某隱患地下室工程分析與研究

李旭鵬 王想軍

摘?要：某工程一層地下室建筑功能為車庫，總建筑面積2.1萬㎡，結構形式框架，基礎采用樁基礎+防水底板。樁基礎后樁基承載力未達到設計要求，給地下室結構帶來一定程度的安全隱患。通過有限元軟件對樁基、底板和地下結構的整體數值模擬分析，驗證樁基在承載力未達到設計時，混凝土結構構件通過塑性變形，進行內力重分布后構件承載力仍可滿足建筑結構受力需求。

關鍵詞：地下室工程;混凝土框架結構;樁基礎;隱患工程;彈性分析

1?工程概況

某工程地下一層地下室的建筑功能為車庫，總建筑面積為2.1萬㎡，建筑層高4.8m，地下室柱網間距為8.4m，結構形式采用混凝土框架結構，基礎使用樁基礎+防水底板。樓蓋采用梁板式結構，樓蓋結構平面布置及構件截面如圖1所示，頂板厚度160mm。底板也采用梁板式結構，防水底板厚度500mm，平面布置及構件尺寸如圖2所示。地下室頂板覆土厚度為1050mm，所有混凝土構件的混凝土強度等級均為C30，結構安全等級為二級，建筑抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度0.10g，設計地震分組：第一組，場地類別：Ⅲ類，地基基礎設計等級為甲級，地下室框架部分抗震等級為三級。

樁基礎采用機械成孔灌注樁，樁身混凝土強度等級C30，樁徑800mm，樁基持力層為中風化石灰巖層，單樁承載力特征值為5250KN，樁尖要求應進入完整中風化巖層內≥500mm。地下室頂部室外地面使用活荷載5 KN/m²，室內地面使用活荷載4 KN/m²，鋼筋混凝土自重按照25KN/m³，覆土自重按照18KN/m³計算^[1]。除底板采用二級鋼以外，其余部位鋼筋均采用三級鋼，地下室頂框架梁上皮縱筋為6根25，下皮縱筋為9根25，箍筋為10@150（4）;底板配筋雙向雙層16@200;地下室頂框架梁支座處上皮縱筋采用9根25，下皮縱筋7根25，箍筋為8@100/200（4）;頂板鋼筋雙向雙層16@200。

2?工程存在的隱患及出現的主要原因

2.1?工程隱患

工程竣工投入使用后，底板和地下室頂板個別部位出現不同程度的裂縫，底板滲漏后產生了輕微的結冰現象，頂板個別部位出現微小裂縫，框架梁未出現開裂現象。

2.2?隱患出現的主要原因

通過查看樁基礎施工完畢后的檢測結果，樁身完整或基本完整，部分落于持力層的樁底帶有沉渣，最小單樁極限承載力為2250KN，承載力遠低于設計要求，但此類樁沒有連續分布的情況出現^[2];檢測表明部分樁未落于持力層，落于全風化灰巖、強風化灰巖，還有部分樁底帶有沉渣。

3?地下室結構數值模擬分析

3.1?工程樁的實際豎向剛度

依據樁基試驗數據對工程樁的實際豎向剛度進行計算，工程樁根據承載力的大小分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類樁，Ⅰ類樁樁底落于全風化灰巖、強風化灰巖或者樁底有沉渣樁，承載力最低，選取《檢測報告》^[3]中承載力最低的B2-182樁（Q-S曲線如圖2（a）所示）的單樁豎向抗壓靜載試驗數據來計算Ⅰ類樁的豎向剛度。Ⅱ類樁樁底落于中風化石灰巖層，樁底有部分沉渣，單樁極限承載力高于2250KN，偏于安全的選取此類樁中承載力最低的B2-127（Q-S曲線如圖3（b）所示）樁試驗數據來模擬Ⅱ類樁的豎向剛度。Ⅲ類樁樁底落于持力層，承載力滿足設計要求的樁，選取此類樁中承載力最高的B2-142樁（Q-S曲線如圖3（c）所示）試驗數據模擬Ⅲ類樁的豎向剛度。

