地下室底板受力分析的 FLAC数值模拟

刘冬 梅全义 邓宇

地下室底板受力分析的 FLAC数值模拟

刘冬 梅全义 邓宇

介绍了FLAC数值模拟的基本原理,针对成都某高层建筑地下室底板变形开裂事故,利用FLAC数值模拟地下室底板在无顶板、有顶板无覆土、有顶板加覆土条件下的受力变形情况,揭示了该高层建筑地下室底板开裂的原因,并提出了合理的加固处理措施。

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1 工程概况

成都市某高层建筑由 20层主楼及多层裙房组成,钢筋混凝土框架剪力墙结构,主要柱网为 7.5m×7.8m,一层地下室,埋深5.4m。该工程主楼基础采用筏板基础,裙房部分采用柱下独立基础及墙下条形基础,以稍密卵石层作为基础持力层,地基承载力特征值为 fak=350 kPa。其中,抗浮设计水头高度为 5.4m。该工程地下室底板厚度为 500 mm,基础梁截面为 500 mm×1 000mm,基础、底板及基础梁混凝土强度等级为 C30。标准跨底配筋为：面筋 Φ16@150(二级钢)双向通长布置,支座处底筋 Φ16@100(二级钢),标准跨基础梁面、底筋均为 10@25(三级钢)通长布置,纵横各均匀布置有后浇带。

2 地下室底板开裂事故及原因分析

2.1 地下室底板开裂事故

地下室部分施工完成时,地下室底板没有发现明显的裂缝,当主体结构封顶约半年后,底板开始出现少数细小裂缝;主体结构封顶一年后,底板出现了很多裂缝。地下室底板开裂情况分为两种,一种为裂缝未完全贯通,这些裂缝大多分布在多层裙房部分的地下室范围内;另外一种为出现贯通裂缝,长度从不到 1m到几米不等,分布在主楼与裙房交接处附近的地下室范围内,并出现明显的渗漏水现象。该工程沉降观测正常,沉降均匀。

2.2 事故原因分析

根据裂缝的产生及发展状况,可以判定本工程地下室底板裂缝由两方面原因造成,一种为基础设计的缺陷,由于设计缺陷的存在,相关计算与基础、地下室底板的实际受力状态不符,基础承载力达不到实际使用要求,地下室防水底板承受了比设计更大的荷载,使得结构产生较多裂缝,加之过大温差,对地下室结构产生比较大的温度应力,从而使裂缝发展成贯通裂缝,导致地下室底板出现开裂事故;另外一种原因为地下室顶板上反压覆土自重不够造成,该部分是由于地下室整体抗浮不能满足设计要求导致裂缝出现。

3 FLAC模拟地下室底板受力变形情况

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua),是以拉格朗日差分法为基础的一种数值模拟方法,是基于拉格朗日差分法的一种显式有限差分程序。FLAC是一种利用拖带坐标系分析大变形问题的数值方法,利用差分格式按时步积分求解[3]。

3.1 模型建立

地下室底板的受力按平面应变问题考虑,忽略其在一个方向上的变形,按照地下室底板的接触受力情况和边界条件,建立相应模型。对建立的模型进行材料定义,分别通过容重、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、弹性模量来定义不同变形体模型[4]。各模型层岩土力学参数见表 1。

表1 各模型层岩土力学参数

3.2 边界条件、加载情况及地下水模拟

考虑边界条件,将地下室底板模型边界条件考虑为只能向竖向移动。在本次模拟中,将地下水考虑为恒态流,不设定初始孔隙水压力。同时我们可以在建模的时候直接考虑地下水的作用,在建模初期将地下水的位置设定在施工后水位可以涨到的最高位置,这样地下水对地下室底板会有一个直接的浮力作用;另外我们可以将水压力简化为作用在地下室底板下边界的均布力,模拟地下室底板的受力变形情况。

3.3 参数选择

本次模拟采用了 10个模型,分别为泥岩层、稍密卵石层、高层建筑 1、地下室底板、独立柱基 1、独立柱基 2、独立柱基 3、顶板、顶板上覆土层、高层建筑 2。其中大部分模型采用 1∶1比例模拟,通过定义材料特性来还原模型受力变形情况。

3.4 受力结果分析

1)FLAC模拟地下室底板的第一种受力工况：在地下室施工完成时,采用了降水处理,地下室底板在不受地下水作用,也没有施工独立柱基及地下室顶板、覆土情况下,受力变形情况如图 1所示。2)FLAC模拟地下室底板第二种工况：施工基础及地下室顶板后,地下室底板在受到地下水作用后其变形情况如图 2所示。由FLAC数值模拟结果可知：地下室底板在独立柱基、顶板施工完成时,未加覆土情况下,分析其竖向位移云图可知,地下室底板变形较大,在未加覆土,或覆土的荷载不够时,在长期地下水受力作用下,地下室底板所受的力无法得到平衡,导致底板会出现较大变形,严重时底板会发生上拱,出现开裂变形事故。3)FLAC模拟地下室底板受力第三种工况：施工基础、地下室顶板及加上覆土后,地下室底板在受到地下水作用后其变形情况如图 3所示。

