地下室底板受力分析的 FLAC數(shù)值模擬

劉冬 梅全義 鄧宇

地下室底板受力分析的 FLAC數(shù)值模擬

劉冬 梅全義 鄧宇

介紹了FLAC數(shù)值模擬的基本原理,針對(duì)成都某高層建筑地下室底板變形開裂事故,利用FLAC數(shù)值模擬地下室底板在無頂板、有頂板無覆土、有頂板加覆土條件下的受力變形情況,揭示了該高層建筑地下室底板開裂的原因,并提出了合理的加固處理措施。

FLAC,地下室底板,開裂,加固

1 工程概況

成都市某高層建筑由 20層主樓及多層裙房組成,鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu),主要柱網(wǎng)為 7.5m×7.8m,一層地下室,埋深5.4m。該工程主樓基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ),裙房部分采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)及墻下條形基礎(chǔ),以稍密卵石層作為基礎(chǔ)持力層,地基承載力特征值為 fak=350 kPa。其中,抗浮設(shè)計(jì)水頭高度為 5.4m。該工程地下室底板厚度為 500 mm,基礎(chǔ)梁截面為 500 mm×1 000mm,基礎(chǔ)、底板及基礎(chǔ)梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C30。標(biāo)準(zhǔn)跨底配筋為：面筋 Φ16@150(二級(jí)鋼)雙向通長(zhǎng)布置,支座處底筋 Φ16@100(二級(jí)鋼),標(biāo)準(zhǔn)跨基礎(chǔ)梁面、底筋均為 10@25(三級(jí)鋼)通長(zhǎng)布置,縱橫各均勻布置有后澆帶。

2 地下室底板開裂事故及原因分析

2.1 地下室底板開裂事故

地下室部分施工完成時(shí),地下室底板沒有發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫,當(dāng)主體結(jié)構(gòu)封頂約半年后,底板開始出現(xiàn)少數(shù)細(xì)小裂縫;主體結(jié)構(gòu)封頂一年后,底板出現(xiàn)了很多裂縫。地下室底板開裂情況分為兩種,一種為裂縫未完全貫通,這些裂縫大多分布在多層裙房部分的地下室范圍內(nèi);另外一種為出現(xiàn)貫通裂縫,長(zhǎng)度從不到 1m到幾米不等,分布在主樓與裙房交接處附近的地下室范圍內(nèi),并出現(xiàn)明顯的滲漏水現(xiàn)象。該工程沉降觀測(cè)正常,沉降均勻。

2.2 事故原因分析

根據(jù)裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展?fàn)顩r,可以判定本工程地下室底板裂縫由兩方面原因造成,一種為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的缺陷,由于設(shè)計(jì)缺陷的存在,相關(guān)計(jì)算與基礎(chǔ)、地下室底板的實(shí)際受力狀態(tài)不符,基礎(chǔ)承載力達(dá)不到實(shí)際使用要求,地下室防水底板承受了比設(shè)計(jì)更大的荷載,使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較多裂縫,加之過大溫差,對(duì)地下室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生比較大的溫度應(yīng)力,從而使裂縫發(fā)展成貫通裂縫,導(dǎo)致地下室底板出現(xiàn)開裂事故;另外一種原因?yàn)榈叵率翼敯迳戏磯焊餐磷灾夭粔蛟斐?該部分是由于地下室整體抗浮不能滿足設(shè)計(jì)要求導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。

3 FLAC模擬地下室底板受力變形情況

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua),是以拉格朗日差分法為基礎(chǔ)的一種數(shù)值模擬方法,是基于拉格朗日差分法的一種顯式有限差分程序。FLAC是一種利用拖帶坐標(biāo)系分析大變形問題的數(shù)值方法,利用差分格式按時(shí)步積分求解[3]。

3.1 模型建立

地下室底板的受力按平面應(yīng)變問題考慮,忽略其在一個(gè)方向上的變形,按照地下室底板的接觸受力情況和邊界條件,建立相應(yīng)模型。對(duì)建立的模型進(jìn)行材料定義,分別通過容重、粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度、彈性模量來定義不同變形體模型[4]。各模型層巖土力學(xué)參數(shù)見表 1。

