地下結(jié)構(gòu)耐久性影響因素分析

李太勝

0 引言

隨著對地下空間的不斷開發(fā),耐久性下降已是影響地下結(jié)構(gòu)使用的重要因素,研究地下結(jié)構(gòu)的耐久性,提出地下結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)措施,對地下結(jié)構(gòu)的使用和后期維護(hù)、最大限度地延長其使用年限、發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益,具有非常廣闊的應(yīng)用和研究前景[1]。

目前,國內(nèi)外對混凝土和鋼筋混凝土材料的耐久性問題在實(shí)踐和理論方面都取得了巨大的成果,但其研究成果還是主要應(yīng)用在地面結(jié)構(gòu)和水工結(jié)構(gòu)方面,對于地下結(jié)構(gòu)來說由于其長期埋置于巖體中(同時(shí)可伴有地下水),耐久性影響因素相對于地面結(jié)構(gòu)更具復(fù)雜性和不確定性,目前研究工作也多停留在材料層面上,對結(jié)構(gòu)層次(包括荷載、應(yīng)力應(yīng)變、差異沉降、地下水滲流、施工過程等)的研究還很不夠;同時(shí)在地下結(jié)構(gòu)耐久性技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的制訂方面也很欠缺,沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),造成目前地下結(jié)構(gòu)耐久性相比地面結(jié)構(gòu)的相對落后。

在考慮影響地下結(jié)構(gòu)的耐久性因素問題時(shí),應(yīng)從地下結(jié)構(gòu)內(nèi)在和外在因素出發(fā),做到多因素綜合考慮。根據(jù)地下結(jié)構(gòu)材料和賦存環(huán)境的損害,主要分析以下因素的影響:

1)材料內(nèi)部缺陷的影響(包括堿—集料反應(yīng)和巖土體的內(nèi)部缺陷);

2)應(yīng)力變化的影響(包括施工、地震、地層沉陷等);

3)水的影響;

4)土的影響。

1 材料內(nèi)部缺陷的影響

地下結(jié)構(gòu)支護(hù)的主要材料是混凝土,而混凝土耐久性的下降很大程度上取決于混凝土材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷和損傷。

混凝土材料內(nèi)部包含粗、細(xì)骨料和水泥等固體顆粒物質(zhì),游離水和結(jié)晶水等液體,以及氣孔和縫隙中的氣體等所組成的非均質(zhì)、非同向的三向混合材料。混凝土內(nèi)部的孔隙是其施工配制和水泥水化凝固過程的產(chǎn)物。因此混凝土材料是一種非均勻的多相介質(zhì),在構(gòu)件承載之前,混凝土不同層次的相界面及水泥漿本身,已經(jīng)存在著大量的各種尺度的隨機(jī)分布裂紋,即初始損傷。這些初始損傷不僅在荷載作用下進(jìn)一步擴(kuò)展,而且對混凝土破壞起著關(guān)鍵性的控制作用。這些損傷使混凝土結(jié)構(gòu)具有多孔性和滲透性。一般而言,因混凝土的密實(shí)度差,即內(nèi)部孔隙率大,則各種液體和氣體滲透進(jìn)入其內(nèi)部的可能性大,滲透的數(shù)量和深度都大,因而將加速混凝土的凍融破壞、碳化反應(yīng)層更深,增大化學(xué)腐蝕,鋼筋易生銹,因此,內(nèi)部原因是影響混凝土耐久性的主要原因[2]。

2 應(yīng)力變化的影響

應(yīng)力變化主要包括施工荷載變化及水土荷載變化。由于工程建設(shè)施工和環(huán)境水土的變化,地下結(jié)構(gòu)承受荷載相應(yīng)發(fā)生變化,結(jié)構(gòu)物各部分的應(yīng)力狀態(tài)隨之變化,從而導(dǎo)致拉、壓區(qū)及受彎區(qū)或剪應(yīng)力區(qū)的狀態(tài)和范圍都會有所變化。地下結(jié)構(gòu)的耐久性與混凝土材料的孔隙率(或滲透性)關(guān)系密切,而其受力狀態(tài)則能影響材料的滲透性。不同的應(yīng)力狀態(tài)將使混凝土孔隙率發(fā)生變化甚至產(chǎn)生裂縫。在拉應(yīng)力區(qū),材料的孔隙率大,滲透性也將明顯提高,混凝土易于碳化,氯化物等侵蝕性物質(zhì)也易于通過受拉區(qū)混凝土到達(dá)鋼筋,從而引起鋼筋銹蝕。前蘇聯(lián)曾有人通過試驗(yàn)證明,在無筋混凝土試件中(水灰比為 0.47),當(dāng)壓應(yīng)力約為0.7Rup(壓應(yīng)力極限強(qiáng)度)時(shí),CO2氣體的有效擴(kuò)散系數(shù)可降低一個(gè)數(shù)量級;而當(dāng)拉應(yīng)力為 0.7Rp(拉應(yīng)力極限強(qiáng)度)時(shí),則將增加1個(gè) ～2個(gè)數(shù)量級[3]。另外,地下水運(yùn)動及滲流耦合效應(yīng)規(guī)律也將影響到土體及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變和耐久性能。