由图 1～图 3可知：地下室底板由于受到地下水的作用,主建筑对地基的挤压,导致地下室底板下地基对地下室底板有一个向上的力,所以地下室底板受到的力很大,而且地下室底板下的变形值为负,说明地下室底板是上拱变形。但由于顶板上加载覆土,导致平衡底板地下水压力的反力有所增加,所以有覆土的底板变形值较无覆土时小一些。三种工况下计算结果对比见表 2。

表2 三种工况下计算结果对比分析表 mm

4 现有规范检算地下室底板抗浮

采用倒置楼板的假设,将地下室当作一个倒置的楼面,用《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件》SATWE对地下室底板进行分析计算。

地下室整体抗浮检算：地下室柱底自重力为：7.5×7.8×(17.9+12.5+18.0)+33.75=2 865 kN。

浮力设计值为：1.0×10×5.4×7.5×7.8=3 159 kN。

2 865 kN＜3 159 kN,不能满足建筑抗浮要求。

地下室底板配筋检算：底板标准跨轴线跨度 7.5m×7.8m,考虑到底板配筋是由裂缝宽度控制,故计算底板配筋时可取板净跨计算,即板跨按7.1m×7.4m计算,底板按四边固端的双向板计算,通过检算支座配筋Φ16@100时地下室底板裂缝宽度ωmax=0.24mm≥ωlim=0.2mm,该工程设计计算结果不满足要求。

计算结果表明：该工程在有覆土情况下,地下室底板裂缝宽度仍然大于允许裂缝宽度,而且地下室整体抗浮不能满足要求,说明覆土所产生的竖向荷载没能抵抗住地下水所产生的浮力,基础的强度检算满足要求,导致一部分荷载作用在地下室底板上,底板因变形过大,最终出现开裂现象。

5 结论与展望

1)通过检算可知,该工程地下室整体抗浮未满足设计要求,导致地下室所受地下水的一部分荷载无法得到平衡,最终作用在地下室底板上,地下室底板设计过程中未考虑该部分荷载,裂缝检算不符合设计要求,最终导致地下室底板产生裂缝。通过对比可知：未加覆土时地下室底板在地下水作用下变形较加覆土后大,我们可以通过 FLAC数值计算将地下室底板裂缝控制在允许范围内,来优化设计地下室顶板上覆土的加载,通过调节地下室顶板覆土的加载来有效平衡地下水的作用,作为地下室优化设计的依据。对于该部分地下室底板开裂的处理,也可以采用抗浮锚杆的处理方式。2)该工程一部分地下室底板位于有群房的位置,

柱基上部荷载可平衡地下水对地下室底板的作用,地下室整体抗浮也能满足设计要求,但是该部分底板也出现了不同程度的开裂现象。通过对裂缝的分析可知该部分地下室底板开裂主要是由于基础的设计缺陷,导致基础未将上部荷载全部传递到地基,一部分荷载转移到地下室底板上,导致地下室底板出现开裂。该部分裂缝的处理：a.可在地下室底板结构表面沿裂缝走向骑缝凿出一条适当深度和宽度的 U形沟槽,然后用改性环氧树脂填充,并粘贴纤维复合材料以封闭其表面,对于宽度较大的裂缝,应以一定的压力将改性环氧树脂注入裂缝腔内,进行封闭,然后再进行防水层修补[5]。b.在地下室底板上加设泄水孔,并及时将水导出,然后降水将水压力降低,加上覆土后再将泄水孔回填。

[1]何培玲,何世玲.钢筋混凝土结构裂缝现象与变形协调条件[J].武汉理工大学学报,2005,27(9)：17-22.

[2]余立荣,莫世海,王伦兵.某工程地下室底板开裂原因分析及处理[J].案例分析,2009,27(3)：53-54.

[3]刘 冬.武广客运专线红粘土地基沉降计算与预测方法研究[D].长沙：中南大学硕士学位论文,2009：72-75.

[4]赵志方,徐世烺.混凝土软化本构曲线形状对双 K断裂参数的影响[J].土木工程学报,2001,34(5)：470-473.

[5]于德湖,程道军,张同波,等.某工程地下室底板裂缝原因分析及处理[J].施工技术,2007,36(11)：105-106.

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

刘 冬(1984-),男,硕士,助理工程师,中冶成都勘察研究总院有限公司,四川成都 610031

梅全义(1978-),男,工程师,中冶成都勘察研究总院有限公司,四川成都 610031

邓 宇(1980-),男,硕士,工程师,中冶成都勘察研究总院有限公司,四川 成都 610031