地下水浮力对地下建筑结构安全的影响

摘 要：本文将结合对某地一典型地下水浮力造成工程事故的调查结果,对地下水浮力所造成的建筑结构损伤以及变形和刚度变化等进行科学研究,从而分析地下水浮力对地下建筑结构安全性能的具体影响.

关 键 词：地下水浮力；地下建筑结构；影响

地下水浮力对地下建筑物的钢筋混凝土结构的影响体现在多个方面,例如混凝土构件开裂、结构隆起变形等.本文将结合对某地一典型地下水浮力造成工程事故的调查结果,对地下水浮力所造成的建筑结构损伤以及变形和刚度变化等进行科学研究,从而分析地下水浮力对地下建筑结构安全性能的具体影响.

一、工程简介

该大型车库为地下一层建筑,于2007年开工修建,屋面混凝土浇筑完之后,由于冬季气候寒冷,于同年11月下旬暂停施工.停工时,将尚未浇筑混凝土的后浇带和车库大门封闭以保温.2008年4月准备复工时,发现在该地下室轴线的2分区屋面中部有明显的隆起,中部与周边的高度相差近500mm,并有不断增加的趋势.通过进一步的检查发现,该区地下室的柱、梁、墙大部分存在严重开裂现象,造成结构构件损伤.

二、场地条件

及相关荷载取值场地的标准冻深为1.730m,设计地下水位标高为-1.200m.地下车库屋面使用活荷载3.5kN/,屋面的覆土厚度0.9m.

1.裂缝

梁屋盖框架梁和次梁沿梁长均出现了竖向走势的裂缝,局部也出现了一些斜裂缝.在端部靠近周边墙体的梁端裂缝宽度相对较大.板大量不规则裂缝出现在屋面板上,绝大部分的此类裂缝并未贯穿至板底面；底板的局部区域出现少量裂缝,并且渗出了少量地下水.通过现场勘查可以发现,在车库底板上的厚回填层、车库的顶板上的厚绿化土层和地面均未完全施工.柱框架柱上的裂缝主要位于柱脚和柱顶两个部位,而框架柱的中段却是基本完好的,裂缝宽度总体来说较梁裂缝大.在靠近车库中部的框架柱裂缝数量较少,宽度较窄；在靠近车库的周边区域,裂缝宽度较大.墙E轴线上3―8轴段防火墙墙体东西两端出现大量裂缝,从中段开始裂缝数量逐渐减少,裂缝宽度也渐渐减小至无.此处的裂缝均为斜向走势,靠近3轴线处裂缝为西高东低,8轴线处裂缝为东高西低.3×E柱顶严重开裂,柱纵筋弯曲,已完全破坏.在1―10轴与A―M轴所围矩形范围内,屋面结构中部隆起变形是所有变形中最大的,周边梁柱较中部的开裂明显严重,裂缝分布和破坏程度都是呈现中心对称分布.

屋盖变形

采用全站仪测量投影到顶板板面上的地下车库的柱中心线的高程.结果表明地下室屋面板中部高程最高、周边高程最低.由此可知,其高程变化规律与屋面板相同.针对该工程场地进行分析可知,由于地理环境的原因,该地区冬夏温差大、位于冻融地区,地下水位较高；另外,该车库结构的平面尺寸比较大,因此十分容易受到温度和混凝土收缩等因素的影响.根据检查人员的初步分析可得出,场地温度变化、土冻涨、地下水浮力、混凝土收缩的影响等均可能是引发事故的罪魁祸首.3、排除冻涨、温度及混凝土收缩的影响

首先,可以排除场地土冻涨的影响.虽然该建筑场地位于冻土地带,并且地下水位较高,具备了建筑基础冻胀的条件,但是该建筑物的基础位于地面以下7m,并且在之前暂停施工时已经对建筑物做了较好的保温措施,而且现场勘查的过程中也未曾发现车库地面存在明显的冻融破坏迹象,与其相邻的其他周边建筑也未发现冻融灾害现象.因此可以将场地土冻胀的影响排除.其次,排除温度变化、混凝土收缩的影响.轴线2分区平面尺寸较大,因此存在着温度变化、混凝土收缩引发结构变形的可能,通过现场对柱裂缝的分布规律的勘察来看,其裂缝的分布规律与温度变化、混凝土收缩所产生的裂缝分布有着类似之处.但是,与其进行同步施工的轴线1分区的纵向尺寸长达158m,这两个区域均是在同样的工程条件下施工的,轴线1分区却未发现明显的结构变形和损伤.同时,当施工人员发现屋盖变形最大时,当时的气温与结束施工时的温度基本无变化.

