考虑地下水浮力分布规律某工程地下底板抗浮性能分析

杨新峰，刘平，马跃

(江苏科技大学土木工程与建筑学院，镇江 212100)

随着中国经济的快速发展，人才与资本向一些超大城市集中，造成土地资源越来越少，于是人们开始把发展目光和挖掘潜力转向了地下，出现了大批地下车库、地下粮仓[1]、地下商场等建筑。地下工况复杂多变，在地下水浮力作用下结构四周和基底遭受水力侵蚀，导致结构上浮或倾斜、倒塌破坏，许多学者就此问题已开展研究[2-4]。越来越多的地下建筑安全事故[5]说明地下结构与周边土体和周边水的相互作用机理复杂，所以有必要对该问题进行深入研究，避免更多工程灾害发生及生命财产损失。

赖颖等[6]通过现场实测和数值模拟相结合的方法，分析建筑周边重约束对地下车库抗浮能力的影响；於忠华等[7]基于MIDAS和ABAQUS，考虑不同底板形式，研究地下水浮力对高层建筑地下室防水性能的影响，指出可能渗水位置，Ahmed等[8]利用有限元方法研究水下建筑物底板渗流问题；曹洪等[9]推导出一种简化算法用于临江地下结构二元地层渗流分析，发现覆盖层地下底板浮力中间大、四周小的规律；陆启贤等[10]利用U形管模型试验装置和孔压计对黏土进行试验，结果证明黏土水浮力折减系数在0.84～0.87范围内，且折减系数与水位呈正相关；Zhou等[11]通过试验发现，黏性地基等弱渗透或不透水土壤的地下水浮力值明显低于阿基米德原理值，拟合计算后，地下水浮力需要折减；Gourvenec等[12]将浮力看作环境荷载，浮力对结构的作用全部由基础承担，所以基础作用是核心；李健等[13]基于某多层建筑地下车库，探讨了沉降差异、抗浮设计与筏板基础大面积裂缝之间的关系；潘立[14]对混凝土筏基抗渗漏抗裂验算的组合拉应力、温度做了补充；Chian等[15]通过动态离心试验探究地震荷载下土壤性能及液化土中浮力结构的位移变化；舒昭然等[16]基于某地下室上浮破坏案例，分析不同尺寸底板挠度变形规律，证明公式推导结果优于数值模拟结果。因此，针对地下水浮力对结构的不确定性与扰动性，诸多学者与工程师提出了许多有效抗浮措施，包括抗拔桩、降低水位、锚杆等。孙伟武等[17]基于结构板底传力模式和弹塑性变形理论，提出了一种更为安全、经济的抗浮锚杆布置形式，利用数值模拟对该方案的性能与受力进行分析，有利于锚杆优化配置，徐寒[18]结合工程实例介绍了《抗浮锚杆技术规程》对抗浮锚杆的试验要求和锚杆极限承载力标准值取值方法。目前滨海地区、地下水位较浅地区研究较少，张子涵[19]在前人研究基础上提出了新抗浮试验思路，对土层水浮力理论与作用机制深入研究，并用数值模拟手段验证结果；马婷玉[20]对雨水充沛地区抗浮桩做了详细研究，以改善浮力较大问题；Tang等[21]分析了某地下车库工程在暴雨作用下发生不均匀浮动的原因，并针对性地对工程提出覆土、梁柱板加固、植筋注浆和加预应力锚杆等措施；李国胜[22]阐述了目前地下结构设计时抗浮水位确定的现状及相关规定及不同的抗浮验算方法，并分析不同规范对抗浮承载力的确定方法；牛志春等[23]基于实际工程某小区地下室，在原抗浮设计的基础上提出了新抗浮设计方案，新方案效益显著；古今强等[24]充分阅读参考文献及地方标准，说明要对勘察建议的抗浮设计参数进行必要调整，此外还需结合实际情况决定采用被动抗浮或主动抗浮；牟艳君[25]的研究证明除结构内外刚度协同抗浮之外，结构自身整体刚度在抗浮过程发挥重要作用。对于地下水浮力折减问题的计算，学术领域出现两种不同声音。李广信[26]认为地下水浮力与水浮力是一个概念，故而地下水浮力不需折减；方玉树[27]、梅国雄等[28]认为部分种类土的地下水浮力计算过程中需要考虑折减系数，且折减系数不定量，这些情况已经纳入实际工程规范。以上中外学者已经对地下水浮力问题及地下结构与构件的抗浮性能或失效机制开展了不同程度的研究。

