某工程地下室上浮開裂損傷特征與加固措施研究*

李澤澤，張炳焜，張明明

(四川省建筑科學研究院有限公司，四川 成都 610081)

1 工程概況

1.1 建筑結構概況

某工程位于成都市郫都區(qū)犀浦鎮(zhèn)，由8棟26，28層高層住宅樓和1棟2層商業(yè)樓組成。地下室共2層，其主樓區(qū)域采用鋼筋混凝土剪力墻結構，基礎形式為筏板；其余區(qū)域(純地下室區(qū)域)采用鋼筋混凝土框架結構，基礎形式為柱下獨立柱基加抗水板，并設置抗浮錨桿。

1.2 場地工程地質與水文地質條件

根據(jù)勘察資料，場地鉆探深度范圍內(nèi)的土層自上而下劃分為第四系全新統(tǒng)雜填土層、第四系全新統(tǒng)粉土層及砂卵石層，其中砂卵石層又可根據(jù)土質類別、性質、狀態(tài)及顆粒組成等劃分為5個亞層，即中砂層、松散卵石層、稍密卵石層、中密卵石層及密實卵石層。

場地內(nèi)地下水主要為賦存于雜填土層、粉土層中的上層滯水和砂卵石層中的孔隙潛水，主要受大氣降水、地表水、場區(qū)旁溝渠水及上游地下水等滲透補給，水位變化受季節(jié)控制，年變化幅度為1.5～2.0m。勘察期間屬枯水期，測得地下水位埋深一般為8.0～9.2m，絕對標高為521.400～522.750m。場地北側靠近溝渠地段受溝渠水影響，3個地下水位測點埋深分別為1.5，1.75，2.0m，絕對標高分別為529.120，528.710，528.560m。

1.3 抗浮設計情況

本工程±0.000m標高相當于絕對標高531.200m，地下室頂板板面標高主要為-1.500m，抗水板板面標高為-9.700m，抗浮設計水位標高為-2.200m，絕對標高為529.000m(低于勘察期間個別鉆孔靜止水位)。

該地下室基礎持力層為稍密卵石層，地基承載力特征值為350kPa。筏板設計厚度為1 400mm，主要配筋為雙層雙向鋼筋φ22@180。抗水板設計厚度為400mm，配筋為雙層雙向鋼筋φ14@150。

抗浮措施為地下室頂板覆土配重+抗浮錨桿，基坑肥槽回填土分層回填夯實，填土不得含有雜質和粒徑>50mm的土塊，填土密實度>95%。地下室頂板內(nèi)庭覆土厚度為1 200mm，商業(yè)樓區(qū)域覆土厚度為600mm(容重≥18kN/m3)。抗浮錨桿縱、橫向間距均為1 800mm，錨固體直徑為150mm，錨入地層的錨固段長度為7.6m，錨入底板的錨固段長度為0.7m，單根抗浮錨桿軸向拉力設計值為129.6kN，孔內(nèi)設置2根φ20 HRB400鋼筋。

2 地下室上浮開裂損傷特征

純地下室部分發(fā)生上浮，框架柱、框架梁、現(xiàn)澆樓板、人防墻、填充墻、底板均出現(xiàn)了不同程度的開裂損傷。

2.1 框架柱開裂損傷

1)柱腳、柱頂

經(jīng)查，該地下室部分框架柱柱腳或柱頂一側混凝土局部被壓酥，個別位置混凝土鼓出、剝落。柱腳、柱頂出現(xiàn)水平裂縫，主要表現(xiàn)為柱腳、柱頂同時或單獨出現(xiàn)1條或多條水平裂縫，一側混凝土被壓酥的框架柱另一側出現(xiàn)水平裂縫。在柱腳及柱頂同時出現(xiàn)裂縫的框架柱中，柱頂裂縫出現(xiàn)在柱腳裂縫的對側。柱頂水平裂縫主要位于梁柱節(jié)點處梁底面以下800mm范圍內(nèi)，裂縫寬度為0.05～2.00mm(見圖1)；柱腳水平裂縫位于距樓板(抗水板)900mm范圍內(nèi)，裂縫寬度為0.05～1.50mm。

2)柱身

柱身混凝土被壓碎，且鋼筋局部屈曲，如圖2所示。

圖2 柱身破壞

2.2 框架梁開裂損傷

地下室框架梁在靠近梁柱節(jié)點附近出現(xiàn)裂縫，包括梁端斜裂縫和U形裂縫。地下1層框架梁端部側面出現(xiàn)1，2條斜裂縫，裂縫高端指向梁端或跨中，裂縫寬度為0.10～0.15mm。地下1層局部區(qū)域梁底出現(xiàn)4條裂縫，并向梁側面延伸形成U形裂縫，裂縫寬度為0.25mm。

