地下室上浮破壞力學(xué)特征分析

摘" 要" 地下室上浮事故屢見不鮮，但對于其破壞機(jī)理及力學(xué)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(shè)計工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化。結(jié)果表明：地下室上浮后梁柱內(nèi)力發(fā)生較大變化，導(dǎo)致梁柱產(chǎn)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(jié)構(gòu)出現(xiàn)較多，在地下室上浮中心區(qū)域出現(xiàn)較少；梁柱斜裂縫底端指向上浮中心區(qū)域；基礎(chǔ)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(jù)破壞特征推斷上浮中心區(qū)域，也可據(jù)此采取針對性的處理措施。

關(guān)鍵詞" 地下室， 上浮， 破壞機(jī)理， 力學(xué)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計和施工技術(shù)工作。E-mail： 35017737@qq.com

* 聯(lián)系作者： 王理軍（1987-），男，高級工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工技術(shù)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(fā)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(dǎo)致部分梁、柱產(chǎn)生裂縫，柱產(chǎn)生壓屈［1］。2020年，南昌萬科某住宅項目出現(xiàn)地庫上浮，導(dǎo)致地下室40多根承重柱剪斷，墻體和頂板出現(xiàn)開裂。成都［2］、南昌［3］、深圳［4］、徐州［5］等地也發(fā)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(xiàn)場監(jiān)測、試驗等方式對地下室上浮變形特征、設(shè)計參數(shù)進(jìn)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(jié)構(gòu)構(gòu)件受損情況進(jìn)行查勘，并根據(jù)構(gòu)件的受損情況采取了針對性的加固設(shè)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(jié)構(gòu)的影響，并提出降水抗浮設(shè)計措施。地庫上浮輕則出現(xiàn)裂縫，重者可能導(dǎo)致地庫坍塌，嚴(yán)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(jī)理和力學(xué)特征的完整研究較少。該方面的研究可以發(fā)現(xiàn)裂縫位置、數(shù)量及形態(tài)規(guī)律，為前期優(yōu)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(jù)。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(nèi)較昏暗，地下室上浮事故發(fā)生后，很難直接判斷上浮位置，可以根據(jù)裂縫出現(xiàn)規(guī)律間接推斷上浮位置，為現(xiàn)場采取應(yīng)急措施提供依據(jù)。

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(gòu)件的破壞機(jī)理及力學(xué)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(jìn)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(shè)置節(jié)點(diǎn)偏心使梁板上表面平齊。根據(jù)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(wǎng)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(shè)計抗浮水頭3 m，分兩種工況進(jìn)行考慮。

設(shè)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(shè)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(wǎng)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(shè)計抗浮水位標(biāo)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(shè)抗拔樁，單柱下抗拔力為1 000 kN。

設(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(jié)果

有限元分析得到各構(gòu)件在設(shè)計和上浮工況下內(nèi)力，模型A、B設(shè)計工況下結(jié)果一致，將各模型第二榀框架內(nèi)力（基本組合）導(dǎo)出并繪圖，見圖2。從中可知：

在設(shè)計工況下，模型A、B、C內(nèi)力規(guī)律一致；頂板梁、地下一層梁（模型C）支座處梁頂受拉為負(fù)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(gòu)件設(shè)計。

在上浮工況下，模型A、B、C內(nèi)力規(guī)律一致，梁柱主要承擔(dān)反對稱彎矩，此彎矩在靠近主樓處極大，較設(shè)計工況有較大增加，在上浮中心區(qū)域所受彎矩較小。

2" 破壞機(jī)理與力學(xué)特征

地下室上浮將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，其原因極其復(fù)雜，與構(gòu)件承載力、荷載、施工、使用均相關(guān)，大部分破壞形態(tài)由其力學(xué)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(yán)重的一種破壞形式。在設(shè)計工況中，中柱所受彎矩極小，一般按軸心受壓構(gòu)件配置構(gòu)造鋼筋。在上浮工況中，各柱均為雙偏心受壓構(gòu)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(tài)見圖5，該圖展示了三種模型梁柱裂縫的規(guī)律，包括位置、數(shù)量（寬度）及方向，分析如下：

在上浮工況中，各模型柱彎矩規(guī)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?shù)滋幾畲螅數(shù)自趶澗刈饔孟率芾瓊?cè)首先出現(xiàn)水平裂縫，水平裂縫在柱上一般呈反對稱分布［10］。剪力將導(dǎo)致柱出現(xiàn)斜裂縫，此斜裂縫可能出現(xiàn)在柱非加密區(qū)，也可能由于彎剪共同作用出現(xiàn)在柱頂、柱底。當(dāng)抗浮設(shè)計水位標(biāo)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(shù)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(xiàn)較多（大），上浮最大區(qū)域出現(xiàn)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(qū)域。當(dāng)因現(xiàn)場條件限制無法直接判斷地下室上浮較大位置時，可以據(jù)此規(guī)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(shè)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(yuǎn)離周邊主樓位置保留一定量的降水井，減少純地下室區(qū)域上浮風(fēng)險，控制裂縫的發(fā)展。

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

柱破壞形式由較大方向內(nèi)力控制。當(dāng)兩個方向內(nèi)力均較大時，將發(fā)生雙向破壞。在雙向彎矩作用下，柱頂和柱底受拉側(cè)兩個面均出現(xiàn)裂縫，見圖6。

