不均勻沉降對高層建筑框架地下室結構防水影響分析

於忠華，王靜峰，高海云，丁兆東

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

0 引言

在實際工程中，地下室結構滲漏水是一種常見和突出的問題，原因可能有很多，不均勻沉降是其中重要原因之一。不均勻沉降會使地下室結構產生附加內力，引發(fā)結構損傷和開裂等問題，進而導致地下室結構滲漏水。

目前，國內外部分學者開展了不均勻沉降對地下室結構影響的研究[1]。研究認為地下水位的下降對于隧道沉降的影響最為顯著[2]。通過試驗研究了不均勻沉降對于框架結構影響，并總結了其破壞模式[3]。通過SATWE軟件進行了不同沉降形式對框架結構影響的數(shù)值分析[4]。通過SAP2000軟件研究了在地裂條件下的不均勻沉降對框架結構的影響[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]?？偨Y了實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計措施[10-11]。對實際工程中地下室底板和側墻的滲漏進行了分析。因此，目前大部分研究主要在不均勻沉降對上部結構受力的影響，缺少研究不均勻沉降對地下室結構防水的影響。

本文著重對框架地下室結構在不均勻沉降下防水薄弱區(qū)域進行研究。采用MⅠDAS軟件建立了高層建筑地下室有限元分析模型，通過設置不同沉降形式，系統(tǒng)探究了高層建筑地下室結構不均勻沉降時的受力性能。對應力較大的局部區(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。對這些區(qū)域在不均勻沉降下的損傷分布和破壞模式進行了深入分析?？偨Y了不均勻沉降對框架地下室結構防水的影響。研究成果將為城市地下室結構防水的優(yōu)化設計和施工應用提供科學依據。

1 工程實例

1.1 工程概況

本文選取的工程案例為中國銀行安徽分行大樓，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，其西側地勢較高，東側地勢較低。地下室分為2層，總建筑面積4 154 m2，最低埋深12 m?；A形式為鉆孔灌注樁基礎，底板厚度為700 mm，頂板上覆土為1 m。

圖1 中國銀行安徽分行大樓

1.2 水文地質概況

該工程所處地區(qū)的地下水較為豐富，場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給來源。場地地下水位埋深較淺，年常水位為地面以下(－0.6)～(－1.7)m。

地震效應及場地類別場地土類型為中軟土，場地類別ⅠⅠ類，場地地面粗糙度為C類，抗震設防烈度為7度。

1.3 防水方案

該工程地下室防水設計等級為一級，采用混凝土結構自防水與柔性防水層相結合的方式，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→120 mm厚磚墻保護→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→防水鋼管混凝土側墻局部修補。

2 不均勻沉降對地下室結構防水的整體分析

2.1 數(shù)值分析模型

選取該建筑地下室西南角部分區(qū)域作為研究對象(圖1中圓圈標出的地方)，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。

為了求解上部結構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化成一棟3層的鋼筋混凝土框架結構。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，混凝土強度等級為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(活荷載標準值不上人屋面為0.5 kN/m2，室內為2.0 kN/m2)。荷載組合方式如下：

荷載標準組合值=1.2×恒荷載+1.4×活荷載為求解地下室側墻和底板的土壓力，采用靜止土壓力理論，計算公式如下：

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，計算可得底板處土壓力為0.117 MPa。側向土壓力分布如圖4所示。

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

圖3 模型示意圖

圖4 側向土壓力分布

為研究不同沉降形式對地下室結構防水的影響。采用MⅠDAS軟件建立模型，分析不同沉降形式對地下室結構應力、應變以及裂縫的影響規(guī)律，得出其對地下室結構防水的影響。根據不同沉降位置，共設4種工況，如表1所示。

表1 工況設置

2.2 計算結果與分析

工況1-4的分析結果如圖5～圖8所示。

由圖5可知，在工況1下，地下室結構應力分布是對稱的：地下室負一層外墻與上部結構柱腳接觸區(qū)域應力最大，等效應力為1.26 MPa(見圖5b中紅圈1)；地下室負二層外墻由于有側向土壓力會產生較大的應力，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產生較大的應力，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)處底板的應力值最大，為248.1 MPa，沿著四周呈現(xiàn)均勻擴散至相鄰的四根柱。沉降柱處的應力值明顯大于無沉降處的應力。

圖5 工況1分析結果

由圖7可知，工況3下結構的頂板和底板的應力明顯大于側墻，底板最大應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)，靠近墻角應力越大(KZ-13和KZ-27大于KZ-20)。最大應力在前后側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處應力為67.5 MPa。側墻處最大應力位于墻壁沉降區(qū)與非沉降區(qū)相交處(KZ-6、KZ-14)，側墻下部應力較大。

