黄晓丽

（闽西职业技术学院 城乡建筑学院，福建 龙岩 364021）

由于地下建筑的设计与开发，在有限的空间内可将使用空间做到空间最大化，这对于现代城市高速发展空间越来越不足的问题具有重要意义。目前的地下建筑结构按照材料可以分为砖墙结构、混凝土结构等类型，针对不同的建筑负载需求选择不同的建筑结构［1］。然而无论哪种地下建筑结构，由于地下建筑与地下水之间的距离较小，当地下水位升高时，会给建筑底板甚至外墙部分施加应力，破坏地下建筑结构，使其产生渗漏、破裂和变形等现象，影响地下建筑的正常使用［2］。

为解决上述问题，在地下建筑投入使用之前，对其外部结构进行防水施工。防水施工融合了屋面、地下室、外墙等防水施工工艺。为提高地下建筑的防水施工质量，制定相应的防水规范，为防水施工提供了质量的衡量保证。在建筑结构的防水施工中，首先需要确定施工的范围，即根据防水位的测定结果划分施工区域。由此可见，防水位的测定结果直接影响着防水施工的质量，现阶段国内外先后提出了多个防水位测定方法，林文华等［3］提出考虑堆填界面软化及地下水位波动的大型弃渣场边坡稳定性测定方法；许欢等［4］提出水平排水孔地下水位线附近淤堵机理测定方法。将上述传统的防水位测定方法应用到实际的地下建筑防水工程的施工工作中，引入抗力平衡的概念，抗力是地下建筑结构承受作用效应的能力，在建筑结构不变形的情况下，建筑结构的抗力与应力处于平衡状态，可以得出建筑结构的受力分析结果，并由此测定出施工的防水位。与传统的测定方法相比，基于抗力平衡的地下建筑结构施工防水位测定方法考虑了地下建筑结构内部的抗力平衡与变化情况，降低动态误差的产生，间接地提升测定结果的精度。

1 抗力平衡下的地下建筑结构施工防水位测定方法设计

1.1 构建地下建筑结构模型

考虑到数值计算的精度和效率，使用工程结构数值仿真软件建立地下建筑结构的有限元模型。以地下建筑平面图为基础，选取某钢筋混凝土防水板区格，采取混凝土和钢筋网分开的形式来建立混凝土底板模型，构建结果见图1。

图1 地下建筑结构模型

地下建筑主要承载构件是底板、柱、梁、顶板和剪力墙，在实际的受力平衡分析中，仅考虑主要承载构件，采用基础单元进行数值模拟［5］。有限元模型中接触面上的应力与相对位移关系可以表示为：

其中，[D]和{w} 分别表示接触面的应力和位移矩阵，kn和ks为切向和法向上的应力值，w n和ws对应的是切向和法向的相对位移。

1.2 安装抗力传感器

采用超稳表压型154 N 压力传感器，该设备与介质相容，外部压力可通过不锈钢金属膜片和内部充满液体的硅油传递给传感器的敏感元件［6-7］。表压式压力传感器结构见图2。

图2 表压型压力传感器结构图

根据欧姆定律可知，压力传感器中的半导体材料的电阻可以表示为：

其中，r、L和S分别为导体的电阻率、长度和横截面积，最终的结果R为导体的电阻值。

1.3 利用抗力平衡原理计算地下建筑结构应力

在构建的地下建筑结构模型下，通过抗力传感器与测定设备收集实时数据，并遵循抗力平衡原理，分布从抗力和应力2个方面进行建筑结构的受力分析［8-9］。地下建筑结构中的底板部分的受力情况，如图3。

图3 地下建筑底板受力示意图

在图3 表示的受力分布特性中，底板的反力与基础刚度和强度有关，而底板应力与其反力有关［10-11］。假设底板承受的地下水应力为均匀荷载，则底板的刚度可以表示为：

其中，变量 EI表示底板的纵向抗弯刚度，l和Ls分别表示底板的计算跨度和相邻底板承重梁之间的间距［12］。除了纵向刚度外，若施工防水位设置不准确，地下水就可能蔓延到地下建筑两侧，并产生水平刚度。根据刚度定义可以将水平刚度表示为：

