超大地下室施工期抗浮破壞機(jī)理分析與應(yīng)對(duì)思考

王海東，羅雨佳

超大地下室施工期抗浮破壞機(jī)理分析與應(yīng)對(duì)思考

王海東1, 2，羅雨佳1

(1. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2. 湖南大學(xué) 建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

針對(duì)近年地下室特別是超大地下室抗浮失效事故屢見(jiàn)不鮮，而且大多數(shù)事故發(fā)生在施工期的問(wèn)題，其破壞機(jī)理及應(yīng)對(duì)受到廣泛關(guān)注。以長(zhǎng)沙某住宅小區(qū)超大地下室短時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)生2次抗浮事故為例，通過(guò)OpenSees模擬計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證，分析抗浮破壞機(jī)理，得到事故發(fā)生的主要原因。在應(yīng)對(duì)中，建議在設(shè)計(jì)中按不同地質(zhì)情況不同施工狀態(tài)確定抗浮設(shè)防水位，并提出結(jié)合BIM技術(shù)與實(shí)時(shí)地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果建立施工期地下水位預(yù)警機(jī)制，以達(dá)到處理措施到位，為今后的類(lèi)似工程提供指導(dǎo)。

地下室；不透水層；上??；事故分析；水位反復(fù)變化

在我國(guó)城市發(fā)展的過(guò)程中，帶有超大地下室的建筑已成為主流，且現(xiàn)階段的抗浮設(shè)計(jì)主要以歷史最高地下水位和完工狀態(tài)為依據(jù)。王海東等[1]對(duì)高層住宅建筑的地下室上浮事故進(jìn)行了分析，介紹了壓重和排水相結(jié)合的加固處理方法；徐春國(guó)等[2?3]分別對(duì)多高層建筑地下室上浮的原因進(jìn)行了分析，并介紹了錨桿抗浮加固處理的方法。但相關(guān)的抗浮研究均針對(duì)完工狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而實(shí)際上施工期是抗浮事故的高發(fā)期，以上研究均未對(duì)施工期內(nèi)的最不利狀態(tài)開(kāi)展有針對(duì)性的分析；施成華等[4]提出建立工程過(guò)程中排水量與時(shí)間的計(jì)算方法，得到降水的最優(yōu)選擇實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)降水，其中考慮了工程施工中降水的動(dòng)態(tài)過(guò)程，但是以地下水位為浮力計(jì)算依據(jù)，對(duì)非地下水控制的降水問(wèn)題沒(méi)有進(jìn)一步考慮；覃亞偉[5]總結(jié)了目前大型結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，對(duì)控制泄排水抗浮主動(dòng)控制機(jī)理及設(shè)計(jì)計(jì)算、施工和風(fēng)險(xiǎn)控制等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究，但仍以地下水位為浮力計(jì)算依據(jù)，且水位為靜止水位，未對(duì)不透水土層情況與水位動(dòng)態(tài)變化等可能進(jìn)行分析。超大地下室施工周期較長(zhǎng)，不同的施工環(huán)境和施工過(guò)程中可能出現(xiàn)各種突發(fā)情況，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和施工對(duì)此缺乏預(yù)見(jiàn)及靈活的針對(duì)性措施，如本文中的在建工程，在頂板未覆土、底板下為不透水層，工程遭遇50 a一遇強(qiáng)降水，由于大量地表水匯入而出現(xiàn)水位的不規(guī)律變化，且現(xiàn)場(chǎng)水位變化與地下水位變化不同步，原設(shè)計(jì)方案無(wú)法應(yīng)對(duì)水位的快速變化，最終造成地下室底板上浮、開(kāi)裂等現(xiàn)象，進(jìn)而影響工程進(jìn)度以及結(jié)構(gòu)安全。以具體工程為例，對(duì)如何針對(duì)施工過(guò)程以及不同的施工環(huán)境確定抗浮設(shè)計(jì)水位進(jìn)行了分析，并結(jié)合BIM技術(shù)對(duì)水位動(dòng)態(tài)變化的動(dòng)態(tài)分析和監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的建立提出了建議。筆者希望通過(guò)對(duì)本地下室抗浮失效事故的機(jī)理分析、事故處理，引起工程技術(shù)人員的重視，并給類(lèi)似工程以借鑒。

