某工程地下室上浮開裂損傷特征與加固措施研究*

李澤澤，張炳焜，張明明

(四川省建筑科學研究院有限公司，四川 成都 610081)

1 工程概況

1.1 建筑結構概況

某工程位于成都市郫都區(qū)犀浦鎮(zhèn)，由8棟26，28層高層住宅樓和1棟2層商業(yè)樓組成。地下室共2層，其主樓區(qū)域采用鋼筋混凝土剪力墻結構，基礎形式為筏板；其余區(qū)域(純地下室區(qū)域)采用鋼筋混凝土框架結構，基礎形式為柱下獨立柱基加抗水板，并設置抗浮錨桿。

1.2 場地工程地質與水文地質條件

根據勘察資料，場地鉆探深度范圍內的土層自上而下劃分為第四系全新統(tǒng)雜填土層、第四系全新統(tǒng)粉土層及砂卵石層，其中砂卵石層又可根據土質類別、性質、狀態(tài)及顆粒組成等劃分為5個亞層，即中砂層、松散卵石層、稍密卵石層、中密卵石層及密實卵石層。

場地內地下水主要為賦存于雜填土層、粉土層中的上層滯水和砂卵石層中的孔隙潛水，主要受大氣降水、地表水、場區(qū)旁溝渠水及上游地下水等滲透補給，水位變化受季節(jié)控制，年變化幅度為1.5～2.0m。勘察期間屬枯水期，測得地下水位埋深一般為8.0～9.2m，絕對標高為521.400～522.750m。場地北側靠近溝渠地段受溝渠水影響，3個地下水位測點埋深分別為1.5，1.75，2.0m，絕對標高分別為529.120，528.710，528.560m。

1.3 抗浮設計情況

本工程±0.000m標高相當于絕對標高531.200m，地下室頂板板面標高主要為-1.500m，抗水板板面標高為-9.700m，抗浮設計水位標高為-2.200m，絕對標高為529.000m(低于勘察期間個別鉆孔靜止水位)。

該地下室基礎持力層為稍密卵石層，地基承載力特征值為350kPa。筏板設計厚度為1 400mm，主要配筋為雙層雙向鋼筋φ22@180?？顾逶O計厚度為400mm，配筋為雙層雙向鋼筋φ14@150。

抗浮措施為地下室頂板覆土配重+抗浮錨桿，基坑肥槽回填土分層回填夯實，填土不得含有雜質和粒徑>50mm的土塊，填土密實度>95%。地下室頂板內庭覆土厚度為1 200mm，商業(yè)樓區(qū)域覆土厚度為600mm(容重≥18kN/m3)?？垢″^桿縱、橫向間距均為1 800mm，錨固體直徑為150mm，錨入地層的錨固段長度為7.6m，錨入底板的錨固段長度為0.7m，單根抗浮錨桿軸向拉力設計值為129.6kN，孔內設置2根φ20 HRB400鋼筋。

2 地下室上浮開裂損傷特征

純地下室部分發(fā)生上浮，框架柱、框架梁、現澆樓板、人防墻、填充墻、底板均出現了不同程度的開裂損傷。

2.1 框架柱開裂損傷

1)柱腳、柱頂

經查，該地下室部分框架柱柱腳或柱頂一側混凝土局部被壓酥，個別位置混凝土鼓出、剝落。柱腳、柱頂出現水平裂縫，主要表現為柱腳、柱頂同時或單獨出現1條或多條水平裂縫，一側混凝土被壓酥的框架柱另一側出現水平裂縫。在柱腳及柱頂同時出現裂縫的框架柱中，柱頂裂縫出現在柱腳裂縫的對側。柱頂水平裂縫主要位于梁柱節(jié)點處梁底面以下800mm范圍內，裂縫寬度為0.05～2.00mm(見圖1)；柱腳水平裂縫位于距樓板(抗水板)900mm范圍內，裂縫寬度為0.05～1.50mm。

