某隱患地下室工程分析與研究

李旭鵬 王想軍

摘?要：某工程一層地下室建筑功能為車(chē)庫(kù)，總建筑面積2.1萬(wàn)㎡，結(jié)構(gòu)形式框架，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)+防水底板。樁基礎(chǔ)后樁基承載力未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，給地下室結(jié)構(gòu)帶來(lái)一定程度的安全隱患。通過(guò)有限元軟件對(duì)樁基、底板和地下結(jié)構(gòu)的整體數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證樁基在承載力未達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過(guò)塑性變形，進(jìn)行內(nèi)力重分布后構(gòu)件承載力仍可滿足建筑結(jié)構(gòu)受力需求。

關(guān)鍵詞：地下室工程;混凝土框架結(jié)構(gòu);樁基礎(chǔ);隱患工程;彈性分析

1?工程概況

某工程地下一層地下室的建筑功能為車(chē)庫(kù)，總建筑面積為2.1萬(wàn)㎡，建筑層高4.8m，地下室柱網(wǎng)間距為8.4m，結(jié)構(gòu)形式采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)使用樁基礎(chǔ)+防水底板。樓蓋采用梁板式結(jié)構(gòu)，樓蓋結(jié)構(gòu)平面布置及構(gòu)件截面如圖1所示，頂板厚度160mm。底板也采用梁板式結(jié)構(gòu)，防水底板厚度500mm，平面布置及構(gòu)件尺寸如圖2所示。地下室頂板覆土厚度為1050mm，所有混凝土構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組：第一組，場(chǎng)地類別：Ⅲ類，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，地下室框架部分抗震等級(jí)為三級(jí)。

樁基礎(chǔ)采用機(jī)械成孔灌注樁，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，樁徑800mm，樁基持力層為中風(fēng)化石灰?guī)r層，單樁承載力特征值為5250KN，樁尖要求應(yīng)進(jìn)入完整中風(fēng)化巖層內(nèi)≥500mm。地下室頂部室外地面使用活荷載5 KN/m²，室內(nèi)地面使用活荷載4 KN/m²，鋼筋混凝土自重按照25KN/m³，覆土自重按照18KN/m³計(jì)算^[1]。除底板采用二級(jí)鋼以外，其余部位鋼筋均采用三級(jí)鋼，地下室頂框架梁上皮縱筋為6根25，下皮縱筋為9根25，箍筋為10@150（4）;底板配筋雙向雙層16@200;地下室頂框架梁支座處上皮縱筋采用9根25，下皮縱筋7根25，箍筋為8@100/200（4）;頂板鋼筋雙向雙層16@200。

2?工程存在的隱患及出現(xiàn)的主要原因

2.1?工程隱患

工程竣工投入使用后，底板和地下室頂板個(gè)別部位出現(xiàn)不同程度的裂縫，底板滲漏后產(chǎn)生了輕微的結(jié)冰現(xiàn)象，頂板個(gè)別部位出現(xiàn)微小裂縫，框架梁未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

2.2?隱患出現(xiàn)的主要原因

通過(guò)查看樁基礎(chǔ)施工完畢后的檢測(cè)結(jié)果，樁身完整或基本完整，部分落于持力層的樁底帶有沉渣，最小單樁極限承載力為2250KN，承載力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求，但此類樁沒(méi)有連續(xù)分布的情況出現(xiàn)^[2];檢測(cè)表明部分樁未落于持力層，落于全風(fēng)化灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，還有部分樁底帶有沉渣。

3?地下室結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

3.1?工程樁的實(shí)際豎向剛度

依據(jù)樁基試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)工程樁的實(shí)際豎向剛度進(jìn)行計(jì)算，工程樁根據(jù)承載力的大小分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類樁，Ⅰ類樁樁底落于全風(fēng)化灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r或者樁底有沉渣樁，承載力最低，選取《檢測(cè)報(bào)告》^[3]中承載力最低的B2-182樁（Q-S曲線如圖2（a）所示）的單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算Ⅰ類樁的豎向剛度。Ⅱ類樁樁底落于中風(fēng)化石灰?guī)r層，樁底有部分沉渣，單樁極限承載力高于2250KN，偏于安全的選取此類樁中承載力最低的B2-127（Q-S曲線如圖3（b）所示）樁試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)模擬Ⅱ類樁的豎向剛度。Ⅲ類樁樁底落于持力層，承載力滿足設(shè)計(jì)要求的樁，選取此類樁中承載力最高的B2-142樁（Q-S曲線如圖3（c）所示）試驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬Ⅲ類樁的豎向剛度。