现基于江苏镇江某单建式地下车库，通过观测位移实测值反映沿江地区结构地下底板性能；利用ANSYS APDL数值仿真，分析有无折减工况下地下车库底板应力变化与位移分布，计算其抗浮能力。本文工程地下底板在地下水浮力复杂分布规律下预计需考虑折减效应更符合实际作用情况。

1 工程及观测数据

镇江地处长江与京杭大运河交汇处，且境内年均降雨充沛，因此有必要针对该小区地下车库的位移变化进行观测，验证基底安全性能，位移变化数值可侧面反映地下车库底板的抗浮能力。

1.1 工程背景

以江苏省镇江市某六层小区单建式地下车库工程作为研究对象，其中，地上建筑高度为20.4 m，建筑整体呈框架结构，地下共一层，层高4.2 m。本文此地下车库防水等级为二级，地下部分钢筋混凝土结构采用防水混凝土，抗渗等级为P6。该小区周边房屋及人流稀少；需特别注意，京杭大运河位于其附近300 m左右，运河平均水深为3.2 m。

1.2 观测方法及过程

对地下车库的位移指标的观测工作将采用水准控制点组成的闭合水准网[29-30]方法，以预设基准点(由于待测目标幅度范围较大，基准点布置于地下车库南侧公路上，方便监测)为本文高程基准点，在基准点与待测点之间建立固定的观测路线，按国家二等水准观测精度要求进行观测。根据现场实际情况在地下车库共布置了29个观测点，详细布置图如图1所示。

①～轴及A～L轴为CAD轴线

1.3 数据观测结果

取暴雨之后测点7和测点8发现上浮后的变形数据进行分析，上浮位移如表1所示；采取加固措施后，底板上浮开始回落，趋于稳定，取地下车库中间轴线G轴和次中间轴线E轴上的各6个测点分析，全部观测工作量分12 d完成，历时205 d，考虑到数据庞大和计算分析的参考性，12 d观测天数按时程均匀取5 d，变化位移如表2、表3所示。

1.4 数据分析

将表1数据绘制成曲线如图2所示，分析测点上浮值随时间变化趋势，探究地下车库结构随时间上浮或沉降的总体趋势。

表1 暴雨后测点7、8上浮值

由图2可知，两测点时程变化的上浮值总体趋势比较接近，可证明观测数据的可靠性；且暴雨之后地下水浮力较大，导致地下结构上浮，后期则会回落，说明地下结构性能受浮力影响较大。

图2 暴雨后测点7、8上浮位移曲线图

将表2和表3数据绘制成曲线，分别如图3和图4所示，分析同一天底板四周与中央的位移分布，初步总结地下底板浮力变化规律。

表2 G轴测点时程观测数据

表3 E轴测点时程观测数据

图3 G轴测点位移曲线

图4 E轴测点位移曲线

由图3、图4可知，G轴和E轴的曲线变化趋势总体比较相似，位移以上浮为主，后期反映为沉降。两轴中间测点(如测点14、15、20、21)的位移比边缘测点(如测点12、17、18、23)要低，初步说明地下车库中央部位的地下水浮力较四周边缘位置要小，且沉降现象亦可总结反映出此规律。

2 计算与讨论

采用通用有限元软件ANSYS APDL平台，完成地下车库整体结构建模(包括梁柱框架，侧墙、板及周边岩土边界层)、施加车库底板下部水浮力荷载、运行计算，由数值模拟结果研究浮力分布规律及结构整体抗浮效果。

2.1 有限元模型

对于墙体，采用SHELL181壳单元，从几何角度看，为二维平面单元。地下车库侧墙体有限元计算模型如图5所示。

图5 墙体计算模型

对于梁柱框架，采用BEAM188单元，图6为梁柱单元的有限元计算模型。为了显示方便，图中采用实体显示模式，实际上是一维线性单元。

图6 梁柱框架计算模型

对于边界岩土模型，采用SOLID65单元。为了在减少边界效应与计算效率之间达到平衡，选择一倍车库高度的岩土层厚度来模拟车库下岩土层影响。一般而言，对于岩土边界层应该按结构的2～3倍尺寸取值比较合适，但是本文的重点是关注地下水浮力因素，故假设土层力学特性均匀，选择一倍车库高度来计算。

墙体、梁柱、楼板等结构在APDL网格命令流中均采用自动划分方式。结构全部计算模型(含梁、柱、墙、楼板及地下车库周边岩土)如图7所示。

黄色为车库楼板；蓝色为车库周边岩土层

2.2 结构计算加载

地下结构抗浮失效事故[31]发生一般分为两个阶段：第一阶段，地下水位处于正常变化范围内，基底土体承受压应力作用，此阶段地下水位的变化并不会引起结构大面积上浮，仅改变地下结构位移的数值；第二阶段，地下水位超过一定限值，基底土体承受拉应力作用而破坏，此阶段地下水位的上升将导致地下结构位移的迅速增加，使结构发生较为明显的相对变形。