1 工程概況

湖南省長(zhǎng)沙市某住宅項(xiàng)目，為在建建筑，基坑未回填且頂板未覆土，基坑?xùn)|側(cè)有山體，為地下二層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。地下室底板標(biāo)高為31.50 m，層高為3.80 m，地下室部分建筑面積達(dá)27 679 m2，地下室局部負(fù)一層平面布置見(jiàn)圖1。根據(jù)地勘報(bào)告，基坑底部及周邊為不透水層，蓄水后排水困難，土層情況見(jiàn)圖2?？垢≡O(shè)計(jì)水位為36.00 m，采用抗拔樁進(jìn)行抗浮，樁型2種，單樁抗拔承載力特征值分別為500 kN和750 kN。2017年6月底長(zhǎng)沙發(fā)生50 a一遇強(qiáng)降雨，由于地下室處于施工期，地表水匯入基坑，在加大排水功率后，地下室有部分構(gòu)件產(chǎn)生破損；2017年7月下旬長(zhǎng)沙再次降雨，地表水持續(xù)匯入基坑，水位再次上漲，最終導(dǎo)致地下室破損現(xiàn)象加重：破損情況集中在地下室軸-1~軸-16×軸-~-軸，如圖1。

圖1 地下室平面布置圖

圖2 截面1土層分布圖

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與模擬分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為了全面了解地下水位的變化歷程，及其與構(gòu)件破壞、變形對(duì)應(yīng)的情況，于2017?07?17~ 2017? 08?21進(jìn)行了地下水位觀測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件變形破損情況的檢測(cè)工作。

2次實(shí)測(cè)情況差異較大，2017?07?17實(shí)測(cè)結(jié)果顯示梁、柱構(gòu)件有裂縫出現(xiàn)，同時(shí)柱構(gòu)件垂直度偏差尚未達(dá)到正常使用極限狀態(tài)，負(fù)1層剪力墻開(kāi)裂裂縫多表現(xiàn)為表面收縮裂縫，負(fù)2層剪力墻裂縫表現(xiàn)形式多為斜裂縫。

2017?08?21實(shí)測(cè)結(jié)果顯示梁、柱構(gòu)件裂縫發(fā)展加劇，其中14根柱構(gòu)件垂直度偏差達(dá)到不適于承載的層間位移值，部分柱構(gòu)件柱身已發(fā)生剪切破壞；部分梁梁底縱筋區(qū)域、混凝土破碎嚴(yán)重，端部已發(fā)生剪切破壞。現(xiàn)場(chǎng)選取負(fù)2層軸-1/×軸-7柱下灌注樁樁頂已與基礎(chǔ)承臺(tái)脫開(kāi)，樁頂縱筋拉斷，樁頂2 m范圍內(nèi)混凝土水平環(huán)向開(kāi)裂，最大裂縫寬度為1.85 mm，樁頂與承臺(tái)脫空高度約為85 mm；被檢測(cè)的旋挖灌注樁周?chē)炷恋装灏宓着c地基基礎(chǔ)間均出現(xiàn)脫空，最大脫空高度約為 110 mm。

經(jīng)湘江長(zhǎng)沙站地下水監(jiān)測(cè)顯示，2017年6月底至7月初地下水位上升至38.50 m并保持在最高水位，停止降雨后地下水位下降并在2017年7月底8月初再次出現(xiàn)降雨使得地下水位略有回升。

2.2 模擬計(jì)算

分析計(jì)算采用OpenSees軟件進(jìn)行實(shí)體單元建模。地下室部分梁柱單元采用element elasticBeam Column，而樁體由于破壞集中在樁頂2 m范圍內(nèi)，主要考慮的是樁的抗拉性能，且不考慮混凝土的受拉，選擇element trussSection模擬樁體抗拉，材料選擇Reinforcing Steel Material[6, 16?17]，并由Fatigue Material控制樁體破壞，采用應(yīng)力應(yīng)變同時(shí)控制的方法，應(yīng)變達(dá)到50 000個(gè)微應(yīng)變時(shí)即視作樁體拉斷。作為模擬樁抗拉作用的HRB400鋼筋本構(gòu)關(guān)系如圖3所示。

