谈设抗浮桩的大型地下车库不均匀上浮有限元分析及处理方法

谈设抗浮桩的大型地下车库不均匀上浮有限元分析及处理方法
摘要随着建筑产业和建筑技术的不断发展，人们对于地下空间的利用越来越多，尤其是在高层建筑中，经常会修筑大型地下停车库，以适应社会经济迅速发展、私人车辆日益普遍的时代发展需求。

在很多大型地下车库建设中，经常会由于抗浮设置不合理造成上浮事故的发生，给建筑工程带来了诸多损失。

本文结合某地下车库建设工程实例，对工程常用的抗浮措施加以探讨，对于设抗浮桩的车库上浮事故展开有限元分析，并对相应的处理方法加以探讨。

关键词抗浮桩；大型地下车库；有限元分析；上浮事故；处理
随着高层、大规模建筑物的不断涌现，大型的地下车库建设已经成为了现阶段城市建设的重要内容之一。

地下车库受到的水浮力一般极大，对于地下结构而言，很容易会造成不均匀的上浮或者其他破坏。

抗浮桩的设置是地下结构对于不均匀上浮进行抵御的重要措施之一，在施工中如果现场的地下水位瞬时剧增，或者其浮力突然增加，常会导致抗浮桩的抵御效果降低，严重时会造成结构开裂等破坏。

本文结合已设置了抗浮桩的某大型地下车库实例，对其发生的不均匀上浮问题采用有限元分析方法进行分析，并对相应的处理措施以及加固方法进行探讨。

1 抗浮措施介绍
在地下建筑工程中所用的抗浮方法主要包括压重抗浮、抗拔锚桩（锚杆）或盲沟疏水截排等措施。

其中，盲沟疏水截排是主动进行抗浮的措施，受到的影响因素较多，在目前的地下建筑工程中应用相对较少。

压重抗浮与抗拔锚桩（锚杆）措施都是被动抗浮措施，具有较强的抗力平衡性，在现阶段的地下建筑中认可度较高，使用也较为普遍。

压重抗浮是用具有较大重量的回填层或混凝土在车库的防水板、基础底板、地下车库的顶板或楼板上设置，使结构的重量大幅度增加，保证工程结构平衡浮力的实现，是在现阶段地下工程中抗浮的最优选择。

在这一方法中，虽然每增设1m厚的混凝土，可以对2.2m的水浮力进行抵挡，但是由于回填层的增设，会使工程的埋深相应增加，导致工程受到的浮力变大，因此，如果对地下工程作用的水浮力较大，这一措施往往缺乏经济性，此时用抗浮锚杆或抗浮桩更为合适。

抗浮桩可以利用自身所受阻力与自重对水浮力加以抵抗，通常具有较大的直径，并且常和柱子连在一起，对底板的厚度要求较高，所以在使用时常和工程的桩基结合在一起，在目前的地下工程建设中使用的较为广泛。

2 工程概况
在某市市区中心一大型地下车库建设工程中，地下车库采用的结构形式是框
架-剪力墙形式，同时采用桩筏基础作为整个车库的基础类型，顶板为0.18m厚，并且在顶板上进行了0.4m的覆土处理，底板为0.4m厚；采用的是长度为25m，直径为0.4m的预应力混凝土管桩；这一地下车库总的建筑面积是5700m2，在进行施工过程中，在横向与纵向上分别设置了三条、一条后浇带。

在车库的南北方向上，分别是14层和16层建筑底板相互连接。

图1为这一地下车库整体的剖面图。

3 工程上浮事故
该工程进行了开工沉桩、土方开挖、围护结构的搅拌桩施工、轻型井点的降水处理和底板浇筑混凝土等过程。

在该地区一次持续暴雨中，该地下车库出现了上拱问题，工作人员立刻展开了现场相关测量，发现在拱起段中，5 轴上的M 至N轴最为严重，拱起高度达到了0.41m。

工作人员通过有限元分析，采取了相应的应急措施加以处理，使地下车库高度很快恢复为设计中的标高。

4 构建该地下车库的整体模型
为了对该地下车库发生的上浮事故准确把握，对事故造成的构件损坏及结构变形情况进行深入了解，并对正常使用过程中结构的安全状况进行评估和预测，利用MIDAS/GTS软件对结构进行有限元分析，首先利用软件构建该车库的仿真三维模型，之后再展开有限元分析。

4.1材料参数
4.1.1桩参数
利用该软件对抗浮桩进行桩单元模拟，根据嵌入式的梁单元模式构建桩单元，在此过程中对桩及周围土层之间的连接与摩擦进行充分考虑，并保持桩单元和梁单元具有相同的截面特性输入。

在模型中，对桩接触特性进行科学合理的参数设置：用最终剪力对桩与土层间的摩擦力最大值进行限定，根据现场土质情况进行比贯入阻力的确定。

设置的剪切刚度模量是面上在切线方向的刚度系数值，这一取值由土层的弹性模量进行加权平均取值，法向刚度模量是面外的竖直方向上刚度系统的取值。

4.1.2土层参数
对土层参数进行确定时，采用的是实体单元土层，利用的是莫尔-库伦这一模型。

通过对现场进行勘察后形成的地质报告可知，土体压缩模量是应力和总应变二者的比值，弹性模量应是应力和弹性应变二者之间的比值，故而弹性模量应比压缩模量为大。

在构建整体模型时，所需的土体粘聚力、土层的容量和摩擦角等以地质报告中的相关数值为准。

4.1.3其他相关参数
对于该车库的柱和梁而言，都可以用梁单元进行模拟，对于混凝土的顶板、剪力墙和底板可用非线性的板单元加以模拟，而材料的重力密度、泊松比与弹性模量都以实际为准。

4.2约束条件的确定
对于该车库的边界而言，在整体模型中，和车库连接的高层地下室也是模型的一部分，因为在车室上有楼层的压盖作用，使之不易出现上浮问题，所以可以在车库的顶板相应节点上竖直的加以约束，在整体模型中，对于车库的外墙和土层之间进行连接点的确定时，要以同一位置中共用的节点为准。

出于基础影响范围的考虑，在对土体边界进行确定时，从建筑的四周在水平方向上将土体边界向外扩20m左右，在竖直方向上将土体的厚度取值为45m。

对土体边界进行模拟时，要用该软件的“地面支承”模块进行边界的模拟。

通过分析，对该地下车库构建的整体模型如图2和图3所示。