下底面邊沿。采用抗壓彈簧模擬地層力學作用，水平基床系數取值KH=30000（MPa/m），垂直基床系數取值KH=25000（MPa/m）。采用水土分算的方法計算結構受力，當地下水位為結構底面以下僅考慮土的力學作用，當地下水位位于結構底面以上考慮水的浮力作用，同時計算土體對結構的作用時減去自身的水浮力。

3 計算分析

采用SP84軟件對地下水位分別為-0m，-2m，-4m，-6m和-8m各工況進行計算，設計關鍵部位頂板跨中、頂板端部、底板跨中和底板端部計算結果如表1。

根據表中的計算數據，可知：

（1）隨著地下水位上升，頂板跨中、底板跨中受力逐漸減小，頂板端部、底板端部受力逐漸增大。

（2）當地下水位由結構底面上升到地面時，頂板跨中彎矩減小3.5%，底板跨中彎矩減小3.4%，頂板端部彎矩增加3.7%，底板端部彎矩增加8.4%。其中頂板跨中、底板跨中和頂板端部彎矩變化量均小于工程允許的變化范圍5%，底板端部彎矩增加量大于工程允許的誤差范圍5%，設計時應做加強考慮。

4 結論

從石家莊地鐵矩形框架結構地下水位上升各工況的計算結果可知，地下水位上升對結構受力效應影響比較復雜，對頂、底板結構跨中受力是有利的，減弱了受力效應，對頂、底板結構墻端受力是不利的，增強了受力效應。當地下水位由矩形框架結構底部上升到地面，結構受力計算結論如下。

（1）隨著地下水位從上升，頂板跨中、底板跨中受力呈逐漸減小趨勢，頂板端部、底板端部受力逐漸增大趨勢。

（2）頂板跨中、底板跨中和頂板端部彎矩變化量均小于工程允許的變化范圍5%，底板端部彎矩增加量大于工程允許的誤差范圍5%，設計時應做加強考慮。

參考文獻

[1]羅富榮，劉赪煒，韓煊.地下水水位上升對地鐵隧道結構的影響分析[J].中國鐵道科學，2011（1）：81-85.

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[3]馮衛星，景詩庭.地下水回升對淺埋地下結構的影響及相應對策[J].石家莊鐵道學院學報，1992（3）：12-17.

[4]袁治炳.地下工程防水的綜合治理技術[J].地下空間與工程學報，1991（1）：64-67+87.