復合地基筏板基礎地庫上浮成因與處置方案研究

董崇海，吳大鵬，陳中華，胡京亞

(廣東省重工建筑設計院有限公司,廣東 廣州 510000)

對于南方雨水豐富地區或山地建筑項目,地下室抗浮設計極為重要,抗浮設計的方案也多種多樣。設計中按照勘察報告提供的水頭計算浮力大于結構荷載的情況時即需要進行抗浮設計。抗浮設計常規有兩種思路:一種采用排水減壓的思路,肥槽排水、盲溝、疏水層等排水措施需要將滲水量匯集到項目周邊的排水措施,保證即使在驟雨的情況下結構自重及覆土可以抵抗水浮力[1],目前此設計思路已經得到了廣泛的應用及推廣,尤其對于天然地基及淺基坑工程項目。另一種采用抗浮的方法,抗浮常規采用抗浮錨桿或抗浮樁,需要結合實際工程項目進行選用。需要注意的是在施工過程中,因施工順序不當,造成結構自重無法抵抗水浮力,且未采取降低水頭的措施極易造成地下室上浮[2];項目周邊標高變化或突遇暴雨超過以往降水量導致水頭高于結構設計采用的抗浮水頭時也可能導致地下室上浮[3-4]。對于永久抗浮,底板跨中彎矩是向上的,地下水壓力的作用下如果在板跨中采取一定的抗浮措施,可以有效地保證底板的安全性及經濟性。

1 工程概況

1.1 基本信息

本項目位于惠州市仲愷區,為普通住宅項目的附屬地下室。地下室發生上浮區域面積約2 250 m2,兩層地下室,-1層層高3.35 m,-2層層高3.4 m,頂板大部分區域覆土為1.2 m,柱距主要為7 800 mm×8 100 mm。地下室頂板、-1層結構均為無梁樓蓋,采用錐形柱帽。基礎為素混凝土旋噴樁復合地基加600 mm厚筏板。基礎方案如圖1所示。

1.2 主要土層分布

本項目地下室上浮區域底板以下主要土(巖)層分布見表1。

表1 上浮區域底板以下土(巖)層

1.3 現場情況

現場施工于2021年12月底完成地下室后澆帶全封閉,地下室周邊肥槽同步回填,同時停止降水措施。后因雨天較多未及時跟進頂板覆土,跨越春節直至2022年2月23日發現地下室砌體墻異常開裂,此時頂板覆土仍未回填。現場監理開始進行地下室標高監測,發現地下室底板標高每日均有抬高趨勢,上浮最大高度達20.5 cm,如圖2所示。

上浮最大位置的結構柱因呈現軸心受壓的受力狀態柱身完好無損,上浮高度16 cm～19 cm區域的結構柱、柱帽因呈現壓彎的受力狀態導致損傷較為嚴重,且柱子頂部明顯呈現一側拉裂、一側壓潰的損傷情況,如圖3所示。柱帽出現水平通縫,如圖4所示。

2 成因分析

2.1 設計復核

本項目采用復合地基及筏板基礎,因設置兩層地下室,底板底面抗浮水頭比較高為7.45 m,地下室結構自重及頂板覆土不足以抵抗水浮力。原設計通過增設普通抗拔錨桿以滿足地下室抗浮要求,錨桿成孔直徑200 mm,普通螺紋鋼筋3Φ28,錨桿入強風化巖不少于8 m,錨固體采用M30水泥砂漿,單根錨桿的設計抗拔承載力特征值為300 kN,經現場承載力試驗滿足要求。

原設計依據DBJ/T 15-125—2017建筑工程抗浮設計規程[5]進行整體抗浮驗算,通過采用地下室結構自重、頂板覆土及抗浮錨桿抵抗水壓力,安全系數為1.18。并結合抗浮錨桿的有效性,底板配筋的經濟性,將抗浮錨桿布置于底板板跨中間,抗浮錨桿總數為126根,如圖5所示。

經復核,原設計滿足實際使用過程中的抗浮要求。結合現場實際施工順序,地下室肥槽及后澆帶封閉后,地下室抗浮水頭在停止降水后恢復至設計水頭,此時僅地下室結構自重及抗浮錨桿抵抗水壓力,按照《建筑工程抗浮設計規程》計算后,安全系數僅為0.9,無法滿足實際的抗浮需求,且低于規范要求的1.05。

