地下室上浮破壞力學特征分析

摘" 要" 地下室上浮事故屢見不鮮，但對于其破壞機理及力學特征的研究較少。本文用有限元軟件建立三類典型的空間模型，對比上浮工況與設計工況下結構內力的變化。結果表明：地下室上浮后梁柱內力發生較大變化，導致梁柱產生眾多水平裂縫和斜裂縫；裂縫在靠近主樓部位的地下室結構出現較多，在地下室上浮中心區域出現較少；梁柱斜裂縫底端指向上浮中心區域；基礎所受沖切力增加，沖切破壞可能性增大。地下室上浮后，可根據破壞特征推斷上浮中心區域，也可據此采取針對性的處理措施。

關鍵詞" 地下室， 上浮， 破壞機理， 力學特征

收稿日期： 2023-05-16

作者簡介： 劉玉濤（1976-），男，博士，正高級工程師，國家一級注冊結構工程師、國家注冊土木工程師（巖土）、國家一級建造師，主要從事結構設計和施工技術工作。E-mail： 35017737@qq.com

* 聯系作者： 王理軍（1987-），男，高級工程師，主要從事結構設計和施工技術工作。E-mail： zjuwanglj@126.com

Mechanical Characteristics Study on Floating Damage of Basement

LIU Yutao1" WANG Lijun1，*" HUANG Jieqing2

（1.Zhongtian Construction Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310020 Hangzhou， China； 2.Zhejiang Dadi Geological Survey and Design Co.，Ltd.， Hangzhou 310030 Hangzhou， China）

Abstract" Floating accidents in basements is very common. However， few studies are carried on the failure mechanisms and mechanical characteristics of floating basements. By using finite element software， three types of typical spatial models are established to compare the structural internal forces under floating and design conditions. It is shown that the internal forces of beams and columns change greatly when the basement floats. This results in many horizontal and oblique cracks of beams and columns. More cracks appear on the basement structures near the main building， while fewer cracks appear on the basement structures in the floating central area. The lower ends of the oblique cracks in beam and columns point to the floating central area. As the punching force on the foundation increases， the possibility of punching failure increases. According to the failure characteristics， the floating central area can be inferred and targeted treatment measures can be taken after the basement floats.

Keywords" basement， float， failure-mechanism， mechanical characteristic

0" 引" 言

隨著土地資源的日益緊缺，人類對地下空間的開發利用越加重視，地下建筑物的埋深和體量不斷增大，其受地下水的影響愈加明顯，地下室上浮事故也屢見不鮮。2016年，鄂爾多斯某辦公樓項目地下室上浮，導致部分梁、柱產生裂縫，柱產生壓屈［1］。2020年，南昌萬科某住宅項目出現地庫上浮，導致地下室40多根承重柱剪斷，墻體和頂板出現開裂。成都［2］、南昌［3］、深圳［4］、徐州［5］等地也發生過地下室上浮事故。針對此類問題的研究也日益增多，于貴等［1］通過現場監測、試驗等方式對地下室上浮變形特征、設計參數進行分析，提出泄水降壓+抗浮錨桿綜合整治的工程措施。王海等［6-8］對地下室上浮引起的結構構件受損情況進行查勘，并根據構件的受損情況采取了針對性的加固設計。覃偉等［9］針對某坡地建筑地下室抗浮事故，分析了坡地建筑地下室匯排水特征及地下水對地下結構的影響，并提出降水抗浮設計措施。地庫上浮輕則出現裂縫，重者可能導致地庫坍塌，嚴重影響建筑的使用性、耐久性、安全性。

目前，針對地下室上浮事故的分析大多針對某一特定工程事故展開，對于地下室上浮破壞機理和力學特征的完整研究較少。該方面的研究可以發現裂縫位置、數量及形態規律，為前期優化地下室施工期間降水井的布置方案以及后期采取加固措施提供依據。此外，對于施工期的地下室，頂板上往往堆滿建筑材料，底板高低不平且室內較昏暗，地下室上浮事故發生后，很難直接判斷上浮位置，可以根據裂縫出現規律間接推斷上浮位置，為現場采取應急措施提供依據。

本文利用大型有限元軟件建立常見的三類模型研究地下室構件的破壞機理及力學破壞特征，可以為該類事故的防治提供參考。

1" 有限元分析

1.1 有限元分析模型

為分析地下室上浮后的受力特征，使用有限元軟件建立三維模型進行分析，其中框架采用線單元模擬，頂板、底板、地下室外墻采用殼單元模擬，殼單元設置節點偏心使梁板上表面平齊。根據工程情況的不同，模型分三類：

