滲流力對地下室結構裂縫影響研究

戴 葵，戴云松，王麗芳，童其中

(1.武漢輕工大學 土木工程與建筑學院 湖北 武漢430023； 2.華南師范大學 經濟與管理學院 廣東 廣州510006； 3.河南鄭州市二七區城市管理執法局 河南 鄭州450000)

滲流力對地下室結構裂縫影響研究

戴 葵1，戴云松2，王麗芳3，童其中1

(1.武漢輕工大學 土木工程與建筑學院 湖北 武漢430023； 2.華南師范大學 經濟與管理學院 廣東 廣州510006； 3.河南鄭州市二七區城市管理執法局 河南 鄭州450000)

地下室結構對防滲性有很高要求，防滲等級與裂縫寬度直接對應，外界作用力的大小決定裂縫的寬度大小，但外界水土側向作用力的計算一般考慮土壓力和靜水壓力作用，沒有考慮滲流的作用，會導致計算值和實測值相差較大。在滲流力作用下，滲流力使土的有效應力大小發生改變，從而影響土的抗剪強度，使地基下沉，產生地下室結構裂縫。通過計算阻礙力和滲透力的相互作用，建立求解未知數方程，得到計算外界作用力的新方法，根據多種地質條件，使地下室裂縫的計算更符合實際情況。

滲流力；裂縫；水土壓力；阻礙力；水壓力

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

結構的發展，除了向上要空間外，也要向下擴展空間。地下結構的設計不僅僅由強度計算控制，往往更多由裂縫計算控制。鋼筋混凝土構件剛一開裂，鋼筋就承擔起原由混凝土開裂面所負擔的拉力并限制了裂寬的開展，于是在混凝土的其他軟弱斷面依次引發出其他的新裂縫[1]，即當以前出現的裂縫中間混凝土的拉應力達到混凝土的抗拉強度時，出現新的裂縫。裂縫按照它們在荷載作用下擴展形式的不同分為3種基本類型[2]：(1)正面張開式裂縫：正應力和裂縫面垂直，在正應力作用下裂縫尖端處上下兩個平面張開而擴展，且擴展方向與正應力作用方向相垂直。(2)側向滑移式裂縫：當構件或試樣承受剪切時，若剪應力與裂縫表面平行且其作用方向相垂直，使裂縫的上下兩個面相對滑移而擴展。(3)兩側劃開式裂縫：剪應力和裂縫表面平行，且剪應力作用方向與裂縫方向相平行，在剪應力作用下裂縫的上下兩個平面撕裂而擴展。地下室結構的裂縫是以(1)為主，由(1)和(2)復合形成的，設計計算時可忽略(2)的影響。對地下室側墻的壓力主要是側向土壓力和側向水壓力。根據一般土力學理論分析計算的側向水土壓力和實測值相差較大，地下室側墻的實際內力與計算值相差較多，大多數情況下實測應力偏大，但有時因滲流產生的水壓力使實際內力大于計算值，使地下室側墻產生裂縫，引起水的滲漏。裂縫的計算所采用的水土壓力計算值應考慮滲流的作用。當裂縫間距達到足夠小時，混凝土中產生的拉應力達不到混凝土抗拉強度時，已出現的裂縫在外加荷載作用下會更寬，不會增加裂縫數，出現裂縫飽和現象[3]。裂縫飽和條件下的裂縫間距和數量隨混凝土保護層厚度的增大而增大和減少。國內外對這方面僅限于在靜力作用下研究計算裂縫，與實際結果有較大的誤差，國外的配筋只是加大以達到安全，確保裂縫在控制范圍，雖然帶有經驗估值，但經濟效益不好，尤其是難以區分主動土壓力和被動土壓力時，裂縫的計算更容易出現較大的誤差。

2 水壓力及滲流力計算

計算地下室側墻水土壓力通常按靜水力考慮的，但這樣得到的計算圖式不符合實際情況，計算結果與實測值數值誤差較大。因為支護結構兩邊土體的高度有差別，使兩側土壓力類別不一樣，根據土壓力對支護結構的作用情況，高的土體會形成主動土壓力，低的土體會形成被動土壓力。水流通過土中孔隙難易程度被稱為土的滲透性，因為水的滲流作用，水的阻礙力做負功使得水頭損失，作用在支護結構上的水壓力已經不是靜水壓力。

滲透水作用在單位體積土體中顆粒上的力是滲透力，用GD(kN/m3)代表，其數值和土顆粒對滲流水的阻礙力T相等，方向相反，GD=-T。按照達西定律得到[4]

v=ki.