其中，q(x)和d(x)分别表示在地下建筑两侧地下水的作用下，结构的水平作用力和法向位移。综合公式（5）和公式（6）的计算结果，在双向应力作用下弹性体主拉应力出现时，节点的抗裂度与剪应力的大小相等，方向相反［13-14］。节点的抗裂强度如下：

其中， Rf表示最大剪应力，σz和σL分别表示不同地下建筑位置上的轴向应力。遵循抗力平衡原理如下关系式成立。

其中， KT表示稳定性因素，Rc表示增加支撑面因素， Fl表示维持支撑面因素。根据公式（7）中任意一个未知变量的具体取值结果，可以得出施工防水位的理论测定结果。

1.4 实现地下建筑结构施工防水位测定

在进行地下建筑结构的设计与施工过程中，采用重复采集动态曲线比拟法，求取地下水位的埋深序列，结合抗力平衡的应力分析结果求得抗浮水位的具体取值，以达到施工设防的要求。利用地下水平衡方程对地下水位变化进行了分析。定义某一含水层地下水补给量计算总和Qr，进而得出目标施工地点对应位置上地下水的储量变化值Q，那么抗浮水位可以表示为：

其中，Qd表示地下水的消耗量。

考虑勘探孔水位与抗浮水位埋深之间的关系，确定最终的防水位测定结果［15］。另外受到台风、人为干扰等外界因素的影响，地下建筑施工区域的地下水处于实时波动的状态，因此测定的施工防水位也呈现出动态变化状态，为了保证建筑结构施工的绝对安全，需要控制设置的防水位与抗浮水位之间的距离在30 mm以上。

2 工程分析及结果

为验证设计方法的性能以及在实际地下建筑施工中的应用效果，选择实际的建筑工程作为研究背景和对象进行实验验证，并通过与传统测定方法的对比，体现出设计方法的运行与应用优势。

2.1 地下建筑工程概况

为了最大程度地降低实验对实际工程的破坏和影响，选择某市未完工的高层建筑作为研究对象，该建筑工程项目分为地上和地下2个部分，地上28层，地下3层，大约93 m，地面建筑结构属于框架-核心的筒状结构。而地下建筑由地下室和地下车库2 层组成，地下室主要用来居住和存放杂物，地下车库用来停放车辆。根据地质工程勘察中心提供的《岩土工程勘察报告》工程编号：yk2021-003中显示的信息，选择建筑项目区域的主要岩土层及性质特征见表1。

表1 工程区域土层分布特征表

地下层建筑由基础和抗浮板构成，板跨大约8 m×8 m，底板面标高控制在区间［-9.8，-10.3］内。抗浮锚采用在板跨内设置抗浮锚的形式，根据常用的地下无梁底板厚度，选择抗浮板0.6 m 厚度，根据最低值选择抗浮锚，约10.4 m。在施工区域范围内，选择8 个测点，分别编号为：Me - 001、Me - 002、Me - 003、Me -004、Me-005、Me-006、Me-007 和Me-008，每个测点选取4个值，不同施工地点地下水分布情况见图4。

图4 研究区域不同施工地点的地下水位分布情况图

在进行建筑的防水施工之前，需要通过钢筋、混凝土、后浇带等工程材料得出地下建筑各个构件材料的基本信息如表2。

表2 地下建筑构件材料表

2.2 设置实验测试指标与对比项

实验分别从测定功能和应用性能2个方面进行分析，因此设置测定精度和施工质量作为实验的2 个测试指标，其中测定精度是指对比实际防水位和测定防水位之间的误差的值。最终得出的测定误差越小，证明对应方法的测定精度越高。另外防水施工质量的评价测试指标综合考虑了施工成本和施工效果，因此设置的指标为渗水次数、建筑含水率和防水施工的经济成本。利用实验对比，体现出设计测定方法的优势，实验还设置了基于抗力平衡的地下建筑结构施工防水位测定方法、考虑堆填界面软化及地下水位波动的大型弃渣场边坡稳定性测定方法［3］和水平排水孔地下水位线附近淤堵机理测定方法［4］作为实验的两个对比方法，在相同的实验背景下对同一地下建筑进行测定与防水施工。