模型A：四周均有高層約束的單層地下室；

模型B：單邊高層約束的單層懸臂地下室，且考慮周邊地下室外墻作用；

模型C：四周均有高層約束的雙層地下室。

模型A、B柱網尺寸8.1 m×6 m，地庫層高3.8 m，地下室頂板厚300 mm，底板厚400 mm，柱截面500 mm×500 mm，模型B外墻厚300 mm。頂板覆土1.6 m，設計抗浮水頭3 m，分兩種工況進行考慮。

設計工況：覆土荷載1.618=28.8 kPa；活載5 kPa；水浮力30 kPa；自重25（0.3+0.4）=17.5 kPa。

上浮工況（未覆土，抗浮水頭3 m）：水浮力30 kPa；自重。

設計工況抗浮驗算：

=30 kPa，=46.3/30=，抗浮滿足要求。

上浮工況抗浮驗算：

，抗浮不滿足。

模型C柱網尺寸8.1 m×6 m，地下一、二層層高分別為3.8 m、3.5 m，地下室頂板厚300 mm，地下一層板厚120 mm，底板厚600 mm，柱截面600 mm×600 mm。頂板覆土1.6 m。設計抗浮水位標高與模型A、B一致，則抗浮水頭為6.7（=3+3.5+0.6-0.4）m，設抗拔樁，單柱下抗拔力為1 000 kN。

設計工況抗浮驗算：=（28.8+25.5）+ 1 000/

=74.9/67=，抗浮滿足要求。

上浮工況抗浮驗算：

=［25.5+1 000/（8.1×6）］/67=0.69，抗浮不滿足，抗拔樁失效。

由上述分析可知，設計工況抗浮驗算均滿足要求，主樓邊柱考慮主樓底板約束，約束平動和轉動自由度，其余柱柱底外約束按鉸接。上浮工況抗浮不滿足要求，模型A、B無抗拔樁，模型C抗拔樁失效，除主樓邊柱外，其余柱無外約束。上浮工況下有限元模型見圖1，模型B與A相比，三邊無主樓約束僅考慮地下室外墻作用。

1.2 有限元分析結果

有限元分析得到各構件在設計和上浮工況下內力，模型A、B設計工況下結果一致，將各模型第二榀框架內力（基本組合）導出并繪圖，見圖2。從中可知：

在設計工況下，模型A、B、C內力規律一致；頂板梁、地下一層梁（模型C）支座處梁頂受拉為負彎矩，跨中位置梁底受拉為正彎矩；中柱所受彎矩極小，可按軸心受壓構件設計。

在上浮工況下，模型A、B、C內力規律一致，梁柱主要承擔反對稱彎矩，此彎矩在靠近主樓處極大，較設計工況有較大增加，在上浮中心區域所受彎矩較小。

2" 破壞機理與力學特征

地下室上浮將導致結構破壞，其原因極其復雜，與構件承載力、荷載、施工、使用均相關，大部分破壞形態由其力學特征決定。

2.1 柱破壞

柱破壞是地下室上浮事故中最常見，最嚴重的一種破壞形式。在設計工況中，中柱所受彎矩極小，一般按軸心受壓構件配置構造鋼筋。在上浮工況中，各柱均為雙偏心受壓構件，分別繪制一層和兩層地下室柱的PMM曲線，見圖3，由此可知，在本文上浮工況中，原地庫柱均不滿足承載力要求。

柱主要破壞形式見圖4，有柱頂（底）水平裂縫、柱斜裂縫、柱壓潰，彎矩M3及剪力V2作用下典型梁柱裂縫形態見圖5，該圖展示了三種模型梁柱裂縫的規律，包括位置、數量（寬度）及方向，分析如下：

在上浮工況中，各模型柱彎矩規律相同，均受反對稱彎矩，故其也承受較大剪力。此彎矩在柱頂底處最大，柱頂底在彎矩作用下受拉側首先出現水平裂縫，水平裂縫在柱上一般呈反對稱分布［10］。剪力將導致柱出現斜裂縫，此斜裂縫可能出現在柱非加密區，也可能由于彎剪共同作用出現在柱頂、柱底。當抗浮設計水位標高一致，上浮工況下兩層地下室抗拔樁失效時，模型C柱所受彎矩最大，模型B次之，模型A最小，故三者的裂縫數量（寬度）為Cgt;Bgt;A。

