不均匀沉降对高层建筑框架地下室结构防水影响分析

於忠华，王静峰，高海云，丁兆东

(1.合肥工业大学 土木与水利学院，安徽 合肥 230009；2.合肥市重点工程建设管理局，安徽 合肥 230031)

0 引言

在实际工程中，地下室结构渗漏水是一种常见和突出的问题，原因可能有很多，不均匀沉降是其中重要原因之一。不均匀沉降会使地下室结构产生附加内力，引发结构损伤和开裂等问题，进而导致地下室结构渗漏水。

目前，国内外部分学者开展了不均匀沉降对地下室结构影响的研究[1]。研究认为地下水位的下降对于隧道沉降的影响最为显著[2]。通过试验研究了不均匀沉降对于框架结构影响，并总结了其破坏模式[3]。通过SATWE软件进行了不同沉降形式对框架结构影响的数值分析[4]。通过SAP2000软件研究了在地裂条件下的不均匀沉降对框架结构的影响[5]。采用数值分析研究了地下管道在不均匀沉降作用下的受力性能[6]。总结了实际工程中地下室不均匀沉降下的破坏模式[7]。采用注浆方法成功治理了地铁隧道的不均匀沉降[8-9]。提出了防止地下室不均匀沉降的设计措施[10-11]。对实际工程中地下室底板和侧墙的渗漏进行了分析。因此，目前大部分研究主要在不均匀沉降对上部结构受力的影响，缺少研究不均匀沉降对地下室结构防水的影响。

本文着重对框架地下室结构在不均匀沉降下防水薄弱区域进行研究。采用MⅠDAS软件建立了高层建筑地下室有限元分析模型，通过设置不同沉降形式，系统探究了高层建筑地下室结构不均匀沉降时的受力性能。对应力较大的局部区域采用ABAQUS程序做数值分析，混凝土材料采用塑性损伤模型描述其漏水状况。对这些区域在不均匀沉降下的损伤分布和破坏模式进行了深入分析。总结了不均匀沉降对框架地下室结构防水的影响。研究成果将为城市地下室结构防水的优化设计和施工应用提供科学依据。

1 工程实例

1.1 工程概况

本文选取的工程案例为中国银行安徽分行大楼，如图1所示，位于合肥市滨湖新区庐州大道与云谷路交口东北角，占地0.03 km2，建筑面积7.84万平方米，该建筑由180 m高的塔楼和25 m高的裙房组成，其西侧地势较高，东侧地势较低。地下室分为2层，总建筑面积4 154 m2，最低埋深12 m。基础形式为钻孔灌注桩基础，底板厚度为700 mm，顶板上覆土为1 m。

图1 中国银行安徽分行大楼

1.2 水文地质概况

该工程所处地区的地下水较为丰富，场地地下水上部为孔隙潜水型，赋存在填土层中，大气降水及地下径流为主要补给来源。场地地下水位埋深较浅，年常水位为地面以下(－0.6)～(－1.7)m。

地震效应及场地类别场地土类型为中软土，场地类别ⅠⅠ类，场地地面粗糙度为C类，抗震设防烈度为7度。

1.3 防水方案

该工程地下室防水设计等级为一级，采用混凝土结构自防水与柔性防水层相结合的方式，其中地下室底板、地下室外墙及室外地下室顶板自防水混凝土抗渗等级为P6。地下室底板采用4 mm SBS改性沥青防水卷材(聚酯胎ⅠⅠ型)；地下室外墙采用7mm SBS改性沥青防水卷材(聚酯胎ⅠⅠ型)。

防水工艺流程：素土分层夯实→120 mm厚砖墙保护→7 mm厚SBS改性沥青防水卷材(聚酯胎ⅠⅠ型)→刷基层处理剂一道→防水钢管混凝土侧墙局部修补。

2 不均匀沉降对地下室结构防水的整体分析

2.1 数值分析模型

选取该建筑地下室西南角部分区域作为研究对象(图1中圆圈标出的地方)，该区域的地下室底层平面图和立面图如图2所示。

图2 地下室局部区域

地下室的柱距均为8.1 m，负一、二层层高分别为5.7 m和6.3 m。该建筑局部区域的地下室简化有限元分析模型如图3所示，层高均为5 m，柱距均为8.1 m。

为了求解上部结构在恒载工况下传递至一层柱底部的集中荷载，采用PKPM软件建模。为便于理论分析，将地下室上部裙房简化成一栋3层的钢筋混凝土框架结构。层高均为5.7 m，框架柱的横截面尺寸都为800 mm×800 mm，框架梁的横截面尺寸为300 mm×500 mm，混凝土强度等级为C30。

荷载包括恒荷载(楼板的恒荷载为5.0 kN/m2，墙的线荷载为8 kN/m)与活荷载(活荷载标准值不上人屋面为0.5 kN/m2，室内为2.0 kN/m2)。荷载组合方式如下：