2)柱身

柱身混凝土被壓碎，且鋼筋局部屈曲，如圖2所示。

圖2 柱身破壞

2.2 框架梁開裂損傷

地下室框架梁在靠近梁柱節(jié)點附近出現裂縫，包括梁端斜裂縫和U形裂縫。地下1層框架梁端部側面出現1，2條斜裂縫，裂縫高端指向梁端或跨中，裂縫寬度為0.10～0.15mm。地下1層局部區(qū)域梁底出現4條裂縫，并向梁側面延伸形成U形裂縫，裂縫寬度為0.25mm。

2.3 現澆樓板開裂損傷

現澆樓板出現從柱角沿樓板對角線方向開展的發(fā)散狀裂縫(部分已修補)，部分裂縫沿板厚貫穿樓板，板底裂縫寬度為0.05～0.20mm(見圖3)。

圖3 現澆樓板發(fā)散狀裂縫

2.4 人防墻及填充墻開裂損傷

人防墻及填充墻出現1條或多條水平、斜向分布的裂縫，裂縫寬度為0.20～2.00mm(見圖4)。

圖4 墻體裂縫

2.5 底板開裂損傷

地下室底板主要表現為地坪找平層開裂，少數為抗水板結構層開裂，裂縫主要包括板內大致平行于軸線方向或沿對角線方向開展的裂縫及板內不規(guī)則分布的裂縫(見圖5)。

圖5 底板裂縫

降雨后發(fā)現純地下室部分出現上浮現象，為此在地下室底板鉆孔泄壓。監(jiān)測發(fā)現30d后地下室底板上拱變形有一定程度的回落，但仍存在一定程度的上拱，底板與防水保護層脫開，最大上拱量(含施工誤差)為140.9mm(見圖6)。

圖6 地下室底板上拱

3 地下室結構裂縫發(fā)育演化過程與成因分析

由于地下室外側承重墻承受周圍土體側向摩阻力，且受主樓壓重效應影響，地下室外側墻體及主樓部分未發(fā)生上浮變形。當地下室底板受到的浮力作用大于結構自身抗浮能力時，形成類似于四周固支的雙向板受力模式。由于浮力為面布荷載，底板底部承受較大的水浮力而向上隆起變形，底板與框架柱節(jié)點部位由于變形而產生向上的應力，對框架柱形成向上的作用力，框架柱通過變形等方式將應力傳至上部結構框架梁及樓板，使結構整體受損。因此，在整個裂縫發(fā)育過程中，底板裂縫是最早發(fā)育的，然后變形傳至各剛性節(jié)點及框架柱上，使其開裂，最后導致頂板及頂梁隆起。

由地下室底板變形調查結果可知，上浮損傷現象主要出現在純地下室部分，而主樓部分未見，原因如下：①主樓荷載遠大于水浮力，變形均為豎直向下，差異變形小，實際水位雖較設計水位高，但由于主樓采用筏板基礎，筏板厚度大，且配筋足以承受實際的水浮力，因此主樓部分底板無上浮損傷現象；②純地下室部分抗水板承受面布的水浮力，使純地下室上浮，并產生附加彎矩及剪力，由此產生的應力超過混凝土抗拉強度，造成該部位框架柱、框架梁及樓板開裂變形。由于抗水板及框架柱在上浮過程中引起的豎向差異變形過大，即附加內力過大，造成部分人防墻產生不均勻上浮變形，從而產生45°斜裂縫，同時由于框架梁變形的牽拉作用，使梁、柱發(fā)生相對傾斜，導致柱頂、柱腳節(jié)點處開裂和壓曲，進而使框架柱開裂、混凝土被壓酥，因此裂縫多發(fā)生在建筑物主要受力構件梁、柱的節(jié)點上。

4 現場情況調查

經現場調查，地下室上浮事故發(fā)生時，地下室及上部主樓主體已基本完工，建筑外側降水井停止降水，地下室頂板尚未覆土，擋土墻外側已回填，擋土墻外側周邊地面未進行全面硬化處理。