三、地下水浮力的影响

场地条件

场地的地下水位较高,自然地下水位在-1.20m处.该地一、工程概况二、现场调查三、原因分析：下车库底板垫层底部标高远远低于地下水位的标高,其标高为-6.10m.如果设计或施工中忽略了对地下水浮力所产生的作用的估计,或者估计不足导致处理不当,就十分有可能会对车库结构造成影响.

2.设计和施工

组织该地下车库主要采用的柱下独立基础,其车库底板采用了刚性防水底板,经测量,该车库底板包括垫层在内总厚度达到500mm,这种情况类似于形成一筏板基础,地下水的作用对这一结构形式的影响十分大.因此施工过程中,在场地周边需设排水沟和集水井.集水井抽水至12月下旬,地下水结冰之后,停止排水.

3.屋面结构变形原因分析

分析到这里,引发该起事故产生的原因也逐渐明朗,就是地下水浮力的作用.首先,经过调查人员的计算分析,在自然地下水位标高状态下,如果没有对车库底板上的厚回填土层和车库顶板上的厚绿化土层进行施工,那么该地下室的自重是根本无法抵抗地下水的浮力的.之前设计人员并没有足够重视这一点,所以没有明确施工阶段具体应该采取的抗浮措施.该工程在停工前,通过基坑开挖排水,直接有效地降低了地下水位的标高,无意中避免了地下水浮力作用对建筑结构的各种不利影响,因此尚未产生开裂和隆起现象.

4.构件裂缝原因

通过计算分析表明各柱的竖向变形不一致,该情况使得框架梁的两端出现相对竖向位移,导致柱、梁内产生内力,并最终导致框架梁、柱开裂.与此同时,观察竖向变形的平面分布可知,越靠近周边地区,竖向变形的梯度就越来越大,换言之就是相邻柱的相对竖向位移越来越大,这就导致周边梁柱开裂明显.除此之外,结构构件的开裂大大降低了构件的刚度,刚度的降低就会导致结构抵抗变形能力的降低,两者彼此促进,从而致使结构出现严重的开裂、变形,甚至破坏.综上所述,地下水浮力的作用是造成车库屋面结构变形的主要原因,而导致粱、柱、墙等建筑结构构件出现严重开裂的原因主要是在浮力的作用下,周边挡墙在上移的过程中受到土体等的约束,因此造成各柱（墙）向上的变形各不相同.明确事故原因之后,施工人员立即展开了排水措施.6月15日,当实际地下水位降至-2.50―3.50m左右时,效果非常明显,端部竖向位移基本不变,中部最大相对位移降至350mm.

四、结论

1、当地下建筑的自重无法承受地下水浮力时,在浮力作用下地下建筑会产生向上隆起变形或者是整体移动的趋势,而周边挡墙在上移的趋势中受到土体约束,会导致各柱、墙竖向变形出现差别,产生相对的竖向位移,由此导致结构构件在弯矩、剪力作用下开裂.

2、在计算分析建筑模型的时候要充分考虑到周边挡墙所受到的实际约束,不能简单地认为结构只是整体上移,否则将无法准确预见到建筑结构可能遭受的结构损伤.如果是四边约束的矩形平面结构,其整体结构损伤主要受短边长度控制.同时,如果周边相对竖向变形较大,那么周边结构构件的损伤会更为严重.

3、如果受到较大地下水浮力的作用,那么当结构接近其设计极限承载能力时,其刚度就会发生非常大的折减,仅相当于其未折减弹性刚度的几分之一甚至十几分之一,这对确定浮力引起的结构变形将产生极大影响.首先,地下水位相应的水浮力、修正后的地基承载力特征值时应当严格参照场地的勘察报告所提供的“常年水位”.倘若经过减负后此时的基础地面压力值比修正后的基础地面压力值以及修正后的地基承载力特征值都小,那么就可认为地基持力层可以满足地基承载力的要求.第二,如果地下水位在基础地面标高与当地常年最高水位之间变动,那么就可认为建筑所要求的常年稳定的地下水位已经达到满足.此时会产生为常数的一定的沉降附加应力,地下水位的下降不会影响到地基变形.第三,如果要计算基础底板强度,那么地基反力加上地下水浮力然后减去基础自重即是基层净反力.