地下车库结构初始状态假设处于平衡状态。破坏状态即为暴雨后水头4.5 m作用，此水头为地质勘察时的地下水位高度，按地下结构的设计，基底土体已承受拉应力作用而破坏，出现抗浮失效事故。

无折减工况下车库底板下水浮力为均布荷载为，其中水头高度H无变化，H=4.8 m，即均布荷载qb=4.8×104Pa。

对于折减工况，地下车库长度方向为90 m、宽度方向50 m，车库底板水浮力加载函数如式(1)所示，加载示意图如图8所示。

图8 折减工况车库底板水浮力加载示意图

(1)

式(1)中：q为车库底板荷载，Pa；x为地下车库长度方向距离，m；y为地下车库宽度方向距离，m。

2.3 计算结果

基于通用有限元软件ANSYS APDL，考虑地下水浮力有无折减两种工况，现将地下车库底板应力与位移分布情况列出如下。

2.3.1 无折减工况底板分析

图9为无折减工况时车库底板的等效应力分布云图，可以看出，基底柱位置处应力较大，这是工程中需要注意的地方；由于未考虑塑性阶段，因此底板应力中较大位置处已经超出混凝土屈服强度14.3 MPa，其中最大值达到73 MPa；除侧墙附近柱脚与底板相交处外，其余大部分板均处于弹性状态。

图9 无折减工况车库底板等效应力云图

在无折减工况下，底板单元的位移云图如图10所示。可以看出，底板位移四周小、中间大，而且中间部分位移梯度非常小，表明地下车库整体框架刚度很大。

图10 无折减工况车库底板位移云图

2.3.2 折减工况底板分析

图11为折减工况下车库底板等效应力分布云图。可以看出，在基底柱位置应力较大，其余部分应力情况正常。相比于无折减工况，折减工况下的地下水浮力折减对结构应力削弱效应与位置有关，即越靠近地下车库中央，应力削弱效应(比例)越大。

图11 折减工况车库底板等效应力云图

在折减工况下，底板单元的位移云图如图12所示。可以看出，底板位移四周小、中间大，与无折减工况下不同的是，位移最大值不出现在车库中央，而是在中部位置附近区域，这是因为对中央区域水浮力进行了折减，而离中部位置远的位置折减系数较小、水浮力较大。

图12 折减工况车库底板位移云图

2.3.3 竖向反拱位移对比

将图1中轴线6与轴线8反拱位移测量值与非折减工况、折减工况位移值进行比较。图13(a)中，靠近墙位置，反拱值较小，但增长幅度较大。这是因为侧墙处重力较大，与水浮力相平衡，位移较小。3种工况均展现出这种规律，但是实测值较计算值有些滞后，这是因为实际施工时侧墙位置如地下柱、条形基础等在计算模拟时并未考虑。图13(b)中3条曲线的规律分布与图13(a)基本一致，实测值曲线右侧趋于平缓是因为该位置靠近车库入口，车库入口刚度限制其位移变化。

图13 8轴位置竖向反拱曲线

通过图13 3种情况下反拱位移的对比分析，无论数值还是规律，考虑折减工况后的计算结果均较非折减的结果更符合实测情况。因此可认为，地下水浮力作用双线性正弦折减规律适用于所研究工程。

3 结论

通过对镇江市某六层小区单建式地下车库工程进行位移观测分析及结构数值仿真模拟，研究地下底板在地下水浮力是否折减两种工况下的抗浮效应，得出如下结论。

(1)地下车库工程采用大面积地下底板时，出于安全考量和工程整体效益，计算工况需要考虑地下水浮力的折减效应，可有效降低地下底板应力和位移；根据本文数值仿真模拟结果，地下水浮力分布规律可按中间小、四周大的模型分布。

(2)地下水浮力折减工况下，地下底板位移趋势基本呈现为四周小、中部大、中央小，折减工况下位移数值云图与实测结论更为吻合。

(3)地下水浮力有、无折减工况下，应力最大值都出现在侧墙基底柱脚与地下底板相交处，实际工程中需特别注意该位置的情况，车库中央部位应力正常；且地下水浮力折减对应力的削弱效应也与位置有关，即越靠近地下车库中央，应力削弱效应(比例)越大。

(4)需注意的是，本文方案是结合现象与检测结果反推，属于通过现象判断机理的研究方法，而地下水与岩土具体作用机理、规律推广，还需做进一步的论证。