表1 各模型層巖土力學(xué)參數(shù)

3.2 邊界條件、加載情況及地下水模擬

考慮邊界條件,將地下室底板模型邊界條件考慮為只能向豎向移動(dòng)。在本次模擬中,將地下水考慮為恒態(tài)流,不設(shè)定初始孔隙水壓力。同時(shí)我們可以在建模的時(shí)候直接考慮地下水的作用,在建模初期將地下水的位置設(shè)定在施工后水位可以漲到的最高位置,這樣地下水對(duì)地下室底板會(huì)有一個(gè)直接的浮力作用;另外我們可以將水壓力簡(jiǎn)化為作用在地下室底板下邊界的均布力,模擬地下室底板的受力變形情況。

3.3 參數(shù)選擇

本次模擬采用了 10個(gè)模型,分別為泥巖層、稍密卵石層、高層建筑 1、地下室底板、獨(dú)立柱基 1、獨(dú)立柱基 2、獨(dú)立柱基 3、頂板、頂板上覆土層、高層建筑 2。其中大部分模型采用 1∶1比例模擬,通過定義材料特性來還原模型受力變形情況。

3.4 受力結(jié)果分析

1)FLAC模擬地下室底板的第一種受力工況：在地下室施工完成時(shí),采用了降水處理,地下室底板在不受地下水作用,也沒有施工獨(dú)立柱基及地下室頂板、覆土情況下,受力變形情況如圖 1所示。2)FLAC模擬地下室底板第二種工況：施工基礎(chǔ)及地下室頂板后,地下室底板在受到地下水作用后其變形情況如圖 2所示。由FLAC數(shù)值模擬結(jié)果可知：地下室底板在獨(dú)立柱基、頂板施工完成時(shí),未加覆土情況下,分析其豎向位移云圖可知,地下室底板變形較大,在未加覆土,或覆土的荷載不夠時(shí),在長(zhǎng)期地下水受力作用下,地下室底板所受的力無法得到平衡,導(dǎo)致底板會(huì)出現(xiàn)較大變形,嚴(yán)重時(shí)底板會(huì)發(fā)生上拱,出現(xiàn)開裂變形事故。3)FLAC模擬地下室底板受力第三種工況：施工基礎(chǔ)、地下室頂板及加上覆土后,地下室底板在受到地下水作用后其變形情況如圖 3所示。

由圖 1～圖 3可知：地下室底板由于受到地下水的作用,主建筑對(duì)地基的擠壓,導(dǎo)致地下室底板下地基對(duì)地下室底板有一個(gè)向上的力,所以地下室底板受到的力很大,而且地下室底板下的變形值為負(fù),說明地下室底板是上拱變形。但由于頂板上加載覆土,導(dǎo)致平衡底板地下水壓力的反力有所增加,所以有覆土的底板變形值較無覆土?xí)r小一些。三種工況下計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表 2。

表2 三種工況下計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析表 mm

4 現(xiàn)有規(guī)范檢算地下室底板抗浮

采用倒置樓板的假設(shè),將地下室當(dāng)作一個(gè)倒置的樓面,用《多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件》SATWE對(duì)地下室底板進(jìn)行分析計(jì)算。

地下室整體抗浮檢算：地下室柱底自重力為：7.5×7.8×(17.9+12.5+18.0)+33.75=2 865 kN。

浮力設(shè)計(jì)值為：1.0×10×5.4×7.5×7.8=3 159 kN。

2 865 kN＜3 159 kN,不能滿足建筑抗浮要求。

地下室底板配筋檢算：底板標(biāo)準(zhǔn)跨軸線跨度 7.5m×7.8m,考慮到底板配筋是由裂縫寬度控制,故計(jì)算底板配筋時(shí)可取板凈跨計(jì)算,即板跨按7.1m×7.4m計(jì)算,底板按四邊固端的雙向板計(jì)算,通過檢算支座配筋Φ16@100時(shí)地下室底板裂縫寬度ωmax=0.24mm≥ωlim=0.2mm,該工程設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果不滿足要求。