荷载标准组合值=1.2×恒荷载+1.4×活荷载为求解地下室侧墙和底板的土压力，采用静止土压力理论，计算公式如下：

σ0=γzK0

其中，静止土压力系数K0取0.65[12]；填土重力密度γ取18.0 kN/m3；深度z为10 m，计算可得底板处土压力为0.117 MPa。侧向土压力分布如图4所示。

采用MⅠDAS软件建立地下室结构整体分析模型，如图3所示，并赋予模型单元属性以及材料属性，网格尺寸为0.8 m。在软件中设定考虑自重，并在每层布设2 kN/m2的活荷载。

图3 模型示意图

图4 侧向土压力分布

为研究不同沉降形式对地下室结构防水的影响。采用MⅠDAS软件建立模型，分析不同沉降形式对地下室结构应力、应变以及裂缝的影响规律，得出其对地下室结构防水的影响。根据不同沉降位置，共设4种工况，如表1所示。

表1 工况设置

2.2 计算结果与分析

工况1-4的分析结果如图5～图8所示。

由图5可知，在工况1下，地下室结构应力分布是对称的：地下室负一层外墙与上部结构柱脚接触区域应力最大，等效应力为1.26 MPa(见图5b中红圈1)；地下室负二层外墙由于有侧向土压力会产生较大的应力，为0.80 MPa(见图5b中红圈2)。地下室顶板与梁接触的地方以及与外墙接触的地方会产生较大的应力，为0.91 MPa(见图5b中红圈3)。

由图6可知，工况2下沉降柱(KZ-17)处底板的应力值最大，为248.1 MPa，沿着四周呈现均匀扩散至相邻的四根柱。沉降柱处的应力值明显大于无沉降处的应力。

图5 工况1分析结果

由图7可知，工况3下结构的顶板和底板的应力明显大于侧墙，底板最大应力位于与沉降墙相邻的未沉降柱处(KZ-13为72.26 MPa、KZ-20为59.1 MPa、KZ-27 为 72.26 MPa)，靠近墙角应力越大(KZ-13和KZ-27大于KZ-20)。最大应力在前后侧墙的分布位于与沉降墙相隔一根柱的区域(KZ-6、KZ-34 均为 46.0 MPa)。

由图8可知，工况4下底板的最大应力位于沉降柱KZ-6、KZ-14处，均为94.1 MPa。靠近沉降柱的非沉降柱KZ-13处应力为67.5 MPa。侧墙处最大应力位于墙壁沉降区与非沉降区相交处(KZ-6、KZ-14)，侧墙下部应力较大。

3 不均匀沉降对易渗漏部位防水的局部分析

3.1 材料模型

为了更好地研究混凝土损伤对防水的影响，本研究采用混凝土塑性损伤模型。此模型能够较好地模拟混凝土材料的损伤过程，从而通过损伤程度来判断混凝土的开裂和破坏情况。假定混凝土的单轴拉伸和压缩性状由塑性损伤描述，如图9所示。

图6 工况2分析结果

对于防水，混凝土材料本身的抗压性能较好，而抗拉能力较差，一旦产生裂缝，会对混凝土的防水产生不利影响。因此，混凝土受拉损伤大小是描述混凝土防水性能的重要指标。为便于研究，将用 Dt表示，Dt代表混凝土受拉损伤程度，取值范围是0～1，其中0代表无损伤，1代表完全受拉损伤破坏。将用Dt来描述混凝土的损伤程度以及混凝土防水性能的好坏。

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图8 工况4分析结果

3.2 有限元分析模型

在不同沉降形式作用下，地下室局部区域会有较大应力，因此，这些区域是防水的薄弱区域，需要详细研究。

图9 混凝土塑性损伤模型

本文选取工况2的沉降柱底部区域和工况4的地下室侧墙区域，如图10所示。

图10 有限元模型

3.3 柱的不均匀沉降

选取工况2下沉降柱(KZ-17)及其周边的四根柱，采用ABAQUS软件建立了有限元模型。分析了柱的不均匀沉降对地下室结构防水的影响，着重对地下室底板在柱沉降后应力应变和损伤分布进行分析。

表2 材料参数表

图11 单柱沉降ABAQUS计算结果

由图11b、图11c可以看出，底板上部混凝土受拉损伤主要分布于柱2～5的柱脚处。底板下部混凝土受拉损伤由柱1底部开始向斜向45°延伸。

在图11b、图11c损伤区域选取10个单元，研究随着压力变化其损伤的变化。A1～A5单元为底板上部单元，A6～A10单元为底板下部单元，结果如图12所示。

由图12可知，板上混凝土损伤开裂早于板下部混凝土，随着沉降值的增大，下部混凝土损伤会迅速增大。

图12 底板的单元损伤曲线

文献[10]介绍了某大型公共建筑地下室底板出现渗漏的情况，如图13所示。由图可知，其发生渗漏的区域主要集中在柱脚和其延伸区域。这与本文所得出的薄弱区域基本一致。文中指出渗漏原因有“未使用适宜的建筑设计配筋，混凝土受到的约束作用被极大地削弱。所以导致施工过程中，混凝土将逐步形成温度变形、应力集中和干缩等现象。同时因为约束缺乏，在不均匀沉降的作用下，很可能产生混凝土裂缝，最终引发了渗漏”。由此可知，在薄弱区域加强配筋可避免不均匀沉降裂缝和渗漏现象的产生。

