某項(xiàng)目地下室抗浮破壞事故分析和處理

許松彬 （福建綠城建筑設(shè)計(jì)有限公司，福建 廈門 361000）

1 工程概況

近年隨著地下結(jié)構(gòu)的數(shù)量增多，地下結(jié)構(gòu)的埋深越來越深，地下結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定出現(xiàn)問題的工程案例屢見不鮮。而施工期間由于自重及覆土等抗浮措施尚未達(dá)到抗浮穩(wěn)定的要求，此時(shí)一旦出現(xiàn)突發(fā)暴雨或因施工降水措施不到位導(dǎo)致水位嚴(yán)重超高，極易對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗浮穩(wěn)定產(chǎn)生重大影響。本項(xiàng)目位于浙江省義烏某地，設(shè)計(jì)用途為住宅，場地內(nèi)滿布單層地下室，上部主樓為22層的框架剪力墻結(jié)構(gòu)。場地西側(cè)臨近一條小河，距離地下室外墻約為15m。2015年2月底在施工現(xiàn)場放假期間恰逢暴雨不斷，河水水位暴漲，市政排水不暢導(dǎo)致場地周邊積水，中庭單層地下室經(jīng)過一段時(shí)間的高水位荷載作用后，開始出現(xiàn)隆起，中間最大豎向位移達(dá)到約二十幾厘米，地下室結(jié)構(gòu)柱及梁板出現(xiàn)不同程度的裂縫。此時(shí)地下室結(jié)構(gòu)已施工完成，主樓結(jié)構(gòu)基本完工，頂板尚未開始覆土，頂板僅局部存放施工材料，地下室外墻周邊回填已經(jīng)完成。其中地下室頂板型式為普通梁板結(jié)構(gòu)，頂板厚度為200mm，底板為平板式防水板加獨(dú)立基礎(chǔ)，底板厚度為350mm，地下室結(jié)構(gòu)層高3.7m。

2 原因分析

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，項(xiàng)目場地內(nèi)土層分布情況自上而下分別為雜填土、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)粉砂巖與砂巖互層、中等風(fēng)化鈣質(zhì)粉砂巖與砂巖互層，場地內(nèi)自東向西存在一條破碎帶，其中雜填土、粉質(zhì)粘土與中風(fēng)化巖層均為弱透水性，強(qiáng)風(fēng)化與破碎帶透水性為中等透水，中風(fēng)化巖層屬于極軟巖～軟巖。地下室基礎(chǔ)持力層為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化巖層，基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)，結(jié)合頂板1m覆土抗浮措施采用巖層錨桿。

從場地土層分布情況分析，在地下室主體外存在透水土層與地下室周圈的回填土可能形成連續(xù)的滲水通道。基坑肥槽回填土根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)灌注素混凝土或攪拌流動(dòng)性水泥土，或采用灰土、級(jí)配砂石、壓實(shí)性較好的素土分層夯實(shí)，壓實(shí)系數(shù)不小于0.94。但是項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中，回填土組分及壓實(shí)系數(shù)往往都無法保證，容易形成透水層。當(dāng)?shù)貜?qiáng)風(fēng)化層土層存在遇水極易軟化的特性，地下室周邊強(qiáng)風(fēng)化土層受施工擾動(dòng)影響后強(qiáng)度降低，對(duì)地下室約束作用降低。地表水在排水順暢時(shí)，因上層弱透水層的作用地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件受水壓影響極小。當(dāng)?shù)乇矸e水，周邊河流水位變高后，水通過滲水通道浸泡使土層進(jìn)入飽和狀態(tài)。暴雨時(shí)現(xiàn)場排水措施失效或者設(shè)置不到位，無法及時(shí)降低水位，使地下室處于長期的浸泡狀態(tài)，水位上升使地下室承受浮力增大。而因?yàn)槌至犹匦?、結(jié)構(gòu)布置影響和地下水滲透路徑等多種復(fù)雜因素影響，底板水壓力存在不均勻分布，對(duì)地下室局部抗浮穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