2.2 施工復核

本項目于2022年2月24日由施工單位發起組織勘察單位、設計單位、監理單位及建設單位進行現場勘查,問題主要為地下室底板隆起、結構柱壓潰或拉裂、砌體墻大面積開裂等。通過現場實地觀察、各項封閉驗收材料及施工藍圖檢查,施工中存在以下3個問題:

1)對于基坑降水、后澆帶封閉、頂板覆土的施工工序,施工藍圖做了明確的要求:基坑內停止降水必須滿足塔樓第10層樓面梁板施工完成、地下室頂板及裙房屋面板等覆土完成、地下室后澆帶封閉且達到設計強度。由此,結合1.3節現場反饋的施工情況可知,導致地下室上浮的主要原因為施工工序的錯誤,在地下室頂板覆土未完成的情況下提前停止基坑降水。2)現場擱置約3個月未進行覆土回填施工,導致項目在南方春節雨水較豐富期間水頭急劇上升,地下室結構產生嚴重損傷才發現問題的嚴重性。3)地下室肥槽回填施工未按圖紙要求進行分層回填,壓實系數、回填土材料均不滿足設計要求,導致降水由地面滲入肥槽產生“水盆效應”[6]。

綜合設計及施工復核可知,本項目地下室上浮主要原因為現場施工順序不當造成。

3 應急方案

3.1 常用方案

前人研究地庫上浮搶險的方案各有不同,適應條件也不盡相同,但絕大多數以控制地庫繼續上浮或減小上浮為目的。常用地庫上浮搶險方案主要為:泄水減壓或增加配重的方式。泄水減壓法目前發展較為迅速,產生種類繁多的新工藝及新材料,如底板直接開泄水孔、地庫周邊設置井點降水、肥槽開挖等方案。增加配重的方法也有多種,如頂板增加覆土、頂板回填材料更換、底板面層加厚等。在以往的處置方案中,通常會將泄水減壓與增加配重兩種方案復合使用,從而使地下室隆起區域盡可能恢復。

3.2 實施方案

本項目組織建設五方責任主體現場勘查時即發現地下室結構已經發生明顯的結構損傷及底板隆起的情況,需要盡快采用處理措施緩解結構損傷繼續發展。考慮到地庫周邊設置降水井點或肥槽開挖抽水等措施均不能滿足搶險的緊急性,因此采用直接在底板上開100 mm泄水孔進行泄水減壓,第一個孔水柱噴射至-1層板底,增加泄水孔之后水柱逐漸降低,穩定后底板上水深0.5 m,見圖6。泄水孔滲流穩定后無泥砂涌出,底板下形成空洞的影響較小。

由于項目竣工驗收較為緊張,需使地下室隆起盡快恢復,便于地下室開展檢測與加固施工,臨時處理措施還結合增加配重的方案。考慮地下室結構柱、柱帽等受力構件已經產生明顯損傷,為避免增加二次損傷,先對已產生結構損傷的區域進行回頂后在頂板上分層回填0.6 m高覆土,同時在底板隆起較大位置堆放1 m高沙袋。

經過采取緊急處置措施后,底板在4 d后已得到有效的恢復,隆起高度由最高時20.5 cm降至2.7 cm,且無底板下撓的情況,恢復效果較好。同時對地下室結構柱、柱帽原損傷位置進行觀察發現,之前明顯裂縫已閉合,之前輕微開裂位置基本難以發現。

4 加固設計

為保證因地庫上浮造成的結構損傷通過加固可以滿足后續結構使用要求,本項目邀請第三方檢測單位進行結構安全鑒定。通過對結構構件開裂情況、材料強度、鋼筋配置、基礎變形及計算復核得到的結論是大部分結構構件包括底板仍滿足正常使用要求,但需對抗浮進行加固或設置永久排水減壓措施,對于明顯損傷的結構柱及柱帽需進行結構加固處理。

4.1 抗浮加固

地下室最大隆起高度達20.5 cm,且范圍較大,結合結構安全鑒定的結論,原抗浮設計采用的抗浮錨桿基本可判定已失效,通過緊急處理底板的恢復效果較好,但仍不能保證錨桿的有效性。作為永久的抗浮措施,需要充分考慮不同的抗浮方案帶來的施工難度、維護難度和投入等。