图13 某大型公共建筑地下室底板渗漏情况

3.4 墙的不均匀沉降

根据设计图纸，地下室外墙外侧配筋32@150，地下室外墙内侧配筋 20@150，墙厚为800 mm，采用C30混凝土，材料本构关系和模型设置同3.3节。有限元分析结果如图14所示。

图14 剪力墙沉降ABAQUS计算结果

剪力墙在不均匀沉降作用下沉降处墙底部(B1区)会有斜裂缝产生，在非沉降处墙顶部(B2区)会有向下的裂缝产生。在2个区域各选取一个单元，研究随着沉降值的变化其受拉损伤值的变化，如图14b所示。图14c的结果表明B1区的混凝土开裂明显早于B2区。沉降处的裂缝率先开展，方向为斜向。随后非沉降处会有竖向裂缝从顶部向下开展。

文献[11]分析了地下室墙裂缝的渗漏，指出了高层建筑混凝土地下室墙裂缝现象的普遍性。图15为地下室典型倒八字形墙裂缝，该墙的底部斜裂缝开展较为严重，裂缝的位置与图14b所示的斜裂缝较为吻合。文中指出“一些工程设计中地下室墙长突破了规范规定，水平钢筋仍按构造配置，这是墙较易出现裂缝的又一因素”。“加强水平钢筋的配置，水平钢筋保护层应尽可能小些。防裂钢筋的间距不宜太大，可采用小直径钢筋小间距的配筋方式”。由此可见，墙体过长且在不均匀沉降作用下是引起墙裂缝产生和漏水的一大原因。需加强配筋增加约束，减少墙长度，以避免不均匀沉降裂缝和渗漏现象的产生。

图15 地下室剪力墙倒八字形裂缝

3.5 地下室防水措施

就防水而言，柱子发生不均匀沉降的时候，在柱2～5的柱脚区域和图11c所示柱1损伤延伸区域容易有裂缝产生。地下室侧墙不均匀沉降时会在侧墙底部产生大量斜裂缝。上述有限元分析和实际工程案例的对比证明了这些区域是地下室结构防水的重点区域。在这些重点区域加强防水措施是地下室结构防水的关键。具体可采取的措施有：

(1)在设计时，重点区域加强配筋，以增强对混凝土的约束。重视变形缝的设计，减小不均匀沉降引起的结构变形和混凝土裂缝。重视建筑基础的施工质量，对于软土地基需采取地基处理，以减少不均匀沉降的发生。

(2)采用刚性防水措施，在混凝土中加入防水剂，提高混凝土的防水性能。在混凝土的生产、运输、浇筑和养护过程中严控施工质量。

(3)采用柔性防水措施，选择良好的防水卷材，严格控制防水卷材的施工质量。

4 结论

(1)本文研究了框架地下室结构在不均匀沉降作用下受力性能和破坏模式，从而确定容易渗漏的位置和路径。

(2)采用MⅠDAS软件建立了地下室整体模型，对无沉降、单柱沉降、一边墙壁整体沉降和一边墙角沉降等四种工况进行研究。结果表明单柱沉降的柱脚区域和一边墙角沉降的侧墙区域会有较大的应力，容易发生混凝土开裂，导致地下室结构防水的失效。

(3)对单柱沉降的柱脚区域采用ABAQUS建立有限元模型。结果表明，底板下部混凝土裂缝呈现斜向交叉分布。底板上部柱脚处的混凝土会先于底板下部的混凝土开裂。有限元结果与实际案例对比发现破坏现象较为吻合。这说明地下室结构在柱发生沉降时渗漏容易发生在柱脚处。

(4)对一边墙角沉降的侧墙区域采用ABAQUS数值分析。发现侧墙沉降处的裂缝为斜向45°向上延伸，非沉降处的混凝土为竖直向下延伸。沉降处的混凝土先于非沉降处的混凝土开裂，并有更大的最终损伤值。有限元结果与实际案例对比发现破坏现象较为吻合。这表明地下室结构在剪力墙发生不均匀沉降时渗漏容易发生在剪力墙底部的斜裂缝处。

(5)对于防水，地下室底板在柱子发生沉降的时候，会在柱脚和柱网中心区域有裂缝产生。地下室侧墙墙角发生沉降的时候，侧墙底部会有斜裂缝产生。因此，这些区域是防水的重点区域，需要加强防水措施，避免产生漏水现象。