各模型彎矩剪力均為靠近主樓位置較大，裂縫在靠近主樓位置出現較多（大），上浮最大區域出現較少（小）。由柱剪力方向可以推知柱斜裂縫通常為底端指向上浮較大區域。當因現場條件限制無法直接判斷地下室上浮較大位置時，可以據此規律間接推斷地下室上浮中心，定位開孔泄壓位置，泄壓孔一般設置在底板上浮較大位置。施工期地下室降水井布置時，建議在遠離周邊主樓位置保留一定量的降水井，減少純地下室區域上浮風險，控制裂縫的發展。

上文分析了柱在彎矩M3及剪力V2作用下典型裂縫形態，實際上地庫柱均為雙偏心受壓構件，

柱破壞形式由較大方向內力控制。當兩個方向內力均較大時，將發生雙向破壞。在雙向彎矩作用下，柱頂和柱底受拉側兩個面均出現裂縫，見圖6。

柱壓潰一般出現在靠近主樓的地庫柱，受主樓約束無法上浮而受到較大軸力，在彎矩作用下的受壓角部出現壓潰現象。

2.2 梁破壞

因框架梁配筋較多，承載力較大，梁破壞在地下室上浮事故中出現的相對較少，主要為梁水平裂縫和斜裂縫（圖7），典型梁裂縫形態見圖5。

由1.2節可知，在上浮工況中，每跨梁均承擔反對稱彎矩，靠近主樓端承受正彎矩，另一端承受負彎矩，故其也受較大剪力。這些力的作用下，可能出現梁水平裂縫和斜裂縫。由于梁內力在靠近主樓位置較大，上浮最大區域較小，故梁裂縫主要出現在靠近主樓端。在上浮工況中，梁端正彎矩也可能較設計工況有較大增加，故裂縫也可能出現在梁頂面。對于模型C兩層地下室而言，在設計工況下，地下一層梁彎矩和配筋遠小于地下室頂板梁，而在上浮工況中，地下一層梁所受內力反而大于地下室頂板，故地下一層梁出現的裂縫常多于地下室頂板。由剪力方向可以判斷，梁斜裂縫通常為底端指向上浮較大區域，與柱同。

2.3 頂板、底板破壞

地下室上浮后，頂板受柱上頂作用，裂縫常出現在梁柱交點處，呈現以柱子為中心的放射狀裂縫［8］（圖8），裂縫寬度為近中心處較大。

底板受力極其復雜，裂縫形態較多，較規律的為底板中部直線裂縫（圖9），常出現在底板跨中位置，范圍較廣，裂縫較寬，此類裂縫通常豎向貫通、上大下小，主要由底板在水浮力作用下跨中上表面受拉引起。

2.4 基礎破壞

獨立基礎沖切破壞（圖10）需考慮柱對柱墩的沖切以及下柱墩對筏板的沖切。在無水浮力時，柱墩下方反力最大，筏板反力較小，故沖切力較小。當水浮力較大時，外側筏板所受浮力增加，柱墩下方反力減小，導致沿1和2的沖切力增大，有可能導致基礎沖切破壞（圖11）。

樁基沖切破壞示意見圖12，在水浮力較小時，樁受壓，沖切力為F-N，而當水浮力較大時，樁受拔力，沖切力變為F+T，大幅增加，沖切破壞可能性增大。

3" 抗浮處理

抗浮處理一般分三類：①采取應急措施減小水壓力，盡快恢復地下室底板變形；②在建筑物復位穩定后，對受損構件進行修復加固；③根據工程實際，采取永久抗浮處理措施。

3.1 應急措施

應急措施主要包括開孔泄壓、降水以及壓重。

開孔泄壓是降低地下室水壓力最有效的措施，可在地庫底板上浮較大位置及其臨近區域分散布置鉆孔點，當因現場條件限制無法直接判斷地下室上浮較大位置，可以上文規律間接推斷地下室上浮中心。鉆孔對稱同步進行，分散卸掉水壓力，開孔泄壓必須控制好地下水位的下降速度，避免過快的復位對結構造成二次損傷，也需注意沖出水柱產生傷人事故［4］。

降水指現場重新啟用原有降水井或者另行打設降水井以降低地下水位，抽出的地下水必須排到場區外，防止地下水回灌。地下室底板施工時需封堵一部分降水井，建議在純地下室區域保留一定量的降水井，地下室發生上浮風險時可重啟此部分降水井有效降低地下水位，減少后期增補降水井的工作量。

