斜坡上地下室抗浮設(shè)計(jì)的數(shù)值分析

李慧慧，熊曉亮，葛佩倩，楊磊

(1.杭州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州　310012；　2.杭州澳海控股有限公司，浙江 杭州　310000)

1　工程概況

本工程建設(shè)總用地面積18 800 m2，設(shè)2層地下室。南側(cè)自然地面標(biāo)高(絕對(duì)標(biāo)高，余同)為 17.50 m～22.50 m，北側(cè)自然地面高度為 12.50 m，東側(cè)和西側(cè)道路呈一定坡度，兩層地下室底板標(biāo)高為 2.50 m。建筑物采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，局部采用抗浮錨桿，地下室及其周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1地下室及其周邊環(huán)境平面圖

本工程地下室位于斜坡上，場(chǎng)地內(nèi)主要土層為粉質(zhì)黏土混礫砂，滲透性較強(qiáng)。四周場(chǎng)地高差較大，從總體地勢(shì)來看，場(chǎng)地東南方向地勢(shì)較高，北側(cè)臨道路較低。抗浮設(shè)防水位按建筑物室外地坪下 0.5 m設(shè)防，因地下室周邊地勢(shì)起伏不定，應(yīng)注意沿山坡高程差異設(shè)置不同抗浮設(shè)防水位。

2　傳統(tǒng)方法計(jì)算難點(diǎn)

對(duì)于抗浮設(shè)防水位計(jì)算，相關(guān)規(guī)范建議設(shè)置長(zhǎng)期水位觀測(cè)孔對(duì)地下水位進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，但是本工程前期未設(shè)置觀測(cè)井，且后期工期較緊，傳統(tǒng)方法不適合本工程項(xiàng)目。對(duì)于有斜坡地段的地下室抗浮水位應(yīng)考慮地下水滲流的影響，采用靜水壓力計(jì)算浮力時(shí)，應(yīng)根據(jù)土層滲透系數(shù)做相應(yīng)折減[1～2]。張?jiān)诿髡J(rèn)為水在土體中多為流動(dòng)狀態(tài)，由滲流引申出來的孔隙水壓力分析是地下水對(duì)建筑工程作用分析的基礎(chǔ)[3]。邱向榮等認(rèn)為由于地下水滲流的復(fù)雜性，要定量確定滲流穩(wěn)定時(shí)間和因滲流造成的水頭損失較為困難[4]。

因此，在缺少現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)且場(chǎng)地地形復(fù)雜的情況下，采用數(shù)值計(jì)算方法可以很好地定量計(jì)算底板所受浮力，同時(shí)彌補(bǔ)了靜水壓力計(jì)算方法不能考慮滲流的缺陷。

3　三維滲流數(shù)值分析

在傳統(tǒng)的抗浮設(shè)計(jì)水位確定方法中，一般按照靜水壓力計(jì)算抗浮水位，再根據(jù)土層性質(zhì)和地下室在不同土層的相對(duì)位置選取一個(gè)折減系數(shù)，這種方法經(jīng)驗(yàn)性太強(qiáng)，只能定性地大概選取一個(gè)水位，而且當(dāng)?shù)叵率覂蓚?cè)自然地面標(biāo)高多變時(shí)，模型復(fù)雜，不易計(jì)算。

數(shù)值模型可以根據(jù)場(chǎng)地的地形變化，綜合分析，合理建模，同時(shí)充分考慮不同土層的滲透性造成的水頭損失，與傳統(tǒng)方法相比有其巨大優(yōu)勢(shì)。

3.1　三維穩(wěn)定流基本方程

穩(wěn)定流分析是指巖土內(nèi)部和外部的邊界條件不隨時(shí)間變化的分析，不考慮土和水的壓縮性以及不存在源項(xiàng)時(shí)，均質(zhì)各向異性水頭函數(shù)所滿足的基本方程為[5]：

(1)

其中：h為總水頭，kx、ky、kz分別為x方向、y方向和z方向的滲透系數(shù)。當(dāng)已知邊界條件，便可求解此微分方程，巖土物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

巖土物理力學(xué)指標(biāo)表　　　　　　　　　表1

3.2　模型概況

為使計(jì)算結(jié)果更適合分析，模型做適當(dāng)簡(jiǎn)化，如圖2所示，最高水位取豐水期水位，位于地表下 0.5 m，北側(cè)較高處和南側(cè)較低處節(jié)點(diǎn)壓力水頭均為地面下 0.5 m。東西側(cè)路面呈一定坡度，作為滲流面考慮。底板及側(cè)墻為不透水邊界。

圖2　數(shù)值計(jì)算模型

3.3　數(shù)值計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，底板南側(cè)孔隙水壓力最大，約為 184 kPa，即總水頭約 20.9 m，南側(cè)孔隙水壓力最小，約為 96 kPa，即總水頭約 12.10 m，數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖3所示。抗浮設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)底板水頭分布及上部荷載情況，分塊合理確定不同區(qū)域抗浮設(shè)防水位，合理進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。

圖3　數(shù)值計(jì)算結(jié)果云圖

4　結(jié)　論

對(duì)于斜坡上地下室，周圍場(chǎng)地標(biāo)高變化較大，采用單一抗浮設(shè)防水位不合理，容易偏保守或偏不安全。可根據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件、周邊地形及地下室分布建立三維滲流模型，得到地下室底板處水頭分布，為建議分塊考慮地下室抗浮設(shè)防水位提供依據(jù)，具有合理性。