考慮地下水浮力分布規律某工程地下底板抗浮性能分析

楊新峰，劉平，馬躍

(江蘇科技大學土木工程與建筑學院，鎮江 212100)

隨著中國經濟的快速發展，人才與資本向一些超大城市集中，造成土地資源越來越少，于是人們開始把發展目光和挖掘潛力轉向了地下，出現了大批地下車庫、地下糧倉[1]、地下商場等建筑。地下工況復雜多變，在地下水浮力作用下結構四周和基底遭受水力侵蝕，導致結構上浮或傾斜、倒塌破壞，許多學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]說明地下結構與周邊土體和周邊水的相互作用機理復雜，所以有必要對該問題進行深入研究，避免更多工程災害發生及生命財產損失。

賴穎等[6]通過現場實測和數值模擬相結合的方法，分析建筑周邊重約束對地下車庫抗浮能力的影響；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]推導出一種簡化算法用于臨江地下結構二元地層滲流分析，發現覆蓋層地下底板浮力中間大、四周小的規律；陸啟賢等[10]利用U形管模型試驗裝置和孔壓計對黏土進行試驗，結果證明黏土水浮力折減系數在0.84～0.87范圍內，且折減系數與水位呈正相關；Zhou等[11]通過試驗發現，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，擬合計算后，地下水浮力需要折減；Gourvenec等[12]將浮力看作環境荷載，浮力對結構的作用全部由基礎承擔，所以基礎作用是核心；李健等[13]基于某多層建筑地下車庫，探討了沉降差異、抗浮設計與筏板基礎大面積裂縫之間的關系；潘立[14]對混凝土筏基抗滲漏抗裂驗算的組合拉應力、溫度做了補充；Chian等[15]通過動態離心試驗探究地震荷載下土壤性能及液化土中浮力結構的位移變化；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律，證明公式推導結果優于數值模擬結果。因此，針對地下水浮力對結構的不確定性與擾動性，諸多學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]基于結構板底傳力模式和彈塑性變形理論，提出了一種更為安全、經濟的抗浮錨桿布置形式，利用數值模擬對該方案的性能與受力進行分析，有利于錨桿優化配置，徐寒[18]結合工程實例介紹了《抗浮錨桿技術規程》對抗浮錨桿的試驗要求和錨桿極限承載力標準值取值方法。目前濱海地區、地下水位較淺地區研究較少，張子涵[19]在前人研究基礎上提出了新抗浮試驗思路，對土層水浮力理論與作用機制深入研究，并用數值模擬手段驗證結果；馬婷玉[20]對雨水充沛地區抗浮樁做了詳細研究，以改善浮力較大問題；Tang等[21]分析了某地下車庫工程在暴雨作用下發生不均勻浮動的原因，并針對性地對工程提出覆土、梁柱板加固、植筋注漿和加預應力錨桿等措施；李國勝[22]闡述了目前地下結構設計時抗浮水位確定的現狀及相關規定及不同的抗浮驗算方法，并分析不同規范對抗浮承載力的確定方法；牛志春等[23]基于實際工程某小區地下室，在原抗浮設計的基礎上提出了新抗浮設計方案，新方案效益顯著；古今強等[24]充分閱讀參考文獻及地方標準，說明要對勘察建議的抗浮設計參數進行必要調整，此外還需結合實際情況決定采用被動抗浮或主動抗浮；牟艷君[25]的研究證明除結構內外剛度協同抗浮之外，結構自身整體剛度在抗浮過程發揮重要作用。對于地下水浮力折減問題的計算，學術領域出現兩種不同聲音。李廣信[26]認為地下水浮力與水浮力是一個概念，故而地下水浮力不需折減；方玉樹[27]、梅國雄等[28]認為部分種類土的地下水浮力計算過程中需要考慮折減系數，且折減系數不定量，這些情況已經納入實際工程規范。以上中外學者已經對地下水浮力問題及地下結構與構件的抗浮性能或失效機制開展了不同程度的研究。

