某項目地下室抗浮破壞事故分析和處理

許松彬 （福建綠城建筑設計有限公司，福建 廈門 361000）

1 工程概況

近年隨著地下結構的數量增多，地下結構的埋深越來越深，地下結構抗浮穩定出現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到抗浮穩定的要求，此時一旦出現突發暴雨或因施工降水措施不到位導致水位嚴重超高，極易對地下結構的抗浮穩定產生重大影響。本項目位于浙江省義烏某地，設計用途為住宅，場地內滿布單層地下室，上部主樓為22層的框架剪力墻結構。場地西側臨近一條小河，距離地下室外墻約為15m。2015年2月底在施工現場放假期間恰逢暴雨不斷，河水水位暴漲，市政排水不暢導致場地周邊積水，中庭單層地下室經過一段時間的高水位荷載作用后，開始出現隆起，中間最大豎向位移達到約二十幾厘米，地下室結構柱及梁板出現不同程度的裂縫。此時地下室結構已施工完成，主樓結構基本完工，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完成。其中地下室頂板型式為普通梁板結構，頂板厚度為200mm，底板為平板式防水板加獨立基礎，底板厚度為350mm，地下室結構層高3.7m。

2 原因分析

根據地質勘察報告，項目場地內土層分布情況自上而下分別為雜填土、粉質粘土、強風化鈣質粉砂巖與砂巖互層、中等風化鈣質粉砂巖與砂巖互層，場地內自東向西存在一條破碎帶，其中雜填土、粉質粘土與中風化巖層均為弱透水性，強風化與破碎帶透水性為中等透水，中風化巖層屬于極軟巖～軟巖。地下室基礎持力層為強風化和中風化巖層，基礎采用獨立基礎，結合頂板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的滲水通道。基坑肥槽回填土根據規范要求應灌注素混凝土或攪拌流動性水泥土，或采用灰土、級配砂石、壓實性較好的素土分層夯實，壓實系數不小于0.94。但是項目實踐經驗中，回填土組分及壓實系數往往都無法保證，容易形成透水層。當地強風化層土層存在遇水極易軟化的特性，地下室周邊強風化土層受施工擾動影響后強度降低，對地下室約束作用降低。地表水在排水順暢時，因上層弱透水層的作用地下室結構構件受水壓影響極小。當地表積水，周邊河流水位變高后，水通過滲水通道浸泡使土層進入飽和狀態。暴雨時現場排水措施失效或者設置不到位，無法及時降低水位，使地下室處于長期的浸泡狀態，水位上升使地下室承受浮力增大。而因為持力層特性、結構布置影響和地下水滲透路徑等多種復雜因素影響，底板水壓力存在不均勻分布，對地下室局部抗浮穩定性產生不利影響。

本地下室采用柱下獨立基礎，錨桿集中設置于獨立基礎范圍內。地下室上拱使底板和基礎變形后與持力層脫離，底板變形較大處錨桿基本破壞失效。根據現有條件取一標準跨（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厚底板及獨立基礎自重G3為409kN，結構自重G=G1+G2+G3=730kN。單根錨桿抗拔極限承載力標準值為500kN，當一個柱下設置2根錨桿時，反算得(730+2x500)/8.0/5.2=41.6kN/m，41.6/9.8=4.24m，可知當水位高于底板底標高4.24m時抗浮錨桿即可能受拉破壞。正常使用工況下，底板受水浮力時以柱及基礎作為支座，底板跨中變形最大。而長時間的水浮力超限使局部抗浮錨桿失效，進而導致一定范圍的地下室整體抗浮不足。此時柱與基礎無法作為固定支座并產生豎向位移，底板頂板產生整體變形。