圖3 Reinforcing Steel Material模型應(yīng)力-應(yīng)變曲線

以抗浮水位的變化情況為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地下室抗浮進(jìn)行建模分工況計(jì)算，并與實(shí)測(cè)情況進(jìn)行計(jì)對(duì)比。模型為在建建筑，不計(jì)入活載以及除自重外恒載。工況1：以湘江長(zhǎng)沙站實(shí)測(cè)地下水位情況為加載路勁，每日固定加載步數(shù)，同時(shí)由于地表標(biāo)高為38.50 m，計(jì)算時(shí)最高地下水位按38.50 m處理。工況2：模擬實(shí)際水位變化情況，水位初次上升至地表標(biāo)高后進(jìn)行機(jī)械排水至36.50 m并保持在這一水位，2017?08?21前均未回落至底板以下，后在2017? 07?28~2017?08?02的降雨過(guò)程中再次達(dá)到地表標(biāo)高38.5 m并持續(xù)保持在很高水位，最后于2017? 08?20開(kāi)孔排水至底板標(biāo)高附近32.00 m。水位變化情況如圖4。

計(jì)算結(jié)果表明：工況1計(jì)算結(jié)果顯示，在達(dá)到初始抗浮設(shè)防水位36.00 m時(shí)地下室底板上浮變形呈現(xiàn)中間大并往四周逐漸減小的規(guī)律，與實(shí)測(cè)情況不一致。水位漲至38.50 m時(shí)底板變形出現(xiàn)較大變化，最大豎向變形出現(xiàn)在平臺(tái)段尾處為193.9 mm，而在2017?07?17以及2017?08?21附近底板豎向變形計(jì)算結(jié)果與實(shí)際變形出入較大，結(jié)合兩次實(shí)測(cè)結(jié)果說(shuō)明在初始抗浮設(shè)計(jì)水位36.00 m時(shí)結(jié)構(gòu)抗浮并不會(huì)出現(xiàn)較大破壞，同時(shí)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)水位與地下水位實(shí)測(cè)結(jié)果存在差別，現(xiàn)場(chǎng)水位并未在高強(qiáng)降雨結(jié)束后隨地下水位的下降而下降，且由現(xiàn)場(chǎng)2017?08?21底板開(kāi)孔時(shí)仍有大量水涌出，說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際水位最終未降至底板以下。水位達(dá)到地表標(biāo)高時(shí)在軸-7×軸-處出現(xiàn)首根斷樁，可以推測(cè)2次實(shí)測(cè)底板變形情況以及上部構(gòu)件破損加重是由于部分樁體喪失抗浮能力導(dǎo)致。底板豎向變形對(duì)比情況如圖5所示。

(a) 工況1湘江長(zhǎng)沙站地下水位監(jiān)控情況；(b) 工況2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際水位變化情況

單位：mm

圖6 樁身破損情況

工況2計(jì)算結(jié)果顯示共出現(xiàn)7處斷樁，其中實(shí)際水位維持于38.50 m時(shí)在軸-×軸-7處出現(xiàn)首根斷樁，并在2017?08?02~2017?08?03連續(xù)增加包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)開(kāi)挖的軸-1/×軸-7處樁體在內(nèi)的6處斷樁，現(xiàn)場(chǎng)樁體破損情況以及樁體軸力變化如圖6和圖7。底板變形出現(xiàn)較大程度的變化，斷樁位置的底板豎向變形明顯變大，且與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況更為接近，具體如圖8。計(jì)算結(jié)果可進(jìn)一步說(shuō)明影響到結(jié)構(gòu)抗浮的水位并非來(lái)自于地下水位變化，而主要受地表水匯入影響。