現基于江蘇鎮江某單建式地下車庫，通過觀測位移實測值反映沿江地區結構地下底板性能；利用ANSYS APDL數值仿真，分析有無折減工況下地下車庫底板應力變化與位移分布，計算其抗浮能力。本文工程地下底板在地下水浮力復雜分布規律下預計需考慮折減效應更符合實際作用情況。

1 工程及觀測數據

鎮江地處長江與京杭大運河交匯處，且境內年均降雨充沛，因此有必要針對該小區地下車庫的位移變化進行觀測，驗證基底安全性能，位移變化數值可側面反映地下車庫底板的抗浮能力。

1.1 工程背景

以江蘇省鎮江市某六層小區單建式地下車庫工程作為研究對象，其中，地上建筑高度為20.4 m，建筑整體呈框架結構，地下共一層，層高4.2 m。本文此地下車庫防水等級為二級，地下部分鋼筋混凝土結構采用防水混凝土，抗滲等級為P6。該小區周邊房屋及人流稀少；需特別注意，京杭大運河位于其附近300 m左右，運河平均水深為3.2 m。

1.2 觀測方法及過程

對地下車庫的位移指標的觀測工作將采用水準控制點組成的閉合水準網[29-30]方法，以預設基準點(由于待測目標幅度范圍較大，基準點布置于地下車庫南側公路上，方便監測)為本文高程基準點，在基準點與待測點之間建立固定的觀測路線，按國家二等水準觀測精度要求進行觀測。根據現場實際情況在地下車庫共布置了29個觀測點，詳細布置圖如圖1所示。

①～軸及A～L軸為CAD軸線

1.3 數據觀測結果

取暴雨之后測點7和測點8發現上浮后的變形數據進行分析，上浮位移如表1所示；采取加固措施后，底板上浮開始回落，趨于穩定，取地下車庫中間軸線G軸和次中間軸線E軸上的各6個測點分析，全部觀測工作量分12 d完成，歷時205 d，考慮到數據龐大和計算分析的參考性，12 d觀測天數按時程均勻取5 d，變化位移如表2、表3所示。

1.4 數據分析

將表1數據繪制成曲線如圖2所示，分析測點上浮值隨時間變化趨勢，探究地下車庫結構隨時間上浮或沉降的總體趨勢。

表1 暴雨后測點7、8上浮值

由圖2可知，兩測點時程變化的上浮值總體趨勢比較接近，可證明觀測數據的可靠性；且暴雨之后地下水浮力較大，導致地下結構上浮，后期則會回落，說明地下結構性能受浮力影響較大。

圖2 暴雨后測點7、8上浮位移曲線圖

將表2和表3數據繪制成曲線，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，初步總結地下底板浮力變化規律。

表2 G軸測點時程觀測數據

表3 E軸測點時程觀測數據

圖3 G軸測點位移曲線

圖4 E軸測點位移曲線

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

2 計算與討論

采用通用有限元軟件ANSYS APDL平臺，完成地下車庫整體結構建模(包括梁柱框架，側墻、板及周邊巖土邊界層)、施加車庫底板下部水浮力荷載、運行計算，由數值模擬結果研究浮力分布規律及結構整體抗浮效果。

2.1 有限元模型

對于墻體，采用SHELL181殼單元，從幾何角度看，為二維平面單元。地下車庫側墻體有限元計算模型如圖5所示。

圖5 墻體計算模型

對于梁柱框架，采用BEAM188單元，圖6為梁柱單元的有限元計算模型。為了顯示方便，圖中采用實體顯示模式，實際上是一維線性單元。

圖6 梁柱框架計算模型

對于邊界巖土模型，采用SOLID65單元。為了在減少邊界效應與計算效率之間達到平衡，選擇一倍車庫高度的巖土層厚度來模擬車庫下巖土層影響。一般而言，對于巖土邊界層應該按結構的2～3倍尺寸取值比較合適，但是本文的重點是關注地下水浮力因素，故假設土層力學特性均勻，選擇一倍車庫高度來計算。

