樊 清 向 越
中國建筑西南勘查設(shè)計研究院有限公司
隨著國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展帶來的高速城市化,地面空間資源越發(fā)匱乏,地下空間的高度開發(fā)和利用已經(jīng)成為主流,地下車庫、地下商業(yè)綜合體、地鐵換乘車站綜合樞紐等大型地下結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)。同時,由于全球變暖的趨勢未曾改變,環(huán)境變化帶來的極端天氣[1]譬如持續(xù)性的暴風(fēng)雨,導(dǎo)致城市開始頻繁出現(xiàn)內(nèi)澇,對地下結(jié)構(gòu)抗浮造成極大威脅。
本文針對四川某大廈地下車庫底板在經(jīng)歷特大暴雨過后出現(xiàn)涌水、開裂及隆起事故,開展了現(xiàn)場檢測,對水文、勘查資料進行了復(fù)核及數(shù)據(jù)分析,明確了該事故的開裂、隆起原因,對結(jié)構(gòu)破壞特征進行了分析并結(jié)合受力機理按實際工況對地下車庫錨固結(jié)構(gòu)體系進行了局部抗浮驗算,并基于上述工作開展了該地下車庫結(jié)構(gòu)工程的永久抗浮加固方法研究。
四川某大廈位于城市中心區(qū)域,始建于2011年,建筑物主樓部分地上18 層、地下3 層,主樓基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ),主樓外純地下車庫為框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)采用柱下獨立基礎(chǔ)加抗水板形式,抗水板厚400mm、鋼筋為雙層雙向C12@170,主樓筏板及純地下車庫抗水板板面標(biāo)高均為-15.4m。2018 年7 月初連日強降雨后,純地下車庫底板出現(xiàn)開裂、涌水;隨后對涌水及滲水部位采用注射聚氨酯類膨脹材料進行堵漏處理,堵漏處理過程中對板面找平層、板面鋼筋保護層進行了局部鑿除,后續(xù)地下室底板出現(xiàn)隆起現(xiàn)象,最大變形值達212mm。
四川某大廈詳勘報告,建筑物場地土屬于岷江水系I 級階地,地下水類型主要為賦存于砂卵石層中的孔隙潛水,主要由地表水、大氣降水補給,卵石層透水性良好。主樓采用筏板基礎(chǔ)并以中密及以上卵石層作為基礎(chǔ)持力層;純地下室部分荷載較小,進行抗浮驗算,若不滿足抗浮要求,應(yīng)采取抗浮措施,建議采用抗浮錨桿,抗浮水位采用近十年豐水期最高水位埋深2.8m,相對高程為498.00m,±0絕對標(biāo)高500.800m。
四川省水務(wù)局及氣象站相關(guān)資料,2018成都市入汛后,共有10 條次河流超過警戒水位或保證水位,其中7 月11 日18 時40分,沱江三皇廟水文站洪峰流量達7810m3/s,超過警戒水位4.44m,超過保證水位2.64m,為三皇廟水文站建站以來歷史第二大洪水。
該工程塔式起重機安裝方案以及錨桿工程施工資料:塔吊基礎(chǔ)尺寸7.1m×7.1m×1.7m,混凝土強度等級C35,基礎(chǔ)平面位置位于7~8軸之間,中心點距離3軸線22.5m,距離F軸線9.2m,與F軸夾角14°,抗浮錨桿施工錨入塔吊基礎(chǔ)內(nèi)。塔吊基礎(chǔ)與抗水板分開澆筑,抗浮錨桿未穿透塔吊基礎(chǔ)進入抗水板,抗水板與塔吊基礎(chǔ)無可靠連接。
