於忠華，王靜峰，高海云，丁兆東

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥市重點(diǎn)工程建設(shè)管理局，安徽 合肥 230031)

0 引言

在實(shí)際工程中，地下室結(jié)構(gòu)滲漏水是一種常見和突出的問(wèn)題，原因可能有很多，不均勻沉降是其中重要原因之一。不均勻沉降會(huì)使地下室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，引發(fā)結(jié)構(gòu)損傷和開裂等問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致地下室結(jié)構(gòu)滲漏水。

目前，國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者開展了不均勻沉降對(duì)地下室結(jié)構(gòu)影響的研究[1]。研究認(rèn)為地下水位的下降對(duì)于隧道沉降的影響最為顯著[2]。通過(guò)試驗(yàn)研究了不均勻沉降對(duì)于框架結(jié)構(gòu)影響，并總結(jié)了其破壞模式[3]。通過(guò)SATWE軟件進(jìn)行了不同沉降形式對(duì)框架結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值分析[4]。通過(guò)SAP2000軟件研究了在地裂條件下的不均勻沉降對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響[5]。采用數(shù)值分析研究了地下管道在不均勻沉降作用下的受力性能[6]。總結(jié)了實(shí)際工程中地下室不均勻沉降下的破壞模式[7]。采用注漿方法成功治理了地鐵隧道的不均勻沉降[8-9]。提出了防止地下室不均勻沉降的設(shè)計(jì)措施[10-11]。對(duì)實(shí)際工程中地下室底板和側(cè)墻的滲漏進(jìn)行了分析。因此，目前大部分研究主要在不均勻沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)受力的影響，缺少研究不均勻沉降對(duì)地下室結(jié)構(gòu)防水的影響。

本文著重對(duì)框架地下室結(jié)構(gòu)在不均勻沉降下防水薄弱區(qū)域進(jìn)行研究。采用MⅠDAS軟件建立了高層建筑地下室有限元分析模型，通過(guò)設(shè)置不同沉降形式，系統(tǒng)探究了高層建筑地下室結(jié)構(gòu)不均勻沉降時(shí)的受力性能。對(duì)應(yīng)力較大的局部區(qū)域采用ABAQUS程序做數(shù)值分析，混凝土材料采用塑性損傷模型描述其漏水狀況。對(duì)這些區(qū)域在不均勻沉降下的損傷分布和破壞模式進(jìn)行了深入分析?？偨Y(jié)了不均勻沉降對(duì)框架地下室結(jié)構(gòu)防水的影響。研究成果將為城市地下室結(jié)構(gòu)防水的優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

本文選取的工程案例為中國(guó)銀行安徽分行大樓，如圖1所示，位于合肥市濱湖新區(qū)廬州大道與云谷路交口東北角，占地0.03 km2，建筑面積7.84萬(wàn)平方米，該建筑由180 m高的塔樓和25 m高的裙房組成，其西側(cè)地勢(shì)較高，東側(cè)地勢(shì)較低。地下室分為2層，總建筑面積4 154 m2，最低埋深12 m?；A(chǔ)形式為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，底板厚度為700 mm，頂板上覆土為1 m。

圖1 中國(guó)銀行安徽分行大樓

1.2 水文地質(zhì)概況

該工程所處地區(qū)的地下水較為豐富，場(chǎng)地地下水上部為孔隙潛水型，賦存在填土層中，大氣降水及地下徑流為主要補(bǔ)給來(lái)源。場(chǎng)地地下水位埋深較淺，年常水位為地面以下(－0.6)～(－1.7)m。

地震效應(yīng)及場(chǎng)地類別場(chǎng)地土類型為中軟土，場(chǎng)地類別ⅠⅠ類，場(chǎng)地地面粗糙度為C類，抗震設(shè)防烈度為7度。

1.3 防水方案

該工程地下室防水設(shè)計(jì)等級(jí)為一級(jí)，采用混凝土結(jié)構(gòu)自防水與柔性防水層相結(jié)合的方式，其中地下室底板、地下室外墻及室外地下室頂板自防水混凝土抗?jié)B等級(jí)為P6。地下室底板采用4 mm SBS改性瀝青防水卷材(聚酯胎ⅠⅠ型)；地下室外墻采用7mm SBS改性瀝青防水卷材(聚酯胎ⅠⅠ型)。

防水工藝流程：素土分層夯實(shí)→120 mm厚磚墻保護(hù)→7 mm厚SBS改性瀝青防水卷材(聚酯胎ⅠⅠ型)→刷基層處理劑一道→防水鋼管混凝土側(cè)墻局部修補(bǔ)。