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域梁板柱底板等結構構件均出現不同程度破壞。其中框架柱受損傷較為普遍，大部分裂縫均出現在梁底及柱腳，個別柱角混凝土出現破壞，較嚴重的柱裂縫長度橫穿柱截面，寬度約為0.3～1.0mm。柱未出現較大變形，單個柱裂縫數量不多，破壞程度不高。框架梁部分出現端部裂縫，裂縫分布較無規律，個別板四周出現不規則的裂縫。從結構受力及變形分析，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。因為主樓支座沒有水平位移，當水浮力較小時，上下弦均以受彎為主；當水荷載繼續加大，上下弦變形加大，上弦處于完全受拉側變形增大比下弦更快，變形近似以柱為節點的分段折線。此時，上下弦節點處均有明顯彎矩，同時弦桿處于受拉狀態，弦桿均為拉彎構件。柱兩端的整體變形協調并由彎矩平衡原理而產生較大的彎矩和剪力，同時通過柱傳遞軸力，柱處于壓彎受力狀態。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，柱頂相對更容易破壞。柱頂開裂后應力釋放，各構件內力重分布，進入新的平衡狀態。根據力學理論，越靠近受彎支座處腹桿受力越大，柱旋轉變形角度越大，承受的彎矩、剪力增大，因此越靠近不動支座的柱裂縫越多。柱開裂后，內力重分配之后梁受力增大，部分頂板梁出現裂縫。從現場情況看，柱裂縫較多集中于柱頂梁底，柱底裂縫在靠近主樓處出現，兩棟主樓中間柱的裂縫較少，對應梁板裂縫也出現在靠近整體受彎地下室的兩側，中間梁板裂縫較少。

3 處理方案

3.1 應急處理方案

根據現場情況，為減輕地下室梁板柱的應力，需緊急對底板水壓進行卸荷處理，防止構件進一步開裂變形。在底板分區域鑿開三個直徑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，當水流穩定后，地下室的最大變形起拱值也回位到約30mm。此時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

為補償地下室抗浮穩定問題，需對地下室抗浮措施進行加固處理。加固施工時，在地下室周邊增設降水井進行降水。在底板變形基本回復后，利用新增的錨桿底板開洞對基礎及底板的空隙部位進行注漿處理，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生沉降。新增錨桿布置均勻在基礎外側，采用全長粘結型錨桿，進入中風化不小于3m，并在一次常壓注漿初凝后進行二次高壓注漿。錨桿鋼筋在底板面彎折處設置400x400mm，厚度15mm鋼板作為錨固加強措施，在底板面設置120mm厚混凝土板，板內配置雙向12＠150的鋼筋網作為錨桿鋼筋的錨固端，兼作為抗浮壓重的安全儲備。全長粘結型錨桿在端部設置一道遇水膨脹止水條作為防水措施。同時底板裂縫采用高強灌漿料注漿密實進行修補。

針對框架柱損傷情況，依據鑒定報告需進行加固，對裂縫較大，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，先用高強混凝土置換原強度不足和有缺損部位的部位，再采用有外粘型鋼加固法進行加強，保證柱構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灌漿料進行置換。頂板裂縫采用高壓灌漿料進行修補后用外貼碳纖維進行補強。

4 防治成果

①通過底板應急開孔泄壓，能有效地釋放底板水壓力，減小地下室上拱壓力，緩解地下室構件損傷繼續擴大的趨勢。大量的排水對底板下持力層性能可能產生不利影響，通過基底壓力注漿能達到補強持力層的效果，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，對地下室抗浮穩定性進行補強，通過增設機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對出現損壞的主體梁板柱構件進行局部置換、采取提高承載力和耐久性的加強措施，滿足設計和使用要求。項目交付至今地下室使用效果良好。

5 經驗總結

影響地下室抗浮穩定性的因素較多，且在施工階段和使用階段情況復雜多變，因此設計階段應盡量對各種不利工況進行綜合考慮。但限于現有勘察手段、數據積累和經濟成本因素，往往無法提供完全的保障，對抗浮設計提出了較大的挑戰。本項目采用加固地基土，增設抗浮錨桿等措施對地下室上浮事故進行處理，能解決一般項目出現的類似問題，并為處理地下室抗浮穩定問題提供一定的經驗積累。