壓重可以在底板堆沙袋或者頂板回土、堆放鋼筋以平衡水浮力，但需復核板承載力。此外，必須控制好加載的位置，如果地下室已經損傷較嚴重，則不宜在頂板以及其他受損處加載［4］。

3.2 修復加固措施

由于地下室結構破壞形態復雜，在加固方案的選取時必須充分分析其破壞程度及破壞原因，分別采取有針對性的加固措施，上文中破壞原因和機理的分析可為加固設計提供參考。

柱加固：對于有受壓破壞的柱，可采用置換法、增大截面法加固。對僅有水平裂縫，無受壓破壞的柱，裂縫采用注膠修復后［6］再粘貼碳纖維布進行加固。

梁加固：對于梁底局部混凝土破碎的可以采用置換法加固；對于裂縫的處理，裂縫采用注膠修復后再粘貼碳纖維布進行加固；對于其余承載力不足的，可采用粘鋼或者粘貼碳纖維加固。

基礎和底板加固：基礎和底板下采用壓力注漿，消除底板下的空隙，同時提高地基承載力。對于底板開裂［11］，常采用聚氨酯堵漏和環氧樹脂封閉，再在底板內側涂刷水泥基滲透結晶型防水涂料兩遍，并養護48 h直到其固化。待底板裂縫、滲水孔洞等滲水薄弱環節修補且作加強處理，經觀察一段時間無滲漏后，再在其上澆筑鋼筋混凝土疊合層，既有效提高底板的整體性、承載力及防水性能，還能作為找坡層。若地下室層高有富余，亦可在疊合層下設置疏水層。

3.3 永久抗浮措施

對于原設計永久抗浮承載力不足或者地下室上浮后導致抗浮能力下降（如抗拔樁斷裂，抗拔接頭失效）的項目，尚需采取永久抗浮措施保證其抗浮承載力滿足要求。由于此時地下室結構已完工，抗浮措施的選擇受限較大，需根據實際情況合理選用，概括起來可以分為“抗、放”兩類，也可“抗放結合”。

“抗”：采取措施提高結構的抗浮承載力，常用的方法有壓重法（壓）和錨樁法（拉）。壓重法可在底（頂）板上設置疊合層來提高自重，施工較方便。因底板上設置疊合層影響地下室凈高，頂板上設置疊合層需在梁板承載力范圍之內，對抗浮能力提升有限，一般用于抗浮承載力略不足的情況。錨樁法受地下室操作空間的限制，常采用的方法為補設抗浮錨桿法。與常規室外錨桿施工相比，地下室內錨桿施工尚需解決設備改造、廢氣處理、泄水降壓、錨頭滲水等問題［10］。

“放”：在地下室周邊設置排水盲溝，地下水經其排到集水井中，最后通過水泵排到影響范圍以外，通過該方法限制地下水壓力以保證抗浮承載力滿足要求。此法應進行地下水位和水壓力的監測。監測點間距宜為30～50 m，監測點數量不宜少于泄水口總數的10%且建筑縱橫方向各不少于5個［12］。

4" 結" 論

本文研究了地下室上浮破壞的破壞機理及力學特征，可以為地下室施工期間降水井的布置方案，以及地下室上浮事故的應急措施和加固方案提供依據。裂縫位置、數量和形態規律可以間接推斷地下室上浮中心；也可推斷構件破壞程度及原因，并據此采取相應加固措施。本文主要研究結論如下：

（1） 上浮工況中，各跨梁柱均承擔反對稱彎矩，此彎矩在靠近主樓處極大，較設計工況增加較多，在上浮中心區域所受彎矩較小。結構內力與設計工況相比發生較大改變導致結構破壞。

（2） 柱破壞是地下室上浮事故中最常見，最嚴重的，梁破壞相對較少；梁柱裂縫在靠近主樓位置出現較多，上浮較大區域較少。梁柱斜裂縫通常為底端指向上浮較大區域，可用于推斷上浮中心，指導抗浮處理。

（3） 當抗浮設計水位標高一致時，兩層地下室抗拔樁失效時，模型C所受彎矩最大，模型B次之，模型A最小，故三者的裂縫數量（寬度）為Cgt;Bgt;A。

（4） 水浮力增大后，基礎所受沖切力增加，沖切破壞可能性增大。

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