方案一:不增加抗浮構件的情況下,采用排水減壓的思路。因地下室抗浮失效出現于局部區域,周邊為塔樓及相連的地下室,若改造地庫周邊肥槽為疏排水系統的“疏水措施”,則難以形成閉環,且本項目肥槽回填后為市政道路,難以保證自行排泄條件及后續排水系統的維護要求。若采用在地下室底板或集水井中設置水位監測自動或非自動排水系統的“降水措施”,則因本項目抗浮水頭較高,不增加抗浮措施的情況下,地庫正常使用過程中需長時間進行抽排水,后續維護費用很高。綜合分析,采用排水減壓思路前期施工較為便利,一次性投入較低,但對后期正常使用的保障條件較高,相關保障措施可參考文獻[1]。對于住宅項目,采用排水減壓的思路對后期物業管理要求太高,且增加了業主的物業費用,適用性不高。

方案二:不增加抗浮構件的情況下,采用增加配重的思路。前人在采用此方法時存在頂板覆土在承載力設計時比抗浮設計厚的情況,此時即可通過直接增加頂板覆土的方法增加配重,如文獻[3]。另外可通過增加地庫底板面層厚度或增加疊合層來增加配重[7],此方案要求地庫層高較高,增加面層厚度后不影響正常車庫確權及使用要求。由于本住宅項目業主設計前期嚴格控制建造成本,對覆土厚度、地下室層高均做了嚴格限制,增加覆土厚度將對頂板承載力產生較大影響,增加面層厚度又無法滿足地庫凈高要求,因此也不考慮采用增加配重的抗浮加固方案。

方案三:增加抗浮構件的思路,即重新設置抗浮錨桿或抗浮樁。本項目基礎原采用素混凝土旋噴樁復合地基及筏板基礎,復合地基與筏板間設置300 mm褥墊層,如采用抗浮樁,雖能較好地解決抗浮問題,但因抗浮樁直接與底板相連,豎向力會首先傳遞至抗浮樁,導致基礎的受力變得復雜。

經比較3個方案的優劣勢,結合本項目實際特點,最終采用與原設計相同的抗浮錨桿進行抗浮加固的方案。抗浮錨桿成孔直徑200 mm,錨筋采用普通螺紋鋼筋4Φ28,單根錨桿的設計抗拔承載力特征值為375 kN,實際檢測后滿足設計要求。錨桿總數共計116根,經計算抗浮安全系數略高于原設計。抗浮錨桿施工順序:放線定位→底板開孔,孔洞周邊300 mm范圍鑿除至底板面筋→下鉆成孔,成孔過程中每隔0.5 m記錄一次孔側巖性,錨桿入強風化巖不少于11.0 m→錨桿安放,主筋接長時采用套筒對接,主筋上端在底板面筋處彎折并與面筋搭接焊,水平段長度280 mm→采用M30水泥砂漿(水灰質量比0.4)進行高壓注漿→漿液滲至底板底標高時進行養護,初凝后在錨桿與底板底交接位置填塞遇水膨脹型填充劑→錨桿在底板高度內采用抗滲等級為P8的C35微膨脹混凝土填充。抗浮錨桿安裝剖面圖見圖7。

4.2 結構加固

本項目地下室結構損傷主要出現于柱底、柱頂及柱帽位置。柱子加固為常規加固方案,對于開裂輕微的柱子采用粘貼環向碳纖維布,對于開裂較為嚴重的柱子采用包鋼加固的方式。對于柱頂出現壓潰的情況,需先采用高強灌漿料進行混凝土置換再進行包鋼加固。無梁樓蓋的柱帽主要作用是增強板、柱交接位置的抗沖切及抗剪能力,柱帽雖然出現橫向裂縫,但裂縫比較微小,可考慮通過注漿修復。但為安全起見,本項目柱帽裂縫修復后對個別柱帽還采用增大尺寸的加固方案,如圖8所示。

5 結語

通過實際項目的地下室上浮成因分析及處置方案研究,得出以下結論:

1)通過設計及施工復核,該項目地下室上浮成因主要為基坑肥槽回填、頂板覆土回填、底板后澆帶封閉及基坑停止降水的施工工序不當造成。2)地下室上浮后應該盡快確定搶險方案,避免地下室結構損傷加劇,同時應全方位評估搶險方案帶來的效果,應盡可能避免產生二次損傷。3)通過對比抗浮加固方案的施工便利、后期抗浮措施的維護、地庫使用影響及成本投入,采用增補抗浮錨桿的加固方案。