渗流力对地下室结构裂缝影响研究

戴 葵，戴云松，王丽芳，童其中

(1.武汉轻工大学 土木工程与建筑学院 湖北 武汉430023； 2.华南师范大学 经济与管理学院 广东 广州510006； 3.河南郑州市二七区城市管理执法局 河南 郑州450000)

渗流力对地下室结构裂缝影响研究

戴 葵1，戴云松2，王丽芳3，童其中1

(1.武汉轻工大学 土木工程与建筑学院 湖北 武汉430023； 2.华南师范大学 经济与管理学院 广东 广州510006； 3.河南郑州市二七区城市管理执法局 河南 郑州450000)

地下室结构对防渗性有很高要求，防渗等级与裂缝宽度直接对应，外界作用力的大小决定裂缝的宽度大小，但外界水土侧向作用力的计算一般考虑土压力和静水压力作用，没有考虑渗流的作用，会导致计算值和实测值相差较大。在渗流力作用下，渗流力使土的有效应力大小发生改变，从而影响土的抗剪强度，使地基下沉，产生地下室结构裂缝。通过计算阻碍力和渗透力的相互作用，建立求解未知数方程，得到计算外界作用力的新方法，根据多种地质条件，使地下室裂缝的计算更符合实际情况。

渗流力；裂缝；水土压力；阻碍力；水压力

Abstract：Basement has high request for impermeability, anti-seepage grade corresponds to crack width directly,and the magnitude of external force decides crack width dimension, but earth pressure and water pressure are usually considered for calculating external force. Nonconsideration of groundwater seepage is one of the main reasons why measured values are generally very different from those calculated values.Under the action of seepage,seepage force changes the soil effective stress and affects the soil shear strength,and makes foundation soils sinkaqe and crack in underground structure.Through calculating interaction of the hindering force and seepage force ,by setting up differential coefficient equations and constructing , a set of entire new expressions for calculating external force was presented with consideration of groundwater seepage. Corresponding to different foundation conditions, this new method for calculating structure crack is more practical and accurate.

Key words：crack; seepage force ; water-earth pressure ; hindering force; water pressure

1 引言

结构的发展，除了向上要空间外，也要向下扩展空间。地下结构的设计不仅仅由强度计算控制，往往更多由裂缝计算控制。钢筋混凝土构件刚一开裂，钢筋就承担起原由混凝土开裂面所负担的拉力并限制了裂宽的开展，于是在混凝土的其他软弱断面依次引发出其他的新裂缝[1]，即当以前出现的裂缝中间混凝土的拉应力达到混凝土的抗拉强度时，出现新的裂缝。裂缝按照它们在荷载作用下扩展形式的不同分为3种基本类型[2]：(1)正面张开式裂缝：正应力和裂缝面垂直，在正应力作用下裂缝尖端处上下两个平面张开而扩展，且扩展方向与正应力作用方向相垂直。(2)侧向滑移式裂缝：当构件或试样承受剪切时，若剪应力与裂缝表面平行且其作用方向相垂直，使裂缝的上下两个面相对滑移而扩展。(3)两侧划开式裂缝：剪应力和裂缝表面平行，且剪应力作用方向与裂缝方向相平行，在剪应力作用下裂缝的上下两个平面撕裂而扩展。地下室结构的裂缝是以(1)为主，由(1)和(2)复合形成的，设计计算时可忽略(2)的影响。对地下室侧墙的压力主要是侧向土压力和侧向水压力。根据一般土力学理论分析计算的侧向水土压力和实测值相差较大，地下室侧墙的实际内力与计算值相差较多，大多数情况下实测应力偏大，但有时因渗流产生的水压力使实际内力大于计算值，使地下室侧墙产生裂缝，引起水的渗漏。裂缝的计算所采用的水土压力计算值应考虑渗流的作用。当裂缝间距达到足够小时，混凝土中产生的拉应力达不到混凝土抗拉强度时，已出现的裂缝在外加荷载作用下会更宽，不会增加裂缝数，出现裂缝饱和现象[3]。裂缝饱和条件下的裂缝间距和数量随混凝土保护层厚度的增大而增大和减少。国内外对这方面仅限于在静力作用下研究计算裂缝，与实际结果有较大的误差，国外的配筋只是加大以达到安全，确保裂缝在控制范围，虽然带有经验估值，但经济效益不好，尤其是难以区分主动土压力和被动土压力时，裂缝的计算更容易出现较大的误差。

2 水压力及渗流力计算

计算地下室侧墙水土压力通常按静水力考虑的，但这样得到的计算图式不符合实际情况，计算结果与实测值数值误差较大。因为支护结构两边土体的高度有差别，使两侧土压力类别不一样，根据土压力对支护结构的作用情况，高的土体会形成主动土压力，低的土体会形成被动土压力。水流通过土中孔隙难易程度被称为土的渗透性，因为水的渗流作用，水的阻碍力做负功使得水头损失，作用在支护结构上的水压力已经不是静水压力。

渗透水作用在单位体积土体中颗粒上的力是渗透力，用GD(kN/m3)代表，其数值和土颗粒对渗流水的阻碍力T相等，方向相反，GD=-T。按照达西定律得到[4]

v=ki.