本地下室采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，錨桿集中設(shè)置于獨(dú)立基礎(chǔ)范圍內(nèi)。地下室上拱使底板和基礎(chǔ)變形后與持力層脫離，底板變形較大處錨桿基本破壞失效。根據(jù)現(xiàn)有條件取一標(biāo)準(zhǔn)跨（8.0mx5.20m）估算，其中頂板厚度為200mm，頂板框梁截面400x800和300x600，次梁截面為300x600，混凝土容重取25kN/m，可得頂板自重G1約為296kN；500x500框架柱自重G2為25x4x0.5x0.5=25kN;350厚底板及獨(dú)立基礎(chǔ)自重G3為409kN，結(jié)構(gòu)自重G=G1+G2+G3=730kN。單根錨桿抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為500kN，當(dāng)一個(gè)柱下設(shè)置2根錨桿時(shí)，反算得(730+2x500)/8.0/5.2=41.6kN/m，41.6/9.8=4.24m，可知當(dāng)水位高于底板底標(biāo)高4.24m時(shí)抗浮錨桿即可能受拉破壞。正常使用工況下，底板受水浮力時(shí)以柱及基礎(chǔ)作為支座，底板跨中變形最大。而長時(shí)間的水浮力超限使局部抗浮錨桿失效，進(jìn)而導(dǎo)致一定范圍的地下室整體抗浮不足。此時(shí)柱與基礎(chǔ)無法作為固定支座并產(chǎn)生豎向位移，底板頂板產(chǎn)生整體變形。

圖1 建筑平面布置示意圖、A-A剖面示意圖

圖2 地下室變形示意圖

中庭地下室上拱后該區(qū)域梁板柱底板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件均出現(xiàn)不同程度破壞。其中框架柱受損傷較為普遍，大部分裂縫均出現(xiàn)在梁底及柱腳，個(gè)別柱角混凝土出現(xiàn)破壞，較嚴(yán)重的柱裂縫長度橫穿柱截面，寬度約為0.3～1.0mm。柱未出現(xiàn)較大變形，單個(gè)柱裂縫數(shù)量不多，破壞程度不高?？蚣芰翰糠殖霈F(xiàn)端部裂縫，裂縫分布較無規(guī)律，個(gè)別板四周出現(xiàn)不規(guī)則的裂縫。從結(jié)構(gòu)受力及變形分析，假定純地下室整體為兩端固接于主樓的受彎梁，上下弦桿為頂板和底板，腹桿為框架柱，上下弦桿與柱均為剛接形成整體共同受力。因?yàn)橹鳂侵ё鶝]有水平位移，當(dāng)水浮力較小時(shí)，上下弦均以受彎為主；當(dāng)水荷載繼續(xù)加大，上下弦變形加大，上弦處于完全受拉側(cè)變形增大比下弦更快，變形近似以柱為節(jié)點(diǎn)的分段折線。此時(shí)，上下弦節(jié)點(diǎn)處均有明顯彎矩，同時(shí)弦桿處于受拉狀態(tài)，弦桿均為拉彎構(gòu)件。柱兩端的整體變形協(xié)調(diào)并由彎矩平衡原理而產(chǎn)生較大的彎矩和剪力，同時(shí)通過柱傳遞軸力，柱處于壓彎受力狀態(tài)。通過估算，框架梁線剛度接近或者大于柱線剛度（跨度8米的400x800梁線剛度為層高3.7m，500寬柱的1.5倍），而柱兩端承受較大的彎矩、剪力和軸力，最先開始破壞，從變形情況可知柱頂處彎矩比柱底更大，柱頂相對(duì)更容易破壞。柱頂開裂后應(yīng)力釋放，各構(gòu)件內(nèi)力重分布，進(jìn)入新的平衡狀態(tài)。根據(jù)力學(xué)理論，越靠近受彎支座處腹桿受力越大，柱旋轉(zhuǎn)變形角度越大，承受的彎矩、剪力增大，因此越靠近不動(dòng)支座的柱裂縫越多。柱開裂后，內(nèi)力重分配之后梁受力增大，部分頂板梁出現(xiàn)裂縫。從現(xiàn)場情況看，柱裂縫較多集中于柱頂梁底，柱底裂縫在靠近主樓處出現(xiàn)，兩棟主樓中間柱的裂縫較少，對(duì)應(yīng)梁板裂縫也出現(xiàn)在靠近整體受彎地下室的兩側(cè)，中間梁板裂縫較少。