2 不均勻沉降對(duì)地下室結(jié)構(gòu)防水的整體分析

2.1 數(shù)值分析模型

選取該建筑地下室西南角部分區(qū)域作為研究對(duì)象(圖1中圓圈標(biāo)出的地方)，該區(qū)域的地下室底層平面圖和立面圖如圖2所示。

圖2 地下室局部區(qū)域

地下室的柱距均為8.1 m，負(fù)一、二層層高分別為5.7 m和6.3 m。該建筑局部區(qū)域的地下室簡(jiǎn)化有限元分析模型如圖3所示，層高均為5 m，柱距均為8.1 m。

為了求解上部結(jié)構(gòu)在恒載工況下傳遞至一層柱底部的集中荷載，采用PKPM軟件建模。為便于理論分析，將地下室上部裙房簡(jiǎn)化成一棟3層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。層高均為5.7 m，框架柱的橫截面尺寸都為800 mm×800 mm，框架梁的橫截面尺寸為300 mm×500 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

荷載包括恒荷載(樓板的恒荷載為5.0 kN/m2，墻的線荷載為8 kN/m)與活荷載(活荷載標(biāo)準(zhǔn)值不上人屋面為0.5 kN/m2，室內(nèi)為2.0 kN/m2)。荷載組合方式如下：

荷載標(biāo)準(zhǔn)組合值=1.2×恒荷載+1.4×活荷載為求解地下室側(cè)墻和底板的土壓力，采用靜止土壓力理論，計(jì)算公式如下：

σ0=γzK0

其中，靜止土壓力系數(shù)K0取0.65[12]；填土重力密度γ取18.0 kN/m3；深度z為10 m，計(jì)算可得底板處土壓力為0.117 MPa。側(cè)向土壓力分布如圖4所示。

采用MⅠDAS軟件建立地下室結(jié)構(gòu)整體分析模型，如圖3所示，并賦予模型單元屬性以及材料屬性，網(wǎng)格尺寸為0.8 m。在軟件中設(shè)定考慮自重，并在每層布設(shè)2 kN/m2的活荷載。

圖3 模型示意圖

圖4 側(cè)向土壓力分布

為研究不同沉降形式對(duì)地下室結(jié)構(gòu)防水的影響。采用MⅠDAS軟件建立模型，分析不同沉降形式對(duì)地下室結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變以及裂縫的影響規(guī)律，得出其對(duì)地下室結(jié)構(gòu)防水的影響。根據(jù)不同沉降位置，共設(shè)4種工況，如表1所示。

表1 工況設(shè)置

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

工況1-4的分析結(jié)果如圖5～圖8所示。

由圖5可知，在工況1下，地下室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布是對(duì)稱的：地下室負(fù)一層外墻與上部結(jié)構(gòu)柱腳接觸區(qū)域應(yīng)力最大，等效應(yīng)力為1.26 MPa(見圖5b中紅圈1)；地下室負(fù)二層外墻由于有側(cè)向土壓力會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，為0.80 MPa(見圖5b中紅圈2)。地下室頂板與梁接觸的地方以及與外墻接觸的地方會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，為0.91 MPa(見圖5b中紅圈3)。

由圖6可知，工況2下沉降柱(KZ-17)處底板的應(yīng)力值最大，為248.1 MPa，沿著四周呈現(xiàn)均勻擴(kuò)散至相鄰的四根柱。沉降柱處的應(yīng)力值明顯大于無(wú)沉降處的應(yīng)力。

圖5 工況1分析結(jié)果

由圖7可知，工況3下結(jié)構(gòu)的頂板和底板的應(yīng)力明顯大于側(cè)墻，底板最大應(yīng)力位于與沉降墻相鄰的未沉降柱處(KZ-13為72.26 MPa、KZ-20為59.1 MPa、KZ-27 為 72.26 MPa)，靠近墻角應(yīng)力越大(KZ-13和KZ-27大于KZ-20)。最大應(yīng)力在前后側(cè)墻的分布位于與沉降墻相隔一根柱的區(qū)域(KZ-6、KZ-34 均為 46.0 MPa)。

由圖8可知，工況4下底板的最大應(yīng)力位于沉降柱KZ-6、KZ-14處，均為94.1 MPa?？拷两抵姆浅两抵鵎Z-13處應(yīng)力為67.5 MPa。側(cè)墻處最大應(yīng)力位于墻壁沉降區(qū)與非沉降區(qū)相交處(KZ-6、KZ-14)，側(cè)墻下部應(yīng)力較大。

3 不均勻沉降對(duì)易滲漏部位防水的局部分析

3.1 材料模型

為了更好地研究混凝土損傷對(duì)防水的影響，本研究采用混凝土塑性損傷模型。此模型能夠較好地模擬混凝土材料的損傷過(guò)程，從而通過(guò)損傷程度來(lái)判斷混凝土的開裂和破壞情況。假定混凝土的單軸拉伸和壓縮性狀由塑性損傷描述，如圖9所示。