為真實(shí)模擬工程樁的豎向剛度對(duì)地下結(jié)構(gòu)的真實(shí)影響，計(jì)算中采用柱最大豎向軸力標(biāo)準(zhǔn)值和Q-S曲線對(duì)應(yīng)的位移推定樁的豎向剛度。計(jì)算時(shí)取柱最大豎向軸力標(biāo)準(zhǔn)值2400KN，Ⅰ類樁豎向剛度計(jì)算時(shí)，對(duì)圖3（a）的折線沿等斜率延伸，延伸至2400KN處，最大位移量為62.45mm，初步計(jì)算得到的初始豎向剛度值為38431KN/m，通過(guò)多次迭代計(jì)算，Ⅰ類樁實(shí)際承受的荷載小于1500KN，從Q-S曲線計(jì)算的豎向剛度較初始豎向剛度提高30%，初步等效豎向剛度K₁=1.3x38431=49960 KN/m。Ⅱ、Ⅲ類樁豎向剛度計(jì)算時(shí)，取2400KN作為等效剛度的計(jì)算點(diǎn)，當(dāng)豎向軸力為2400KN時(shí)，B、C類樁位移量分布為15.54mm和1.978mm，等效剛度分別為K₂=154440KN/m、K₃=1213347KN/m。

3.2?樁的分布組合對(duì)地下室結(jié)構(gòu)的影響

當(dāng)不同類型樁的組合形式不同時(shí)，地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力會(huì)有所變化。為找到樁的布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)頂板和底板的不利影響，對(duì)存在Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類樁的組合進(jìn)行如圖4所示的布置。

當(dāng)不同類型的樁的組合形式不同時(shí)，結(jié)構(gòu)的沉降量、沉降差和底板和頂板結(jié)構(gòu)的彎矩設(shè)計(jì)值也不盡相同，圖4布置形式下得到結(jié)構(gòu)的最大沉降、最大沉降差以及地梁、頂梁的最大彎矩設(shè)計(jì)值、底板和頂板最大彎矩設(shè)計(jì)值如表1。表1計(jì)算結(jié)果顯示，除Ⅰ+2Ⅱ（直線型）布置時(shí)地梁彎矩設(shè)計(jì)值比Ⅰ+3Ⅱ布置時(shí)的地梁彎矩設(shè)計(jì)值略大以外，其余各項(xiàng)數(shù)據(jù)在Ⅰ+3Ⅱ布置時(shí)均比其它樁型組合時(shí)的數(shù)據(jù)高。

鑒于Ⅰ+3Ⅱ?yàn)楦鞣N樁型組合的最不利情況，對(duì)Ⅰ+3Ⅱ樁型布置下的地下室結(jié)構(gòu)分別按照梁、板剛度折減系數(shù)不同進(jìn)行變形和內(nèi)力計(jì)算，以便考察結(jié)構(gòu)在內(nèi)力重分布后的受力狀態(tài)。計(jì)算時(shí)，剛度折減系數(shù)分別取1、0.7、0.5、0.3、0.1，得到結(jié)構(gòu)的最大沉降、最大沉降差、樁最大反力和最小反力標(biāo)準(zhǔn)值以及地梁、頂框架梁端和跨中最大彎矩設(shè)計(jì)值、底板和頂板端部最大彎矩設(shè)計(jì)值如表2所示。

結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算：8.4m柱距范圍的最大沉降差為17.3mm，接近《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中變形允許限值0.002L，說(shuō)明地下室結(jié)構(gòu)變形可滿足正常使用需求。

構(gòu)件承載力驗(yàn)算：地梁斜截面抗剪承載力888KN，梁端抗彎承載力1024KN·m;底板抗彎承載力159KN·m;地下室頂主框架梁斜截面抗剪承載力1175KN，梁端抗彎承載力1273KN，跨中抗彎承載力1024KN;頂板抗彎承載力M=24.4KN·m。說(shuō)明地下室結(jié)構(gòu)在正常使用情況下產(chǎn)生一定程度的塑性變形，構(gòu)件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力重分布，構(gòu)件的承載力可滿足承載力要求。

4?結(jié)語(yǔ)

4.1 樁基工程當(dāng)有部分樁承載力有欠缺時(shí)，原本缺欠樁應(yīng)承擔(dān)的豎向荷載因構(gòu)件內(nèi)力重分布的產(chǎn)生轉(zhuǎn)移到周邊樁上，減輕了欠缺樁的負(fù)擔(dān)，使得承載力欠缺樁不至于出現(xiàn)破壞的情況。

4.2 構(gòu)件在產(chǎn)生內(nèi)力重分布后的內(nèi)力仍可滿足承載力要求。

4.3 工程中存在承載力欠缺樁時(shí)，引起的不均勻沉降差可滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中地基變形允許限值0.002L。

4.4 欠缺樁產(chǎn)生沉降后，結(jié)構(gòu)梁板和底板上會(huì)出現(xiàn)一定程度的裂縫，但不影響到結(jié)構(gòu)安全。

4.5 建議對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，如出現(xiàn)開(kāi)裂和滲漏等情況，應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)，保證結(jié)構(gòu)耐久使用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[2]大連市勘察測(cè)繪研究院有限公司.檢測(cè)報(bào)告[R]. 2009.