圖7 樁體軸力變化

單位：mm

同時(shí)分析工況2上部構(gòu)件受力機(jī)理計(jì)算結(jié)果可知，柱構(gòu)件軸向作用小于構(gòu)件承載能力，剪力作用大于構(gòu)件抗剪能力；在水位第2次增長(zhǎng)時(shí)各項(xiàng)作用都出現(xiàn)突增而使構(gòu)件進(jìn)一步破損，實(shí)測(cè)結(jié)果也顯示了這一特點(diǎn)，其中負(fù)1層軸-×軸-3柱、軸-1/×軸-3柱構(gòu)件破損情況更為嚴(yán)重，由分析結(jié)果可知發(fā)生剪切破壞[7]原因是水位漲落造成的循環(huán)加載作用以及柱頂部加密區(qū)箍筋間距不滿足設(shè)計(jì)要求，軸-1/與軸-上相鄰柱構(gòu)件內(nèi)力隨水位變化情況如圖9所示，現(xiàn)場(chǎng)柱構(gòu)件最終破損即分布情況如圖10和圖11。計(jì)算結(jié)果可說(shuō)明水位的二次上漲或反復(fù)漲落會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來(lái)不可逆的影響，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致部分構(gòu)件喪失承載能力而帶來(lái)進(jìn)一步的不利影響，也同樣說(shuō)明了及時(shí)有效的處理措施的重要性。

(a), (b) 軸a-n相鄰柱構(gòu)件；(c), (d) 軸a-1/n相鄰柱構(gòu)件

圖10 軸a-1/n×軸a-3柱構(gòu)件破損情況

2.3 地下室抗浮失效原因分析

1) 水位變化復(fù)雜?？垢≡O(shè)防水位不完全由地下水位控制，本工程?hào)|側(cè)有山體，基坑未回填且側(cè)面、下部為不透水層，水位主要由地表水匯入控制，罕遇強(qiáng)降水使水位迅速增長(zhǎng)超過(guò)初定抗浮設(shè)防水位并達(dá)到地表標(biāo)高，造成上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)初期破損，水位下降后出現(xiàn)二次降雨使得水位再次迅速上漲至地表，使得樁體拉斷、破損加劇。

2) 施工方處理不當(dāng)?；游醇皶r(shí)回填，導(dǎo)致實(shí)際不需要太大水量即可出現(xiàn)高水位，同時(shí)水位首次上漲后未做好排水將水位降至底板以下，使得在后續(xù)降雨中出現(xiàn)小水量高水位情況。

3) 施工過(guò)程中抗浮措施制定不完善。僅制定了施工初期控制方法而沒(méi)有制定完整的在施工過(guò)程中、完成后以及緊急情況下控制地下水位的具體處理方案。

(a) 負(fù)2層柱；(b) 負(fù)1層柱

3 處理對(duì)策

處理地下室上浮事故應(yīng)根據(jù)事故原因、破壞程度并結(jié)合施工進(jìn)程綜合考慮。處理方案分為上部結(jié)構(gòu)加固和抗浮處理，上部結(jié)構(gòu)加固依據(jù)破損程度采用不同的處理方式，抗浮處理依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況與施工進(jìn)程選擇不同的臨時(shí)性與永久性抗浮措施。

3.1 抗浮處理及上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固處理

在事故發(fā)生后，由于部分樁身已斷喪失承載力，樁基的抗浮作用需用新增抗浮錨桿[15]取代，同時(shí)樁基的豎向承載作用改為將底板加固作為筏板基礎(chǔ)來(lái)處理。工況3：加1.1 m設(shè)計(jì)覆土并在底板布置錨桿并按實(shí)際水位加載。工況3中錨桿錨筋為3根直徑為28的HRB400鋼筋，錨固深度為5.5 m，間距分別為①1.5 m×1.5m，②2 m×2 m和③2.5 m×2.5 m 3種方案布置錨桿進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示方案②較方案③抗浮效果更佳，同時(shí)在抗浮效果相差不大情況下，方案②經(jīng)濟(jì)上更節(jié)省，因而采用方案②。結(jié)果表明，各層板上浮變形大幅度減小，加載過(guò)程中底板出現(xiàn)的最大豎向變形為軸-/×軸-7處的12.266 mm，遠(yuǎn)小于實(shí)測(cè)最大值188 mm，且錨桿未出現(xiàn)拉斷的情況，滿足抗浮要求，相關(guān)計(jì)算結(jié)果如圖12。同時(shí)底板改為筏板基礎(chǔ)后，豎向承載力滿足要求。

(a) 實(shí)測(cè)與計(jì)算底板豎向變形對(duì)比/mm；(b) 錨桿內(nèi)力云圖/kN

根據(jù)地下室上浮過(guò)程中不同構(gòu)件產(chǎn)生的不同程度的破損，對(duì)構(gòu)件采取不同的加固方式。該地下室經(jīng)過(guò)處理，在近一年的時(shí)間內(nèi)多次出現(xiàn)大雨情況下，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，表明該結(jié)構(gòu)抗浮及加固效果良好，并取得了很好的社會(huì)效益。