根據(jù)現(xiàn)場實際情況,選取并鉆探建筑物北側(cè)、東側(cè)及西側(cè)周邊3個降水觀測井點位,4月17日~4月28日期間測得水位數(shù)據(jù)見表1。
表1 水位測試結(jié)果
對隆起區(qū)域及周邊板面進行了標(biāo)高測量,隆起區(qū)域與邊緣處正常區(qū)域最大高差為212mm;對隆起區(qū)域框架梁底部標(biāo)高進行測量,框架梁底部標(biāo)高最大差值8mm,隆起區(qū)域框架梁梁底標(biāo)高未見明顯增加。
根據(jù)芯樣混凝土單軸抗壓強度試驗結(jié)果,混凝土單軸抗壓強度最大值為43.5MPa,最小值為38.8MPa,標(biāo)準(zhǔn)值36.3MPa,滿足設(shè)計等級C30 的強度要求。根據(jù)混凝土抗?jié)B性能試驗結(jié)果,抗水板混凝土抗?jié)B等級達到P8,滿足設(shè)計等級P6的抗?jié)B要求。
現(xiàn)場調(diào)查時發(fā)現(xiàn)隆起區(qū)域及周邊找平層均已鑿除,混凝土板面滿布止水針頭,局部板面鋼筋保護層被剔除且板面鋼筋已出現(xiàn)明顯屈服,鑒于此,對最早出現(xiàn)涌水的7×1/G軸柱邊進行鉆芯取樣,芯樣表觀未見空洞,存在明顯斜向45°沖切裂縫特征且開裂處伴有黃色填充注射材料痕跡。
對原設(shè)計方案中的抗浮錨桿進行了計算復(fù)核,結(jié)算結(jié)果表明原設(shè)計抗浮錨桿方案能滿足原抗浮水位2.8m 埋深的計算要求。
根據(jù)隆起區(qū)域存在塔吊基礎(chǔ)且該基礎(chǔ)與抗水板無有效可靠連接措施,塔吊基礎(chǔ)范圍內(nèi)抗浮錨桿未能進入抗水板形成整體受力;根據(jù)隆起區(qū)域框架柱、梁的現(xiàn)場檢測及測量結(jié)果,框架柱無上浮情況出現(xiàn),框架構(gòu)件未見開裂或變形,整體框架工作正常;2018年7月事故出現(xiàn)時臨近基坑已停止降水,且大氣降水明顯增加,基于以上三點對驗算模型做以下三點假定:(1)柱下獨立基礎(chǔ)部分無上浮相對位移;(2)地下水浮力經(jīng)與上部結(jié)構(gòu)自重部分抵消后等效為作用于抗水板上的均布荷載;(3)抗浮錨桿簡化為具有一定剛度的彈性支座,塔吊基礎(chǔ)范圍內(nèi)的抗浮錨桿忽略不計,改為按塔吊基礎(chǔ)厚度考慮自重荷載。
[錨固結(jié)構(gòu)局部抗浮穩(wěn)定算例一]
參照錨桿實際布置情況,對局部錨固體系進行受力計算,兩端框架柱設(shè)為嵌固端,跨中框架柱等效為剛性支座,抗浮錨桿等效為彈性支座(圖1),最大彎矩出現(xiàn)在框架柱支座處(圖2),與實際裂損情況一致。
[錨固結(jié)構(gòu)局部抗浮穩(wěn)定算例二]
采用YJK1.9.3 版計算軟件對地下室整體進行抗浮模擬計算,計算過程中假定抗水板剛度無變化,其余各參數(shù)假定同算例一,一階段抗水板位移云圖(圖3),綜合考慮部分抗浮錨桿的失效后進行二階段抗水板位移模擬分析(圖4)計算結(jié)果與現(xiàn)場實際隆起區(qū)域規(guī)律一致,抗水板位移模擬值為135mm 小于實際值212mm。
圖1 柱間板帶錨固體結(jié)構(gòu)力學(xué)模型
圖2 柱間板帶錨固體結(jié)構(gòu)彎矩簡圖