2.3 現(xiàn)澆樓板開裂損傷

現(xiàn)澆樓板出現(xiàn)從柱角沿樓板對角線方向開展的發(fā)散狀裂縫(部分已修補)，部分裂縫沿板厚貫穿樓板，板底裂縫寬度為0.05～0.20mm(見圖3)。

圖3 現(xiàn)澆樓板發(fā)散狀裂縫

2.4 人防墻及填充墻開裂損傷

人防墻及填充墻出現(xiàn)1條或多條水平、斜向分布的裂縫，裂縫寬度為0.20～2.00mm(見圖4)。

圖4 墻體裂縫

2.5 底板開裂損傷

地下室底板主要表現(xiàn)為地坪找平層開裂，少數(shù)為抗水板結構層開裂，裂縫主要包括板內(nèi)大致平行于軸線方向或沿對角線方向開展的裂縫及板內(nèi)不規(guī)則分布的裂縫(見圖5)。

圖5 底板裂縫

降雨后發(fā)現(xiàn)純地下室部分出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，為此在地下室底板鉆孔泄壓。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)30d后地下室底板上拱變形有一定程度的回落，但仍存在一定程度的上拱，底板與防水保護層脫開，最大上拱量(含施工誤差)為140.9mm(見圖6)。

圖6 地下室底板上拱

3 地下室結構裂縫發(fā)育演化過程與成因分析

由于地下室外側承重墻承受周圍土體側向摩阻力，且受主樓壓重效應影響，地下室外側墻體及主樓部分未發(fā)生上浮變形。當?shù)叵率业装迨艿降母×ψ饔么笥诮Y構自身抗浮能力時，形成類似于四周固支的雙向板受力模式。由于浮力為面布荷載，底板底部承受較大的水浮力而向上隆起變形，底板與框架柱節(jié)點部位由于變形而產(chǎn)生向上的應力，對框架柱形成向上的作用力，框架柱通過變形等方式將應力傳至上部結構框架梁及樓板，使結構整體受損。因此，在整個裂縫發(fā)育過程中，底板裂縫是最早發(fā)育的，然后變形傳至各剛性節(jié)點及框架柱上，使其開裂，最后導致頂板及頂梁隆起。

由地下室底板變形調查結果可知，上浮損傷現(xiàn)象主要出現(xiàn)在純地下室部分，而主樓部分未見，原因如下：①主樓荷載遠大于水浮力，變形均為豎直向下，差異變形小，實際水位雖較設計水位高，但由于主樓采用筏板基礎，筏板厚度大，且配筋足以承受實際的水浮力，因此主樓部分底板無上浮損傷現(xiàn)象；②純地下室部分抗水板承受面布的水浮力，使純地下室上浮，并產(chǎn)生附加彎矩及剪力，由此產(chǎn)生的應力超過混凝土抗拉強度，造成該部位框架柱、框架梁及樓板開裂變形。由于抗水板及框架柱在上浮過程中引起的豎向差異變形過大，即附加內(nèi)力過大，造成部分人防墻產(chǎn)生不均勻上浮變形，從而產(chǎn)生45°斜裂縫，同時由于框架梁變形的牽拉作用，使梁、柱發(fā)生相對傾斜，導致柱頂、柱腳節(jié)點處開裂和壓曲，進而使框架柱開裂、混凝土被壓酥，因此裂縫多發(fā)生在建筑物主要受力構件梁、柱的節(jié)點上。

4 現(xiàn)場情況調查

經(jīng)現(xiàn)場調查，地下室上浮事故發(fā)生時，地下室及上部主樓主體已基本完工，建筑外側降水井停止降水，地下室頂板尚未覆土，擋土墻外側已回填，擋土墻外側周邊地面未進行全面硬化處理。

為了解基坑肥槽回填土情況，在基坑四周回填土區(qū)域開展鉆探工作。經(jīng)現(xiàn)場鉆探揭露，回填土均為雜填土，由碎石、砂土、磚瓦碎塊、卵石等組成。該層土均勻性差，結構松散，透水性強，回填土填料成分不滿足設計要求。

5 地下室上浮原因分析

本次上浮事故原因復雜，既有場地處于低洼地帶、排水困難、地下水補徑排條件發(fā)生較大變化等客觀因素，也有地下室頂板覆土尚未施工、降水井提前停止降水、基坑肥槽土回填質量不滿足設計要求等主觀因素。