圖6 工況2分析結(jié)果

對(duì)于防水，混凝土材料本身的抗壓性能較好，而抗拉能力較差，一旦產(chǎn)生裂縫，會(huì)對(duì)混凝土的防水產(chǎn)生不利影響。因此，混凝土受拉損傷大小是描述混凝土防水性能的重要指標(biāo)。為便于研究，將用 Dt表示，Dt代表混凝土受拉損傷程度，取值范圍是0～1，其中0代表無(wú)損傷，1代表完全受拉損傷破壞。將用Dt來(lái)描述混凝土的損傷程度以及混凝土防水性能的好壞。

為了更好地配合實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與改革，更好地為學(xué)生自主學(xué)習(xí)服務(wù)，通過(guò)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)，豐富教學(xué)手段與教學(xué)方法，將其作為一種重要的教學(xué)輔助平臺(tái)，使學(xué)生可隨時(shí)隨地開展學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)資源共享及資源公共服務(wù)。

圖8 工況4分析結(jié)果

3.2 有限元分析模型

在不同沉降形式作用下，地下室局部區(qū)域會(huì)有較大應(yīng)力，因此，這些區(qū)域是防水的薄弱區(qū)域，需要詳細(xì)研究。

圖9 混凝土塑性損傷模型

本文選取工況2的沉降柱底部區(qū)域和工況4的地下室側(cè)墻區(qū)域，如圖10所示。

圖10 有限元模型

3.3 柱的不均勻沉降

選取工況2下沉降柱(KZ-17)及其周邊的四根柱，采用ABAQUS軟件建立了有限元模型。分析了柱的不均勻沉降對(duì)地下室結(jié)構(gòu)防水的影響，著重對(duì)地下室底板在柱沉降后應(yīng)力應(yīng)變和損傷分布進(jìn)行分析。

表2 材料參數(shù)表

圖11 單柱沉降A(chǔ)BAQUS計(jì)算結(jié)果

由圖11b、圖11c可以看出，底板上部混凝土受拉損傷主要分布于柱2～5的柱腳處。底板下部混凝土受拉損傷由柱1底部開始向斜向45°延伸。

在圖11b、圖11c損傷區(qū)域選取10個(gè)單元，研究隨著壓力變化其損傷的變化。A1～A5單元為底板上部單元，A6～A10單元為底板下部單元，結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，板上混凝土損傷開裂早于板下部混凝土，隨著沉降值的增大，下部混凝土損傷會(huì)迅速增大。

圖12 底板的單元損傷曲線

文獻(xiàn)[10]介紹了某大型公共建筑地下室底板出現(xiàn)滲漏的情況，如圖13所示。由圖可知，其發(fā)生滲漏的區(qū)域主要集中在柱腳和其延伸區(qū)域。這與本文所得出的薄弱區(qū)域基本一致。文中指出滲漏原因有“未使用適宜的建筑設(shè)計(jì)配筋，混凝土受到的約束作用被極大地削弱。所以導(dǎo)致施工過(guò)程中，混凝土將逐步形成溫度變形、應(yīng)力集中和干縮等現(xiàn)象。同時(shí)因?yàn)榧s束缺乏，在不均勻沉降的作用下，很可能產(chǎn)生混凝土裂縫，最終引發(fā)了滲漏”。由此可知，在薄弱區(qū)域加強(qiáng)配筋可避免不均勻沉降裂縫和滲漏現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖13 某大型公共建筑地下室底板滲漏情況

3.4 墻的不均勻沉降

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，地下室外墻外側(cè)配筋32@150，地下室外墻內(nèi)側(cè)配筋 20@150，墻厚為800 mm，采用C30混凝土，材料本構(gòu)關(guān)系和模型設(shè)置同3.3節(jié)。有限元分析結(jié)果如圖14所示。

圖14 剪力墻沉降A(chǔ)BAQUS計(jì)算結(jié)果

剪力墻在不均勻沉降作用下沉降處墻底部(B1區(qū))會(huì)有斜裂縫產(chǎn)生，在非沉降處墻頂部(B2區(qū))會(huì)有向下的裂縫產(chǎn)生。在2個(gè)區(qū)域各選取一個(gè)單元，研究隨著沉降值的變化其受拉損傷值的變化，如圖14b所示。圖14c的結(jié)果表明B1區(qū)的混凝土開裂明顯早于B2區(qū)。沉降處的裂縫率先開展，方向?yàn)樾毕?。隨后非沉降處會(huì)有豎向裂縫從頂部向下開展。