圖3 抗浮水位時的位移云圖D-1.0
圖4 抗浮錨桿失效后的位移云圖D-2.0
綜合所有相關(guān)工程、水務(wù)資料及后期檢測、鑒定、計算分析,該工程事故原因可從以下三個方面論述。
(1)“天”指的是天氣、外部環(huán)境帶來的非可預(yù)見的影響因素,根據(jù)四川省成都地區(qū)1961 年至2011 年近50 年的降水量[2],按每10年進行了對比分析,其中2001年至2011年為成都市年降水距平百分率最低的10 年,勘查報告取2001 年至2010 年10 年間豐水期最高水位作為抗浮水位偏不保守;同時2018 年7 月成都市頻繁出現(xiàn)特大暴雨,持續(xù)時間以及降水量均突破歷史最高水平,基于此,地下室抗水板受到的水浮力已達到甚至突破設(shè)計極限狀態(tài)。
(2)“地”指的是場地因素,本工程場地地下水類型主要為賦存于砂卵石層中的孔隙潛水,主要由地表水、大氣降水補給,卵石層透水性良好,豐富的地表水涌入地下,在抗水板下方形成碗狀結(jié)構(gòu)受力特征[3],同時由于塔吊基礎(chǔ)內(nèi)的抗浮錨桿未能與抗水板基礎(chǔ)形成整體受力,基于此,抗浮體系局部出現(xiàn)薄弱點并率先于柱邊出現(xiàn)沖切破壞特征。
(3)“人”指的是人為因素,在調(diào)查取證過程中發(fā)現(xiàn),7月份出現(xiàn)涌水時抗水板未見明顯隆起變形,在堵漏施工進行過程中對抗水板上部150mm厚找平層以及板面鋼筋保護層進行較大面積鑿除,對所有滲水及涌水點位進行注射聚氨酯等膨脹材料進行封堵,此后抗水板出現(xiàn)明顯隆起。堵漏前由于水壓力可通過裂縫及薄弱處噴射進行壓力釋放,且抗水板剛度未被削弱,人為因素干擾后水壓力釋放通道被封堵且抗水板剛度被削弱,導(dǎo)致抗水板迅速出現(xiàn)隆起、鋼筋出現(xiàn)明顯屈服。
本工程地下室抗水板開裂、破壞,影響地下室的正常使用,需對地下室進行抗浮加固處理重點是平衡水浮力,目前地下室的水浮力主要有3種平衡方法[4]:在結(jié)構(gòu)上加恒載來平衡浮力的“壓重法”;用抗拔樁或抗拔錨桿來平衡浮力的“抗拔法”;從地下室底板將地下水引排的“引排法”。
由于建筑物處于市中心,整體降水方案對周邊建筑影響較大,對各類方案計算比選,壓重法計算所需配重影響后期車庫使用,即使結(jié)合引排法也無法根治,故選用止水帷幕局部降水泄壓后增設(shè)抗浮錨桿的方法進行永久抗浮處理。方案采用雙管高壓旋噴注漿法,新增高壓旋噴樁數(shù)量為210 根,樁徑為500mm,搭接寬度不應(yīng)小于200mm,旋噴樁樁端進入基巖確保止水帷幕效果;通過計算新增41 根抗浮錨桿,單根錨桿特征值取450kN,梅花形布置,新增抗浮錨桿提供抗浮力滿足局部抗浮計算要求;通過計算配置L 形短鋼筋連接抗水板及塔吊基座,對新舊混凝土界面進行處理,使塔吊基座與抗水板形成整體抗浮體系,該區(qū)域抗浮錨桿提供的抗浮力作為額外安全儲備。
本文針對四川某大廈地下車庫因暴雨引發(fā)的抗水板局部隆起、開裂事故,通過現(xiàn)場檢測以及勘查、設(shè)計、施工、水文等工程資料綜合分析,明確了事故原因以及結(jié)構(gòu)破壞機理,并基于此開展了局部永久抗浮加固方法研究。工程事故的發(fā)生通常不是某種單一因素導(dǎo)致的,而是多種因素綜合影響下的結(jié)果。本文研究工作對地下室局部上浮問題具有一定參考意義。