柱壓潰一般出現(xiàn)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(xiàn)壓潰現(xiàn)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(xiàn)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(tài)見圖5。

由1.2節(jié)可知，在上浮工況中，每跨梁均承擔(dān)反對稱彎矩，靠近主樓端承受正彎矩，另一端承受負(fù)彎矩，故其也受較大剪力。這些力的作用下，可能出現(xiàn)梁水平裂縫和斜裂縫。由于梁內(nèi)力在靠近主樓位置較大，上浮最大區(qū)域較小，故梁裂縫主要出現(xiàn)在靠近主樓端。在上浮工況中，梁端正彎矩也可能較設(shè)計工況有較大增加，故裂縫也可能出現(xiàn)在梁頂面。對于模型C兩層地下室而言，在設(shè)計工況下，地下一層梁彎矩和配筋遠(yuǎn)小于地下室頂板梁，而在上浮工況中，地下一層梁所受內(nèi)力反而大于地下室頂板，故地下一層梁出現(xiàn)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(qū)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(xiàn)在梁柱交點(diǎn)處，呈現(xiàn)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(fù)雜，裂縫形態(tài)較多，較規(guī)律的為底板中部直線裂縫（圖9），常出現(xiàn)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(chǔ)破壞

獨(dú)立基礎(chǔ)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(dāng)水浮力較大時，外側(cè)筏板所受浮力增加，柱墩下方反力減小，導(dǎo)致沿1和2的沖切力增大，有可能導(dǎo)致基礎(chǔ)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(dāng)水浮力較大時，樁受拔力，沖切力變?yōu)镕+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(yīng)急措施減小水壓力，盡快恢復(fù)地下室底板變形；②在建筑物復(fù)位穩(wěn)定后，對受損構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)加固；③根據(jù)工程實際，采取永久抗浮處理措施。

3.1 應(yīng)急措施

應(yīng)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(qū)域分散布置鉆孔點(diǎn)，當(dāng)因現(xiàn)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(guī)律間接推斷地下室上浮中心。鉆孔對稱同步進(jìn)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(fù)位對結(jié)構(gòu)造成二次損傷，也需注意沖出水柱產(chǎn)生傷人事故［4］。

降水指現(xiàn)場重新啟用原有降水井或者另行打設(shè)降水井以降低地下水位，抽出的地下水必須排到場區(qū)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(qū)域保留一定量的降水井，地下室發(fā)生上浮風(fēng)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(bǔ)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(fù)核板承載力。此外，必須控制好加載的位置，如果地下室已經(jīng)損傷較嚴(yán)重，則不宜在頂板以及其他受損處加載［4］。

3.2 修復(fù)加固措施

由于地下室結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)復(fù)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(jī)理的分析可為加固設(shè)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(fù)后［6］再粘貼碳纖維布進(jìn)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(fù)后再粘貼碳纖維布進(jìn)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(chǔ)和底板加固：基礎(chǔ)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(huán)氧樹脂封閉，再在底板內(nèi)側(cè)涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料兩遍，并養(yǎng)護(hù)48 h直到其固化。待底板裂縫、滲水孔洞等滲水薄弱環(huán)節(jié)修補(bǔ)且作加強(qiáng)處理，經(jīng)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(shè)置疏水層。

3.3 永久抗浮措施

對于原設(shè)計永久抗浮承載力不足或者地下室上浮后導(dǎo)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(jié)構(gòu)已完工，抗浮措施的選擇受限較大，需根據(jù)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(jié)合”。

“抗”：采取措施提高結(jié)構(gòu)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(shè)置疊合層來提高自重，施工較方便。因底板上設(shè)置疊合層影響地下室凈高，頂板上設(shè)置疊合層需在梁板承載力范圍之內(nèi)，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(bǔ)設(shè)抗浮錨桿法。與常規(guī)室外錨桿施工相比，地下室內(nèi)錨桿施工尚需解決設(shè)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(shè)置排水盲溝，地下水經(jīng)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(yīng)進(jìn)行地下水位和水壓力的監(jiān)測。監(jiān)測點(diǎn)間距宜為30～50 m，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量不宜少于泄水口總數(shù)的10%且建筑縱橫方向各不少于5個［12］。

4" 結(jié)" 論

本文研究了地下室上浮破壞的破壞機(jī)理及力學(xué)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(yīng)急措施和加固方案提供依據(jù)。裂縫位置、數(shù)量和形態(tài)規(guī)律可以間接推斷地下室上浮中心；也可推斷構(gòu)件破壞程度及原因，并據(jù)此采取相應(yīng)加固措施。本文主要研究結(jié)論如下：

（1） 上浮工況中，各跨梁柱均承擔(dān)反對稱彎矩，此彎矩在靠近主樓處極大，較設(shè)計工況增加較多，在上浮中心區(qū)域所受彎矩較小。結(jié)構(gòu)內(nèi)力與設(shè)計工況相比發(fā)生較大改變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

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

（3） 當(dāng)抗浮設(shè)計水位標(biāo)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(shù)量（寬度）為Cgt;Bgt;A。

（4） 水浮力增大后，基礎(chǔ)所受沖切力增加，沖切破壞可能性增大。

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