為真實模擬工程樁的豎向剛度對地下結構的真實影響，計算中采用柱最大豎向軸力標準值和Q-S曲線對應的位移推定樁的豎向剛度。計算時取柱最大豎向軸力標準值2400KN，Ⅰ類樁豎向剛度計算時，對圖3（a）的折線沿等斜率延伸，延伸至2400KN處，最大位移量為62.45mm，初步計算得到的初始豎向剛度值為38431KN/m，通過多次迭代計算，Ⅰ類樁實際承受的荷載小于1500KN，從Q-S曲線計算的豎向剛度較初始豎向剛度提高30%，初步等效豎向剛度K₁=1.3x38431=49960 KN/m。Ⅱ、Ⅲ類樁豎向剛度計算時，取2400KN作為等效剛度的計算點，當豎向軸力為2400KN時，B、C類樁位移量分布為15.54mm和1.978mm，等效剛度分別為K₂=154440KN/m、K₃=1213347KN/m。

3.2?樁的分布組合對地下室結構的影響

當不同類型樁的組合形式不同時，地下室結構構件內力會有所變化。為找到樁的布置形式對結構頂板和底板的不利影響，對存在Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類樁的組合進行如圖4所示的布置。

當不同類型的樁的組合形式不同時，結構的沉降量、沉降差和底板和頂板結構的彎矩設計值也不盡相同，圖4布置形式下得到結構的最大沉降、最大沉降差以及地梁、頂梁的最大彎矩設計值、底板和頂板最大彎矩設計值如表1。表1計算結果顯示，除Ⅰ+2Ⅱ（直線型）布置時地梁彎矩設計值比Ⅰ+3Ⅱ布置時的地梁彎矩設計值略大以外，其余各項數據在Ⅰ+3Ⅱ布置時均比其它樁型組合時的數據高。

鑒于Ⅰ+3Ⅱ為各種樁型組合的最不利情況，對Ⅰ+3Ⅱ樁型布置下的地下室結構分別按照梁、板剛度折減系數不同進行變形和內力計算，以便考察結構在內力重分布后的受力狀態。計算時，剛度折減系數分別取1、0.7、0.5、0.3、0.1，得到結構的最大沉降、最大沉降差、樁最大反力和最小反力標準值以及地梁、頂框架梁端和跨中最大彎矩設計值、底板和頂板端部最大彎矩設計值如表2所示。

結構變形驗算：8.4m柱距范圍的最大沉降差為17.3mm，接近《建筑地基基礎設計規范》中變形允許限值0.002L，說明地下室結構變形可滿足正常使用需求。

構件承載力驗算：地梁斜截面抗剪承載力888KN，梁端抗彎承載力1024KN·m;底板抗彎承載力159KN·m;地下室頂主框架梁斜截面抗剪承載力1175KN，梁端抗彎承載力1273KN，跨中抗彎承載力1024KN;頂板抗彎承載力M=24.4KN·m。說明地下室結構在正常使用情況下產生一定程度的塑性變形，構件內部會產生內力重分布，構件的承載力可滿足承載力要求。

4?結語

4.1 樁基工程當有部分樁承載力有欠缺時，原本缺欠樁應承擔的豎向荷載因構件內力重分布的產生轉移到周邊樁上，減輕了欠缺樁的負擔，使得承載力欠缺樁不至于出現破壞的情況。

4.2 構件在產生內力重分布后的內力仍可滿足承載力要求。

4.3 工程中存在承載力欠缺樁時，引起的不均勻沉降差可滿足《建筑地基基礎設計規范》中地基變形允許限值0.002L。

4.4 欠缺樁產生沉降后，結構梁板和底板上會出現一定程度的裂縫，但不影響到結構安全。

4.5 建議對結構進行長期觀測，如出現開裂和滲漏等情況，應及時修補，保證結構耐久使用要求。

參考文獻：

[1]GB50009-2012 建筑結構荷載規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2012.

[2]大連市勘察測繪研究院有限公司.檢測報告[R]. 2009.