墻體、梁柱、樓板等結構在APDL網格命令流中均采用自動劃分方式。結構全部計算模型(含梁、柱、墻、樓板及地下車庫周邊巖土)如圖7所示。

黃色為車庫樓板；藍色為車庫周邊巖土層

2.2 結構計算加載

地下結構抗浮失效事故[31]發生一般分為兩個階段：第一階段，地下水位處于正常變化范圍內，基底土體承受壓應力作用，此階段地下水位的變化并不會引起結構大面積上浮，僅改變地下結構位移的數值；第二階段，地下水位超過一定限值，基底土體承受拉應力作用而破壞，此階段地下水位的上升將導致地下結構位移的迅速增加，使結構發生較為明顯的相對變形。

地下車庫結構初始狀態假設處于平衡狀態。破壞狀態即為暴雨后水頭4.5 m作用，此水頭為地質勘察時的地下水位高度，按地下結構的設計，基底土體已承受拉應力作用而破壞，出現抗浮失效事故。

無折減工況下車庫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。

對于折減工況，地下車庫長度方向為90 m、寬度方向50 m，車庫底板水浮力加載函數如式(1)所示，加載示意圖如圖8所示。

圖8 折減工況車庫底板水浮力加載示意圖

(1)

式(1)中：q為車庫底板荷載，Pa；x為地下車庫長度方向距離，m；y為地下車庫寬度方向距離，m。

2.3 計算結果

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，現將地下車庫底板應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為無折減工況時車庫底板的等效應力分布云圖，可以看出，基底柱位置處應力較大，這是工程中需要注意的地方；由于未考慮塑性階段，因此底板應力中較大位置處已經超出混凝土屈服強度14.3 MPa，其中最大值達到73 MPa；除側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。

圖9 無折減工況車庫底板等效應力云圖

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

圖10 無折減工況車庫底板位移云圖

2.3.2 折減工況底板分析

圖11為折減工況下車庫底板等效應力分布云圖。可以看出，在基底柱位置應力較大，其余部分應力情況正常。相比于無折減工況，折減工況下的地下水浮力折減對結構應力削弱效應與位置有關，即越靠近地下車庫中央，應力削弱效應(比例)越大。

圖11 折減工況車庫底板等效應力云圖

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，位移最大值不出現在車庫中央，而是在中部位置附近區域，這是因為對中央區域水浮力進行了折減，而離中部位置遠的位置折減系數較小、水浮力較大。

圖12 折減工況車庫底板位移云圖

2.3.3 豎向反拱位移對比

將圖1中軸線6與軸線8反拱位移測量值與非折減工況、折減工況位移值進行比較。圖13(a)中，靠近墻位置，反拱值較小，但增長幅度較大。這是因為側墻處重力較大，與水浮力相平衡，位移較小。3種工況均展現出這種規律，但是實測值較計算值有些滯后，這是因為實際施工時側墻位置如地下柱、條形基礎等在計算模擬時并未考慮。圖13(b)中3條曲線的規律分布與圖13(a)基本一致，實測值曲線右側趨于平緩是因為該位置靠近車庫入口，車庫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比分析，無論數值還是規律，考慮折減工況后的計算結果均較非折減的結果更符合實測情況。因此可認為，地下水浮力作用雙線性正弦折減規律適用于所研究工程。

3 結論

通過對鎮江市某六層小區單建式地下車庫工程進行位移觀測分析及結構數值仿真模擬，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，得出如下結論。

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

(2)地下水浮力折減工況下，地下底板位移趨勢基本呈現為四周小、中部大、中央小，折減工況下位移數值云圖與實測結論更為吻合。

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

(4)需注意的是，本文方案是結合現象與檢測結果反推，屬于通過現象判斷機理的研究方法，而地下水與巖土具體作用機理、規律推廣，還需做進一步的論證。