地下结构耐久性影响因素分析

李太胜

0 引言

随着对地下空间的不断开发,耐久性下降已是影响地下结构使用的重要因素,研究地下结构的耐久性,提出地下结构的耐久性设计措施,对地下结构的使用和后期维护、最大限度地延长其使用年限、发挥其经济效益,具有非常广阔的应用和研究前景[1]。

目前,国内外对混凝土和钢筋混凝土材料的耐久性问题在实践和理论方面都取得了巨大的成果,但其研究成果还是主要应用在地面结构和水工结构方面,对于地下结构来说由于其长期埋置于岩体中(同时可伴有地下水),耐久性影响因素相对于地面结构更具复杂性和不确定性,目前研究工作也多停留在材料层面上,对结构层次(包括荷载、应力应变、差异沉降、地下水渗流、施工过程等)的研究还很不够;同时在地下结构耐久性技术规范及标准的制订方面也很欠缺,没有统一的标准,造成目前地下结构耐久性相比地面结构的相对落后。

在考虑影响地下结构的耐久性因素问题时,应从地下结构内在和外在因素出发,做到多因素综合考虑。根据地下结构材料和赋存环境的损害,主要分析以下因素的影响:

1)材料内部缺陷的影响(包括碱—集料反应和岩土体的内部缺陷);

2)应力变化的影响(包括施工、地震、地层沉陷等);

3)水的影响;

4)土的影响。

1 材料内部缺陷的影响

地下结构支护的主要材料是混凝土,而混凝土耐久性的下降很大程度上取决于混凝土材料内部结构的缺陷和损伤。

混凝土材料内部包含粗、细骨料和水泥等固体颗粒物质,游离水和结晶水等液体,以及气孔和缝隙中的气体等所组成的非均质、非同向的三向混合材料。混凝土内部的孔隙是其施工配制和水泥水化凝固过程的产物。因此混凝土材料是一种非均匀的多相介质,在构件承载之前,混凝土不同层次的相界面及水泥浆本身,已经存在着大量的各种尺度的随机分布裂纹,即初始损伤。这些初始损伤不仅在荷载作用下进一步扩展,而且对混凝土破坏起着关键性的控制作用。这些损伤使混凝土结构具有多孔性和渗透性。一般而言,因混凝土的密实度差,即内部孔隙率大,则各种液体和气体渗透进入其内部的可能性大,渗透的数量和深度都大,因而将加速混凝土的冻融破坏、碳化反应层更深,增大化学腐蚀,钢筋易生锈,因此,内部原因是影响混凝土耐久性的主要原因[2]。

2 应力变化的影响

应力变化主要包括施工荷载变化及水土荷载变化。由于工程建设施工和环境水土的变化,地下结构承受荷载相应发生变化,结构物各部分的应力状态随之变化,从而导致拉、压区及受弯区或剪应力区的状态和范围都会有所变化。地下结构的耐久性与混凝土材料的孔隙率(或渗透性)关系密切,而其受力状态则能影响材料的渗透性。不同的应力状态将使混凝土孔隙率发生变化甚至产生裂缝。在拉应力区,材料的孔隙率大,渗透性也将明显提高,混凝土易于碳化,氯化物等侵蚀性物质也易于通过受拉区混凝土到达钢筋,从而引起钢筋锈蚀。前苏联曾有人通过试验证明,在无筋混凝土试件中(水灰比为 0.47),当压应力约为0.7Rup(压应力极限强度)时,CO2气体的有效扩散系数可降低一个数量级;而当拉应力为 0.7Rp(拉应力极限强度)时,则将增加1个 ～2个数量级[3]。另外,地下水运动及渗流耦合效应规律也将影响到土体及结构的应力应变和耐久性能。