3.2 超大地下室抗浮處理對(duì)策思考

抗浮措施的選擇更多是對(duì)于建筑極限抗浮能力的強(qiáng)化，但是對(duì)于超大地下室的抗浮處理，過(guò)程控制才是保證安全的最佳方式，建議建立地下水位預(yù)警機(jī)制，利用BIM技術(shù)對(duì)施工工期內(nèi)的地下水位實(shí)時(shí)信息進(jìn)行管理并與對(duì)應(yīng)處理措施相關(guān)聯(lián)，做到動(dòng)態(tài)管理與預(yù)警，把控施工全過(guò)程各階段中結(jié)構(gòu)的抗浮能力，防止水位快速變化帶來(lái)的對(duì)結(jié)構(gòu)的持續(xù)不規(guī)律作用。以本工程為例建立邏輯流程如圖13所示。

圖13 BIM模型邏輯流程圖

具體實(shí)施過(guò)程為首先建立現(xiàn)場(chǎng)模型，根據(jù)施工進(jìn)度進(jìn)行模型的實(shí)時(shí)更新。除施工進(jìn)度外同時(shí)實(shí)時(shí)返回現(xiàn)場(chǎng)水位監(jiān)控情況，若出現(xiàn)水位變化情況則結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)度與水位情況給出相應(yīng)的處理措施。若水位變化情況已超出可控范圍，則現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)警報(bào)并開(kāi)多方會(huì)議進(jìn)行解決，而不是在實(shí)際結(jié)構(gòu)破損出現(xiàn)后在進(jìn)行這一系列操作。

4 結(jié)論

1) 加強(qiáng)對(duì)浮力源的分析，在類(lèi)似本工程的地質(zhì)條件與周邊環(huán)境時(shí)，施工期抗浮水位主要由地表水匯入控制，因而抗浮水位不能簡(jiǎn)單的依照歷史最高地下水位進(jìn)行考慮，特別在雨季或者汛期施工的工程，建議對(duì)超大地下室工程將抗浮設(shè)計(jì)水位定于地表標(biāo)高。

2) 雨季或汛期施工時(shí)，應(yīng)該確?；踊靥钸M(jìn)度，防止地表水匯入帶來(lái)的“小水量大破壞”情況，同時(shí)及時(shí)對(duì)水位變化作出反應(yīng)，防止水位反復(fù)漲落給結(jié)構(gòu)造成更嚴(yán)重的破壞。

3) 結(jié)合BIM技術(shù)，建立施工期地下水位監(jiān)控與預(yù)警機(jī)制，將施工進(jìn)度與水位動(dòng)態(tài)監(jiān)控進(jìn)行協(xié)同管理，完善施工過(guò)程中的抗浮措施，保證全面高效的抗浮。

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Analysis of the mechanism of anti-floating damage and its countermeasures during construction period of oversized underground garage

WANG Haidong1,2, LUO Yujia1

(1. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;2. MOE Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency, Hunan University, Changsha 410082, China)

In recent years, the anti-floating accidents of underground garage frequently occur in construction period. The damage mechanism and treating measure have been wide concerned. Two anti-floating accidents of some a large underground garage in Changsha were taken as an example in short time. Through the OpenSees simulation and field test, the anti-floating failure mechanism was analyzed, and the main causes of the accidents were obtained. In the treat measures, it was recommended to determine the anti-floating waterproof according to different geological and construction conditions in the future projects. Then it was proposed to establish a groundwater level warning system during the construction period in combination with BIM technology and real -time groundwater level monitoring results, so as to treat properly and provide guidance for similar projects in the future.

underground garage; impervious layer; floating; analysis of accident;repeated changes in water level

U453.2

A

1672 ? 7029(2019)10?2538 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.10.021

2018?10?30

新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-13-0190)

王海東(1976?)，男，湖南澧縣人，副教授，博士，從事既有工程結(jié)構(gòu)加固改造技術(shù)、工程結(jié)構(gòu)抗震等研究；E?mail：whdwang@hnu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)