(1)

渗透系数k一般按图1实验确定，也可按理论与实测相结合的反演分析法求解[5]。

根据图1所示，主动水土压力计算公式[6]如下:

(2)

pz(y)=pa(y)+pw(y)=[(γ'+

(3)

式中:y是土压力计算点的深度，γ'是土的有效重度，ka是主动土压力系数，c是内聚力，pa(y)是主动土压力，pz(y)是主动水土压力，pw(y) 是主动区上的水压力。

计算结果表明结构底端两侧水压力不相等，应该按照地质情况和排水条件，由固结不排水试验确定c和φ的取值[4]，就能解决误差。

3 裂缝计算

渗流会减小土体抗剪强度[7]，应防止因地基土的破坏而引起地下室结构的损害和裂缝，这另外做分析，以下仅考虑渗流作用于地下室外墙的影响。地下室外墙可根据结构类别和环境类别选用不同的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值[8]，外墙裂缝的最大开展宽度是结构耐久性和防渗性能否满足要求的基础，要根据实际受力条件进行准确计算，外墙最大裂缝宽度的计算值不应该超过《规范》[8]规定的允许值。外墙裂缝应该根据荷载效应的标准组合并考虑长期作用的影响，结构外墙最大裂缝宽度按下列公式计算[8]：

(4)

在已有的计算程序基础上，将上述原理和公式编入，编制成新程序进行计算设计。

4 工程计算实例

某小区建筑结构工程由2栋26层，3栋18层建筑，3栋15层住宅楼组成，基础型式，经研究实际地质状况，使用静压桩基础比较好，基础基坑开挖深度为3—14.50 m，开挖总面积约12 000 m2，基坑支护周长约390 m。设一层地下室，地下室底板面由-4—-8 m。从地质勘察报告资料揭示，基坑侧壁土层有填土、中细砂、粉质粘土、粘土，底板基础底部是老粘土。截面见图2 ，表1列出了各土层的参数。其中：混凝土标号C45，钢筋强度Ⅱ级，地下室侧墙厚度300 mm，设计抗渗等级S6。地下室侧墙按主动区水土压力值进行内力、强度和裂缝计算。

表1 地下室侧墙处地质断面土层上下分布

土层名称γ(kN·m-3)C/kPaφ/°K/(cm/s)填土16．8003．72×10-4中细砂19．20302．95×10-3粉质粘土19．35．1221．76×10-5粘土19．76．2241．62×10-5老粘土20．67．1261．53×10-5

图1 地下室侧墙侧压力分布简图

图2 基坑截面

图3 水土压力计算值分布

把以上数据分别代入式(3) 中，就能求出在地下室侧墙各处的主动水土压力，继而求出相应的弯矩，根据混凝土结构设计规范[7]，再计算出裂缝宽度，利用已编成的新程序进行计算，得出结果见表2。从本文的计算结果显示：pa小于传统解法得到的水土压力pa1，笔者在本计算中把水受阻碍的作用加进去按渗流力计算水压力，不按通常的静水压力分析计算；而通常的计算算法没有考虑水施加在土体上的渗透力影响。最大裂缝宽度限值为0.2 mm，采用本计算方法可在相同条件下，减小侧墙厚度，节约钢筋和混凝土。当地下室高度过高，裂缝宽度超过限值时，可采取加大厚度、提高混凝土标号、提高配筋率实现。

表2 地下室侧墙水土压力和裂缝宽度计算

y33．33．6455．566．5h133．33．6455．566．5h211．522．533．544．2Pa22．08426．46482830．56174735．41311145．69090951．42157．1265762．16713W0．012380．017950．024660．035280．192340．333860．505470．70069Pa139．59443．553447．512852．79265．9972．58979．18885．787y77．566．577．588．5h177．5888888．5h24．555．55．55．55．55．56Pa67．4272573．1307157．3927462．7496368．1065373．4634278．8203284．4991W0．932681．209980．508750．709120．944081．216391．52881．89203Pa192．38698．98579．18885．78792．38698．985105．584112．183

5 结论

(1) 地下室侧墙因两侧地下水位差的影响，因为渗流及土体受到的渗透力和水受到的阻碍力，计算结果会与常规计算有较大的差别。

(2) 渗流力大小的计算对地下室侧墙的设计有很大影响，强度尤其是裂缝计算需考虑。

(3)地下室侧墙受力的计算和设计的准确取决于土渗透系数、(侧向)土压力系数、水土压力和抗剪强度的精确确定。

(4) 侧墙所受水土压力实际测量数据与传统土力学理论计算值相比更小。计算公式考虑了渗透力和阻碍力对通常计算的水土压力的影响后，才符合实际。

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Research on seepage force on the impact of underground structure crack

DAIKui1，DAIYun-song2，WANGLi-fang3，TONGQi-zhong1

(1.School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China； 2.School of Economy and Management,South China Normal University,Guangzhou 510006,China； 3.Urban Management and Enforcement Bureau of Erqi District,Zhengzhou 450000,China)

2017-05-27.

戴葵(1965-)，男，副教授，E-mail:daikui888@163.com.

2095-7386(2017)03-0059-04

10.3969/j.issn.2095-7386.2017.03.012

TU 470

A