应变变化主要是周围围岩的不均匀变形和基底的不均匀沉降。由于地下结构所处的周围岩土体的不均质性(包括固结度、压缩系数等),围岩应力应变的分布不断变化,以及周围动荷载的作用,直接导致结构受力不均,变形非连续,结构不均匀沉降,使结构内的各构件之间产生相互作用的应力,并可能形成裂缝,这种裂缝在结构的交接处更为明显。因此,要对结构的不均匀沉降进行控制,监控周围岩土体的变化,避免结构构件之间的相互挤压。

3 水的影响

地下工程大多数都和地表水、地下水接触,这些水都以不同的方式,在不同程度上对地下结构和支护结构产生作用,如果不及时采取防水措施,结构就会渗漏,轻则影响使用,或缩短结构的使用年限,重则淹没毁坏整个地下工程,影响地面建筑和周围环境,因此加强地下结构的防水技术有十分重要的实际意义。

水对地下结构的影响是多方面的,主要有以下几个方面:水对地下工程支护结构的影响、地下水渗流对地下结构的影响、地下水水位变化对地下结构的影响。

为了保证地下结构的防水质量,除合理设计地下水的设计水位外,还应从工程位置选择、总平面布置、建筑防水、结构设计和施工方法等方面进行全面考虑。从防水的角度看,地下结构的设计基本要求如下:

避开地质构造比较复杂的地带,如岩石的断裂和破碎带、土层中的含承压水粉砂层等;选择地势较高的地形,使地下结构的埋置深度既符合使用要求,又处于设计地下水位以上,以简化防水措施;避开地面上容易积水的低洼地形;避开地下水严重污染或地下水的水质对结构有腐蚀作用的地段,同时避开地面上有较强震动的地区。

结构的外形尽量整齐简单,减少凹凸部位;岩石中的地下结构,主要洞室的地面标高应略高于洞口外的地面标高;对于防水的薄弱环节,应从建筑布置上加强防水措施。

在选择结构形式时,应有利于防水构造和防水施工;按照地下水在设计时的静水压力,保证结构有足够的强度和刚度,防止裂缝,同时应防止地下水因受水的浮力而丧失稳定时,使防水构造受到破坏;应防止地下结构发生不均匀沉降,避免结构开裂导致防水构造破坏,必要时应设置沉降缝,过长的地下结构如地铁、隧道等应考虑适当设置温度收缩缝。

4 土体的影响

由于地下结构埋置于岩土体中,土体特性对地下结构的耐久性有重要的影响,土在受到竖向附加应力作用后,会产生压缩变形,引起基底沉降。土体在压力作用下体积减小的特性称为土的压缩性。土体积减小包括三部分:

1)土颗粒发生相对位移,土中水及气体从孔隙中被排出,从而使土孔隙体积减小;

2)土颗粒本身的压缩;

3)土中水及封闭气体被压缩。由于土的压缩,会造成地下水的排出、结构的不均匀沉降,降低结构的可靠度和使用年限。

土是具有连续孔隙的介质。土孔隙中的水当有水头差作用时,会发生流动。上游的水就在水头差的作用下,通过土的孔隙而流向下游,这种现象叫做土的渗透性。如果地下结构处于水位较低处,上游的水就会向地下结构所在处流动,造成水位变化,影响地下结构的正常使用。

5 结语

地下结构耐久性的影响因素众多,很多因素尚不明确或研究不够,例如岩土体本身相对于混凝土材料的复杂性、屈服准则和本构关系的不定性,而且地下结构的耐久性是随着围岩与支护的相互作用而不断改变,这就造成了地下结构耐久性设计一直滞后于地面结构。地下结构耐久性影响是一个综合因素影响的过程,本文仅对各自的影响进行了探讨,存在一定的粗糙性。

[1] 金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京:科学出版社,2002.

[2] 黄兴隶.工程结构可靠性设计[M].北京:人民交通出版社, 1989.

[3] 罗福午.建筑结构缺陷事故的分析与防止[M].北京:清华大学出版社,1996.

[4] 朱国民.地下结构工程中的几种可靠度分析方法[J].山西建筑,2010,36(6):78-79.