(1)

滲透系數k一般按圖1實驗確定，也可按理論與實測相結合的反演分析法求解[5]。

根據圖1所示，主動水土壓力計算公式[6]如下:

(2)

pz(y)=pa(y)+pw(y)=[(γ'+

(3)

式中:y是土壓力計算點的深度，γ'是土的有效重度，ka是主動土壓力系數，c是內聚力，pa(y)是主動土壓力，pz(y)是主動水土壓力，pw(y) 是主動區上的水壓力。

計算結果表明結構底端兩側水壓力不相等，應該按照地質情況和排水條件，由固結不排水試驗確定c和φ的取值[4]，就能解決誤差。

3 裂縫計算

滲流會減小土體抗剪強度[7]，應防止因地基土的破壞而引起地下室結構的損害和裂縫，這另外做分析，以下僅考慮滲流作用于地下室外墻的影響。地下室外墻可根據結構類別和環境類別選用不同的裂縫控制等級及最大裂縫寬度限值[8]，外墻裂縫的最大開展寬度是結構耐久性和防滲性能否滿足要求的基礎，要根據實際受力條件進行準確計算，外墻最大裂縫寬度的計算值不應該超過《規范》[8]規定的允許值。外墻裂縫應該根據荷載效應的標準組合并考慮長期作用的影響，結構外墻最大裂縫寬度按下列公式計算[8]：

(4)

在已有的計算程序基礎上，將上述原理和公式編入，編制成新程序進行計算設計。

4 工程計算實例

某小區建筑結構工程由2棟26層，3棟18層建筑，3棟15層住宅樓組成，基礎型式，經研究實際地質狀況，使用靜壓樁基礎比較好，基礎基坑開挖深度為3—14.50 m，開挖總面積約12 000 m2，基坑支護周長約390 m。設一層地下室，地下室底板面由-4—-8 m。從地質勘察報告資料揭示，基坑側壁土層有填土、中細砂、粉質粘土、粘土，底板基礎底部是老粘土。截面見圖2 ，表1列出了各土層的參數。其中：混凝土標號C45，鋼筋強度Ⅱ級，地下室側墻厚度300 mm，設計抗滲等級S6。地下室側墻按主動區水土壓力值進行內力、強度和裂縫計算。

表1 地下室側墻處地質斷面土層上下分布

土層名稱γ(kN·m-3)C/kPaφ/°K/(cm/s)填土16．8003．72×10-4中細砂19．20302．95×10-3粉質粘土19．35．1221．76×10-5粘土19．76．2241．62×10-5老粘土20．67．1261．53×10-5

圖1 地下室側墻側壓力分布簡圖

圖2 基坑截面

圖3 水土壓力計算值分布

把以上數據分別代入式(3) 中，就能求出在地下室側墻各處的主動水土壓力，繼而求出相應的彎矩，根據混凝土結構設計規范[7]，再計算出裂縫寬度，利用已編成的新程序進行計算，得出結果見表2。從本文的計算結果顯示：pa小于傳統解法得到的水土壓力pa1，筆者在本計算中把水受阻礙的作用加進去按滲流力計算水壓力，不按通常的靜水壓力分析計算；而通常的計算算法沒有考慮水施加在土體上的滲透力影響。最大裂縫寬度限值為0.2 mm，采用本計算方法可在相同條件下，減小側墻厚度，節約鋼筋和混凝土。當地下室高度過高，裂縫寬度超過限值時，可采取加大厚度、提高混凝土標號、提高配筋率實現。

表2 地下室側墻水土壓力和裂縫寬度計算

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 結論

(1) 地下室側墻因兩側地下水位差的影響，因為滲流及土體受到的滲透力和水受到的阻礙力，計算結果會與常規計算有較大的差別。

(2) 滲流力大小的計算對地下室側墻的設計有很大影響，強度尤其是裂縫計算需考慮。

(3)地下室側墻受力的計算和設計的準確取決于土滲透系數、(側向)土壓力系數、水土壓力和抗剪強度的精確確定。

(4) 側墻所受水土壓力實際測量數據與傳統土力學理論計算值相比更小。計算公式考慮了滲透力和阻礙力對通常計算的水土壓力的影響后，才符合實際。

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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