應(yīng)變變化主要是周圍圍巖的不均勻變形和基底的不均勻沉降。由于地下結(jié)構(gòu)所處的周圍巖土體的不均質(zhì)性(包括固結(jié)度、壓縮系數(shù)等),圍巖應(yīng)力應(yīng)變的分布不斷變化,以及周圍動荷載的作用,直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不均,變形非連續(xù),結(jié)構(gòu)不均勻沉降,使結(jié)構(gòu)內(nèi)的各構(gòu)件之間產(chǎn)生相互作用的應(yīng)力,并可能形成裂縫,這種裂縫在結(jié)構(gòu)的交接處更為明顯。因此,要對結(jié)構(gòu)的不均勻沉降進(jìn)行控制,監(jiān)控周圍巖土體的變化,避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的相互擠壓。

3 水的影響

地下工程大多數(shù)都和地表水、地下水接觸,這些水都以不同的方式,在不同程度上對地下結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用,如果不及時(shí)采取防水措施,結(jié)構(gòu)就會滲漏,輕則影響使用,或縮短結(jié)構(gòu)的使用年限,重則淹沒毀壞整個(gè)地下工程,影響地面建筑和周圍環(huán)境,因此加強(qiáng)地下結(jié)構(gòu)的防水技術(shù)有十分重要的實(shí)際意義。

水對地下結(jié)構(gòu)的影響是多方面的,主要有以下幾個(gè)方面:水對地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響、地下水滲流對地下結(jié)構(gòu)的影響、地下水水位變化對地下結(jié)構(gòu)的影響。

為了保證地下結(jié)構(gòu)的防水質(zhì)量,除合理設(shè)計(jì)地下水的設(shè)計(jì)水位外,還應(yīng)從工程位置選擇、總平面布置、建筑防水、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方法等方面進(jìn)行全面考慮。從防水的角度看,地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基本要求如下:

避開地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜的地帶,如巖石的斷裂和破碎帶、土層中的含承壓水粉砂層等;選擇地勢較高的地形,使地下結(jié)構(gòu)的埋置深度既符合使用要求,又處于設(shè)計(jì)地下水位以上,以簡化防水措施;避開地面上容易積水的低洼地形;避開地下水嚴(yán)重污染或地下水的水質(zhì)對結(jié)構(gòu)有腐蝕作用的地段,同時(shí)避開地面上有較強(qiáng)震動的地區(qū)。

結(jié)構(gòu)的外形盡量整齊簡單,減少凹凸部位;巖石中的地下結(jié)構(gòu),主要洞室的地面標(biāo)高應(yīng)略高于洞口外的地面標(biāo)高;對于防水的薄弱環(huán)節(jié),應(yīng)從建筑布置上加強(qiáng)防水措施。

在選擇結(jié)構(gòu)形式時(shí),應(yīng)有利于防水構(gòu)造和防水施工;按照地下水在設(shè)計(jì)時(shí)的靜水壓力,保證結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度和剛度,防止裂縫,同時(shí)應(yīng)防止地下水因受水的浮力而喪失穩(wěn)定時(shí),使防水構(gòu)造受到破壞;應(yīng)防止地下結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降,避免結(jié)構(gòu)開裂導(dǎo)致防水構(gòu)造破壞,必要時(shí)應(yīng)設(shè)置沉降縫,過長的地下結(jié)構(gòu)如地鐵、隧道等應(yīng)考慮適當(dāng)設(shè)置溫度收縮縫。

4 土體的影響

由于地下結(jié)構(gòu)埋置于巖土體中,土體特性對地下結(jié)構(gòu)的耐久性有重要的影響,土在受到豎向附加應(yīng)力作用后,會產(chǎn)生壓縮變形,引起基底沉降。土體在壓力作用下體積減小的特性稱為土的壓縮性。土體積減小包括三部分:

1)土顆粒發(fā)生相對位移,土中水及氣體從孔隙中被排出,從而使土孔隙體積減小;

2)土顆粒本身的壓縮;

3)土中水及封閉氣體被壓縮。由于土的壓縮,會造成地下水的排出、結(jié)構(gòu)的不均勻沉降,降低結(jié)構(gòu)的可靠度和使用年限。

土是具有連續(xù)孔隙的介質(zhì)。土孔隙中的水當(dāng)有水頭差作用時(shí),會發(fā)生流動。上游的水就在水頭差的作用下,通過土的孔隙而流向下游,這種現(xiàn)象叫做土的滲透性。如果地下結(jié)構(gòu)處于水位較低處,上游的水就會向地下結(jié)構(gòu)所在處流動,造成水位變化,影響地下結(jié)構(gòu)的正常使用。

5 結(jié)語

地下結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素眾多,很多因素尚不明確或研究不夠,例如巖土體本身相對于混凝土材料的復(fù)雜性、屈服準(zhǔn)則和本構(gòu)關(guān)系的不定性,而且地下結(jié)構(gòu)的耐久性是隨著圍巖與支護(hù)的相互作用而不斷改變,這就造成了地下結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)一直滯后于地面結(jié)構(gòu)。地下結(jié)構(gòu)耐久性影響是一個(gè)綜合因素影響的過程,本文僅對各自的影響進(jìn)行了探討,存在一定的粗糙性。

[1] 金偉良,趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[2] 黃興隸.工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社, 1989.

[3] 羅福午.建筑結(jié)構(gòu)缺陷事故的分析與防止[M].北京:清華大學(xué)出版社,1996.

[4] 朱國民.地下結(jié)構(gòu)工程中的幾種可靠度分析方法[J].山西建筑,2010,36(6):78-79.