1)本工程地下室處于周邊場地地勢相對較低處，暴雨期間，場地內(nèi)匯水量大，且場地西側排洪渠堵塞，進一步導致了場地匯水無法排出。

2)地下室上浮期間，場地內(nèi)地下水位已超過地下停車場入口標高，且超過勘察報告提供的抗浮水位。

3)地下室頂板覆土尚未施工，地下結構抗浮能力未達到設計要求時，基坑周邊管井提前停止降水。

4)建筑物周邊地面未硬化封閉，基坑肥槽土為雜填土，結構松散，透水性強，成為地表水進入地下室底板的通道。

以上原因使暴雨期間大氣降水及周邊溝渠水短時間內(nèi)流入基底，無法排走，導致一定時間內(nèi)場地地下水位超過抗浮設計水位，地下水產(chǎn)生的浮力超過地下室抗浮能力。

6 地下室抗浮與加固處理

6.1 抗浮與加固處理內(nèi)容

1)采取有關措施確保場地內(nèi)地下水位低于抗浮設計水位。

2)對于抗浮錨桿已失效的區(qū)域，重新進行抗浮設計及施工。

3)對地下室抗水板因上浮產(chǎn)生的裂縫及損傷進行加固處理。

6.2 抗浮與加固處理方法

目前，常采用配重抗浮、錨固抗浮、疏排泄壓進行地下抗浮設計。針對場地地形條件及實際情況，本工程采用疏排地表水+錨固抗浮的方式進行抗浮處理。

1)配合市政排水、河道治理等工程，對場地內(nèi)地下水的主要補給來源河道進行遷改。

2)對場地內(nèi)堵塞的排水溝進行全面疏通，確保排水通暢。

3)對于抗浮錨桿已失效的區(qū)域，重新進行抗浮設計及施工。

4)恢復基坑管井降水措施，直至地下結構抗浮能力滿足設計要求。

5)對建筑場地周邊地坪進行硬化封閉處理，防止地表水通過肥槽進入地下室底板以下。

6.3 抗浮錨桿加固設計

考慮地下室層高限制，采用抗浮錨桿對原抗浮措施進行加固，錨筋采用鋼絞線，利用專用錨具將錨頭錨固在抗水板內(nèi)(見圖7)。為提高單根錨桿抗拔承載力，盡量增大錨桿布置間距及單根錨桿長度。

圖7 抗浮錨桿加固示意

6.4 地下結構加固處理

抗浮處理完成后，地下結構短期內(nèi)的內(nèi)力調整受周期性變水位的浮力作用影響，因此采用柔性加固方法對未破壞的柱進行加固，以提高其變形能力。在提高柱整體性和承載力的同時，利用加固材料的柔性和高強度，允許結構在應力調整過程中產(chǎn)生一定變形，從而避免發(fā)生脆性破壞。

1)采用Ⅳ類二次灌漿料對泄水鉆孔進行封閉處理(見圖8)。

圖8 泄水鉆孔封閉處理

2)對抗水板、樓板、梁、柱及剪力墻裂縫進行封閉處理后，采用碳纖維布進行加固修復(見圖9～11)。

圖9 樓板裂縫粘貼碳纖維布加固示意

圖10 梁底裂縫粘貼碳纖維布加固示意

圖11 柱端、柱腳裂縫粘貼碳纖維布加固示意

3)對于上拱變形導致混凝土局部被壓酥的框架柱，進行混凝土置換處理，并粘貼碳纖維布進行加固修復(見圖12，13)。

圖12 框架柱局部混凝土置換加固示意

圖13 框架柱混凝土置換后粘貼碳纖維布加固示意

7 結語

本工程經(jīng)加固處理后，至目前地下室結構未出現(xiàn)上浮及開裂現(xiàn)象，表明加固效果良好，加固后的結構滿足抗浮設計要求。

1)抗浮事故發(fā)生時，第一時間在地下室底板上鉆孔泄壓，可在最大程度上保護主體結構，避免造成更大的損失。

2)地下結構上浮開裂損傷特征主要表現(xiàn)為框架柱偏心受壓導致混凝土被壓酥或開裂，框架梁、樓板、抗水板受彎開裂。

3)受場地及施工條件限制，地基基礎加固處理措施選擇有限，地基基礎加固處理難度及造價遠高于上部主體結構。

4)抗浮錨桿錨筋可采用鋼絞線，以適應地下室內(nèi)部作業(yè)要求，也可施加預應力，增強抗浮效果。

5)除對地下結構進行加固補強外，應重視對場地周邊地表水補給排設施的維護，減少地下室區(qū)域的匯水，確保場地地表水可順利排出。