2.3 描述实验过程

按照3 种防水位测定方法的运行流程，得出最终的防水位测定结果。由于设计的测定方法应用了抗力平衡理论，因此，得出相应的抗力分析结果如图5。

图5 地下建筑底板施工抗力分析示意图

根据图5 可知，地下建筑底板施工抗力分布数值控制在-13.2 到18.5 之间，呈现一定的规律性，负值占据大部分比重，通过与设置防水位数据的比对，便可以得出反映测定精度的测试结果。在此基础上，分别通过选择防水材料、调整建筑施工结构、防水卷材工艺施工等步骤，完成对地下建筑对象的防水施工处理。在地下建筑的底板下部增加地下水，利用测量设备测试渗水率和含水量，观察建筑的漏水情况。

2.4 实验结果对比分析

2.4.1 防水位测定精度对比结果

由于不同地下建筑位置上的地下水分布不同，因此，在研究对象上设置多个测点，从而保证实验结果的准确性。地下水水位测点和施工区域如图6。

图6 地下建筑施工区域水位测点图

根据图6可知，地下建筑施工区域水位8个测点分别为地表水位、上层滞水位、测压水位、潜水位、潜水含水位、隔水层、越流层和承压含水层。经过相关数据的统计与处理，得出防水位测定精度的实验测试结果如表3。

表3 防水位测定精度测试结果

从表3 中可以看出，考虑堆填界面软化及地下水位波动的大型弃渣场边坡稳定性测定方法［3］和水平排水孔地下水位线附近淤堵机理测定方法［4］、基于抗力平衡的地下建筑结构施工防水位测定方法测定的防水位高程与设置实际的防水位高程平均误差分别是0.837 5、0.148 75 和0.032 5 m，3 种方法的对比误差0.805 m，由此可见设计方法的测定误差更小，测定精度更高。

2.4.2 防水施工质量评价结果

地下建筑结构防水的5 个施工区域分别编号为Ar-001、Ar-002、Ar-003、Ar-004 和Ar-005，具体分布如图7。

图7 地下建筑结构防水的5个施工区域图

表4 表示的是应用不同防水位测定方法下，地下建筑结构防水施工结果的质量评价结果。

表4 防水施工质量评价结果

从表4 中可以直观地看出，相比于考虑堆填界面软化及地下水位波动的大型弃渣场边坡稳定性测定方法［3］和水平排水孔地下水位线附近淤堵机理测定方法［4］，应用设计防水位测定方法的施工成本更低，发生渗水现象的次数更少。从建筑材料的含水率方面来看，应用3 种测定方法下平均含水率分别为0.138%、0.046%和0.003%。综上所述，将设计的防水位测定方法应用到实际的地下建筑防水施工工程中的质量更好，应用性能更佳。

3 结论

文章运用抗压平衡原理，实现了防水位的精确测量，间接提高了防水施工效果，同时也提高了建筑行业的集中度，增强了建筑发展的竞争力。通过实验得到：基于抗力平衡的地下建筑结构施工防水位测定方法测定的防水位高程与设置实际的防水位高程平均误差是0.032 5 m，设计方法的测定误差更小，测定精度更高；应用设计防水位测定方法的施工成本更低，发生渗水现象的次数更少；从建筑材料的含水率方面来看，应用3 种测定方法下平均含水率为0.003%，将设计的防水位测定方法应用到实际的地下建筑防水施工工程中的质量更好，应用性能更佳。