文獻(xiàn)[11]分析了地下室墻裂縫的滲漏，指出了高層建筑混凝土地下室墻裂縫現(xiàn)象的普遍性。圖15為地下室典型倒八字形墻裂縫，該墻的底部斜裂縫開展較為嚴(yán)重，裂縫的位置與圖14b所示的斜裂縫較為吻合。文中指出“一些工程設(shè)計(jì)中地下室墻長(zhǎng)突破了規(guī)范規(guī)定，水平鋼筋仍按構(gòu)造配置，這是墻較易出現(xiàn)裂縫的又一因素”?！凹訌?qiáng)水平鋼筋的配置，水平鋼筋保護(hù)層應(yīng)盡可能小些。防裂鋼筋的間距不宜太大，可采用小直徑鋼筋小間距的配筋方式”。由此可見，墻體過(guò)長(zhǎng)且在不均勻沉降作用下是引起墻裂縫產(chǎn)生和漏水的一大原因。需加強(qiáng)配筋增加約束，減少墻長(zhǎng)度，以避免不均勻沉降裂縫和滲漏現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖15 地下室剪力墻倒八字形裂縫

3.5 地下室防水措施

就防水而言，柱子發(fā)生不均勻沉降的時(shí)候，在柱2～5的柱腳區(qū)域和圖11c所示柱1損傷延伸區(qū)域容易有裂縫產(chǎn)生。地下室側(cè)墻不均勻沉降時(shí)會(huì)在側(cè)墻底部產(chǎn)生大量斜裂縫。上述有限元分析和實(shí)際工程案例的對(duì)比證明了這些區(qū)域是地下室結(jié)構(gòu)防水的重點(diǎn)區(qū)域。在這些重點(diǎn)區(qū)域加強(qiáng)防水措施是地下室結(jié)構(gòu)防水的關(guān)鍵。具體可采取的措施有：

(1)在設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)區(qū)域加強(qiáng)配筋，以增強(qiáng)對(duì)混凝土的約束。重視變形縫的設(shè)計(jì)，減小不均勻沉降引起的結(jié)構(gòu)變形和混凝土裂縫。重視建筑基礎(chǔ)的施工質(zhì)量，對(duì)于軟土地基需采取地基處理，以減少不均勻沉降的發(fā)生。

(2)采用剛性防水措施，在混凝土中加入防水劑，提高混凝土的防水性能。在混凝土的生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中嚴(yán)控施工質(zhì)量。

(3)采用柔性防水措施，選擇良好的防水卷材，嚴(yán)格控制防水卷材的施工質(zhì)量。

4 結(jié)論

(1)本文研究了框架地下室結(jié)構(gòu)在不均勻沉降作用下受力性能和破壞模式，從而確定容易滲漏的位置和路徑。

(2)采用MⅠDAS軟件建立了地下室整體模型，對(duì)無(wú)沉降、單柱沉降、一邊墻壁整體沉降和一邊墻角沉降等四種工況進(jìn)行研究。結(jié)果表明單柱沉降的柱腳區(qū)域和一邊墻角沉降的側(cè)墻區(qū)域會(huì)有較大的應(yīng)力，容易發(fā)生混凝土開裂，導(dǎo)致地下室結(jié)構(gòu)防水的失效。

(3)對(duì)單柱沉降的柱腳區(qū)域采用ABAQUS建立有限元模型。結(jié)果表明，底板下部混凝土裂縫呈現(xiàn)斜向交叉分布。底板上部柱腳處的混凝土?xí)扔诘装逑虏康幕炷灵_裂。有限元結(jié)果與實(shí)際案例對(duì)比發(fā)現(xiàn)破壞現(xiàn)象較為吻合。這說(shuō)明地下室結(jié)構(gòu)在柱發(fā)生沉降時(shí)滲漏容易發(fā)生在柱腳處。

(4)對(duì)一邊墻角沉降的側(cè)墻區(qū)域采用ABAQUS數(shù)值分析。發(fā)現(xiàn)側(cè)墻沉降處的裂縫為斜向45°向上延伸，非沉降處的混凝土為豎直向下延伸。沉降處的混凝土先于非沉降處的混凝土開裂，并有更大的最終損傷值。有限元結(jié)果與實(shí)際案例對(duì)比發(fā)現(xiàn)破壞現(xiàn)象較為吻合。這表明地下室結(jié)構(gòu)在剪力墻發(fā)生不均勻沉降時(shí)滲漏容易發(fā)生在剪力墻底部的斜裂縫處。

(5)對(duì)于防水，地下室底板在柱子發(fā)生沉降的時(shí)候，會(huì)在柱腳和柱網(wǎng)中心區(qū)域有裂縫產(chǎn)生。地下室側(cè)墻墻角發(fā)生沉降的時(shí)候，側(cè)墻底部會(huì)有斜裂縫產(chǎn)生。因此，這些區(qū)域是防水的重點(diǎn)區(qū)域，需要加強(qiáng)防水措施，避免產(chǎn)生漏水現(xiàn)象。