3 處理方案

3.1 應(yīng)急處理方案

根據(jù)現(xiàn)場情況，為減輕地下室梁板柱的應(yīng)力，需緊急對(duì)底板水壓進(jìn)行卸荷處理，防止構(gòu)件進(jìn)一步開裂變形。在底板分區(qū)域鑿開三個(gè)直徑200的孔洞，水流夾雜著泥沙在巨大的壓力下噴流而出。隨著板底水壓減小，板面水位增高，當(dāng)水流穩(wěn)定后，地下室的最大變形起拱值也回位到約30mm。此時(shí)底板受力僅為上下水壓差值，僅靠自重即可平衡，底板上浮力基本釋放。

3.2 永久加固方案

為補(bǔ)償?shù)叵率铱垢》€(wěn)定問題，需對(duì)地下室抗浮措施進(jìn)行加固處理。加固施工時(shí)，在地下室周邊增設(shè)降水井進(jìn)行降水。在底板變形基本回復(fù)后，利用新增的錨桿底板開洞對(duì)基礎(chǔ)及底板的空隙部位進(jìn)行注漿處理，加固板底虛土泥漿，填充被水流沖刷形成的孔洞，保證地基承載力防止地下室覆土后產(chǎn)生沉降。新增錨桿布置均勻在基礎(chǔ)外側(cè)，采用全長粘結(jié)型錨桿，進(jìn)入中風(fēng)化不小于3m，并在一次常壓注漿初凝后進(jìn)行二次高壓注漿。錨桿鋼筋在底板面彎折處設(shè)置400x400mm，厚度15mm鋼板作為錨固加強(qiáng)措施，在底板面設(shè)置120mm厚混凝土板，板內(nèi)配置雙向12＠150的鋼筋網(wǎng)作為錨桿鋼筋的錨固端，兼作為抗浮壓重的安全儲(chǔ)備。全長粘結(jié)型錨桿在端部設(shè)置一道遇水膨脹止水條作為防水措施。同時(shí)底板裂縫采用高強(qiáng)灌漿料注漿密實(shí)進(jìn)行修補(bǔ)。

針對(duì)框架柱損傷情況，依據(jù)鑒定報(bào)告需進(jìn)行加固，對(duì)裂縫較大，箍筋受剪破壞主筋屈服變形的柱子主要采用置換混凝土加固法和外包型鋼加固法，先用高強(qiáng)混凝土置換原強(qiáng)度不足和有缺損部位的部位，再采用有外粘型鋼加固法進(jìn)行加強(qiáng)，保證柱構(gòu)件的截面豎向和斜截面承載能力。框架梁因裂縫較小考慮承載力折減，采用外包碳纖維提高受彎及抗剪承載力；處理梁角混凝土破壞采用高強(qiáng)灌漿料進(jìn)行置換。頂板裂縫采用高壓灌漿料進(jìn)行修補(bǔ)后用外貼碳纖維進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

4 防治成果

①通過底板應(yīng)急開孔泄壓，能有效地釋放底板水壓力，減小地下室上拱壓力，緩解地下室構(gòu)件損傷繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢。大量的排水對(duì)底板下持力層性能可能產(chǎn)生不利影響，通過基底壓力注漿能達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)持力層的效果，滿足了地基承載力和沉降控制的要求。

②利用抗浮錨桿靈活布置的特點(diǎn)，對(duì)地下室抗浮穩(wěn)定性進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，通過增設(shè)機(jī)械錨固措施和底板厚度滿足錨桿鋼筋的錨固要求，解決了地下室局部抗浮和整體抗浮需求。

③對(duì)出現(xiàn)損壞的主體梁板柱構(gòu)件進(jìn)行局部置換、采取提高承載力和耐久性的加強(qiáng)措施，滿足設(shè)計(jì)和使用要求。項(xiàng)目交付至今地下室使用效果良好。

5 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

影響地下室抗浮穩(wěn)定性的因素較多，且在施工階段和使用階段情況復(fù)雜多變，因此設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡量對(duì)各種不利工況進(jìn)行綜合考慮。但限于現(xiàn)有勘察手段、數(shù)據(jù)積累和經(jīng)濟(jì)成本因素，往往無法提供完全的保障，對(duì)抗浮設(shè)計(jì)提出了較大的挑戰(zhàn)。本項(xiàng)目采用加固地基土，增設(shè)抗浮錨桿等措施對(duì)地下室上浮事故進(jìn)行處理，能解決一般項(xiàng)目出現(xiàn)的類似問題，并為處理地下室抗浮穩(wěn)定問題提供一定的經(jīng)驗(yàn)積累。