3 不均勻沉降對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程，從而通過損傷程度來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分析結果

對于防水，混凝土材料本身的抗壓性能較好，而抗拉能力較差，一旦產生裂縫，會對混凝土的防水產生不利影響。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。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代表無損傷，1代表完全受拉損傷破壞。將用Dt來描述混凝土的損傷程度以及混凝土防水性能的好壞。

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圖8 工況4分析結果

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)域會有較大應力，因此，這些區(qū)域是防水的薄弱區(qū)域，需要詳細研究。

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地下室結構防水的影響，著重對地下室底板在柱沉降后應力應變和損傷分布進行分析。

表2 材料參數(shù)表

圖11 單柱沉降ABAQUS計算結果

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，下部混凝土損傷會迅速增大。

圖12 底板的單元損傷曲線

文獻[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計配筋，混凝土受到的約束作用被極大地削弱。所以導致施工過程中，混凝土將逐步形成溫度變形、應力集中和干縮等現(xiàn)象。同時因為約束缺乏，在不均勻沉降的作用下，很可能產生混凝土裂縫，最終引發(fā)了滲漏”。由此可知，在薄弱區(qū)域加強配筋可避免不均勻沉降裂縫和滲漏現(xiàn)象的產生。

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

根據設計圖紙，地下室外墻外側配筋32@150，地下室外墻內側配筋 20@150，墻厚為800 mm，采用C30混凝土，材料本構關系和模型設置同3.3節(jié)。有限元分析結果如圖14所示。

圖14 剪力墻沉降ABAQUS計算結果

剪力墻在不均勻沉降作用下沉降處墻底部(B1區(qū))會有斜裂縫產生，在非沉降處墻頂部(B2區(qū))會有向下的裂縫產生。在2個區(qū)域各選取一個單元，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，方向為斜向。隨后非沉降處會有豎向裂縫從頂部向下開展。

文獻[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“一些工程設計中地下室墻長突破了規(guī)范規(guī)定，水平鋼筋仍按構造配置，這是墻較易出現(xiàn)裂縫的又一因素”?！凹訌娝戒摻畹呐渲茫戒摻畋Ｗo層應盡可能小些。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，墻體過長且在不均勻沉降作用下是引起墻裂縫產生和漏水的一大原因。需加強配筋增加約束，減少墻長度，以避免不均勻沉降裂縫和滲漏現(xiàn)象的產生。

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)域容易有裂縫產生。地下室側墻不均勻沉降時會在側墻底部產生大量斜裂縫。上述有限元分析和實際工程案例的對比證明了這些區(qū)域是地下室結構防水的重點區(qū)域。在這些重點區(qū)域加強防水措施是地下室結構防水的關鍵。具體可采取的措施有：

(1)在設計時，重點區(qū)域加強配筋，以增強對混凝土的約束。重視變形縫的設計，減小不均勻沉降引起的結構變形和混凝土裂縫。重視建筑基礎的施工質量，對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、運輸、澆筑和養(yǎng)護過程中嚴控施工質量。

(3)采用柔性防水措施，選擇良好的防水卷材，嚴格控制防水卷材的施工質量。

4 結論

(1)本文研究了框架地下室結構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，對無沉降、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行研究。結果表明單柱沉降的柱腳區(qū)域和一邊墻角沉降的側墻區(qū)域會有較大的應力，容易發(fā)生混凝土開裂，導致地下室結構防水的失效。

(3)對單柱沉降的柱腳區(qū)域采用ABAQUS建立有限元模型。結果表明，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會先于底板下部的混凝土開裂。有限元結果與實際案例對比發(fā)現(xiàn)破壞現(xiàn)象較為吻合。這說明地下室結構在柱發(fā)生沉降時滲漏容易發(fā)生在柱腳處。

(4)對一邊墻角沉降的側墻區(qū)域采用ABAQUS數(shù)值分析。發(fā)現(xiàn)側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。有限元結果與實際案例對比發(fā)現(xiàn)破壞現(xiàn)象較為吻合。這表明地下室結構在剪力墻發(fā)生不均勻沉降時滲漏容易發(fā)生在剪力墻底部的斜裂縫處。

(5)對于防水，地下室底板在柱子發(fā)生沉降的時候，會在柱腳和柱網中心區(qū)域有裂縫產生。地下室側墻墻角發(fā)生沉降的時候，側墻底部會有斜裂縫產生。因此，這些區(qū)域是防水的重點區(qū)域，需要加強防水措施，避免產生漏水現(xiàn)象。