計(jì)算結(jié)果表明：該工程在有覆土情況下,地下室底板裂縫寬度仍然大于允許裂縫寬度,而且地下室整體抗浮不能滿足要求,說明覆土所產(chǎn)生的豎向荷載沒能抵抗住地下水所產(chǎn)生的浮力,基礎(chǔ)的強(qiáng)度檢算滿足要求,導(dǎo)致一部分荷載作用在地下室底板上,底板因變形過大,最終出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

5 結(jié)論與展望

1)通過檢算可知,該工程地下室整體抗浮未滿足設(shè)計(jì)要求,導(dǎo)致地下室所受地下水的一部分荷載無法得到平衡,最終作用在地下室底板上,地下室底板設(shè)計(jì)過程中未考慮該部分荷載,裂縫檢算不符合設(shè)計(jì)要求,最終導(dǎo)致地下室底板產(chǎn)生裂縫。通過對(duì)比可知：未加覆土?xí)r地下室底板在地下水作用下變形較加覆土后大,我們可以通過 FLAC數(shù)值計(jì)算將地下室底板裂縫控制在允許范圍內(nèi),來優(yōu)化設(shè)計(jì)地下室頂板上覆土的加載,通過調(diào)節(jié)地下室頂板覆土的加載來有效平衡地下水的作用,作為地下室優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。對(duì)于該部分地下室底板開裂的處理,也可以采用抗浮錨桿的處理方式。2)該工程一部分地下室底板位于有群房的位置,

柱基上部荷載可平衡地下水對(duì)地下室底板的作用,地下室整體抗浮也能滿足設(shè)計(jì)要求,但是該部分底板也出現(xiàn)了不同程度的開裂現(xiàn)象。通過對(duì)裂縫的分析可知該部分地下室底板開裂主要是由于基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)缺陷,導(dǎo)致基礎(chǔ)未將上部荷載全部傳遞到地基,一部分荷載轉(zhuǎn)移到地下室底板上,導(dǎo)致地下室底板出現(xiàn)開裂。該部分裂縫的處理：a.可在地下室底板結(jié)構(gòu)表面沿裂縫走向騎縫鑿出一條適當(dāng)深度和寬度的 U形溝槽,然后用改性環(huán)氧樹脂填充,并粘貼纖維復(fù)合材料以封閉其表面,對(duì)于寬度較大的裂縫,應(yīng)以一定的壓力將改性環(huán)氧樹脂注入裂縫腔內(nèi),進(jìn)行封閉,然后再進(jìn)行防水層修補(bǔ)[5]。b.在地下室底板上加設(shè)泄水孔,并及時(shí)將水導(dǎo)出,然后降水將水壓力降低,加上覆土后再將泄水孔回填。

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On FLAC numeric simulation of stressed analysis of foundation slabs

LIU Dong MEIQuan-yi DENG Yu

The paper introduces the basic principle for the FLAC numeric simulation,againsthigh-rise building of foundation slab deformation crack accident in Chengdu,adopts FLAC numeric simulation for the stressed deformation of the foundation slabs with the conditions of without the apical p late,with the apical plate and without earthing,and with the apical p late and the earthing,and discloses the reasons for the slab cracks of the foundation in high-rise buildings,and points out the reasonab le intensification treatmentmeasures.

FLAC,foundation slab,crack,intensification

TU924

A

1009-6825(2011)09-0089-02

2010-11-25

劉 冬(1984-),男,碩士,助理工程師,中冶成都勘察研究總院有限公司,四川成都 610031

梅全義(1978-),男,工程師,中冶成都勘察研究總院有限公司,四川成都 610031

鄧 宇(1980-),男,碩士,工程師,中冶成都勘察研究總院有限公司,四川 成都 610031