為了解基坑肥槽回填土情況，在基坑四周回填土區(qū)域開展鉆探工作。經現場鉆探揭露，回填土均為雜填土，由碎石、砂土、磚瓦碎塊、卵石等組成。該層土均勻性差，結構松散，透水性強，回填土填料成分不滿足設計要求。

5 地下室上浮原因分析

本次上浮事故原因復雜，既有場地處于低洼地帶、排水困難、地下水補徑排條件發(fā)生較大變化等客觀因素，也有地下室頂板覆土尚未施工、降水井提前停止降水、基坑肥槽土回填質量不滿足設計要求等主觀因素。

1)本工程地下室處于周邊場地地勢相對較低處，暴雨期間，場地內匯水量大，且場地西側排洪渠堵塞，進一步導致了場地匯水無法排出。

2)地下室上浮期間，場地內地下水位已超過地下停車場入口標高，且超過勘察報告提供的抗浮水位。

3)地下室頂板覆土尚未施工，地下結構抗浮能力未達到設計要求時，基坑周邊管井提前停止降水。

4)建筑物周邊地面未硬化封閉，基坑肥槽土為雜填土，結構松散，透水性強，成為地表水進入地下室底板的通道。

以上原因使暴雨期間大氣降水及周邊溝渠水短時間內流入基底，無法排走，導致一定時間內場地地下水位超過抗浮設計水位，地下水產生的浮力超過地下室抗浮能力。

6 地下室抗浮與加固處理

6.1 抗浮與加固處理內容

1)采取有關措施確保場地內地下水位低于抗浮設計水位。

2)對于抗浮錨桿已失效的區(qū)域，重新進行抗浮設計及施工。

3)對地下室抗水板因上浮產生的裂縫及損傷進行加固處理。

6.2 抗浮與加固處理方法

目前，常采用配重抗浮、錨固抗浮、疏排泄壓進行地下抗浮設計。針對場地地形條件及實際情況，本工程采用疏排地表水+錨固抗浮的方式進行抗浮處理。

1)配合市政排水、河道治理等工程，對場地內地下水的主要補給來源河道進行遷改。

2)對場地內堵塞的排水溝進行全面疏通，確保排水通暢。

3)對于抗浮錨桿已失效的區(qū)域，重新進行抗浮設計及施工。

4)恢復基坑管井降水措施，直至地下結構抗浮能力滿足設計要求。

5)對建筑場地周邊地坪進行硬化封閉處理，防止地表水通過肥槽進入地下室底板以下。

6.3 抗浮錨桿加固設計

考慮地下室層高限制，采用抗浮錨桿對原抗浮措施進行加固，錨筋采用鋼絞線，利用專用錨具將錨頭錨固在抗水板內(見圖7)。為提高單根錨桿抗拔承載力，盡量增大錨桿布置間距及單根錨桿長度。

圖7 抗浮錨桿加固示意

6.4 地下結構加固處理

抗浮處理完成后，地下結構短期內的內力調整受周期性變水位的浮力作用影響，因此采用柔性加固方法對未破壞的柱進行加固，以提高其變形能力。在提高柱整體性和承載力的同時，利用加固材料的柔性和高強度，允許結構在應力調整過程中產生一定變形，從而避免發(fā)生脆性破壞。

1)采用Ⅳ類二次灌漿料對泄水鉆孔進行封閉處理(見圖8)。

圖8 泄水鉆孔封閉處理

2)對抗水板、樓板、梁、柱及剪力墻裂縫進行封閉處理后，采用碳纖維布進行加固修復(見圖9～11)。

圖9 樓板裂縫粘貼碳纖維布加固示意

圖10 梁底裂縫粘貼碳纖維布加固示意

圖11 柱端、柱腳裂縫粘貼碳纖維布加固示意

3)對于上拱變形導致混凝土局部被壓酥的框架柱，進行混凝土置換處理，并粘貼碳纖維布進行加固修復(見圖12，13)。

圖12 框架柱局部混凝土置換加固示意

圖13 框架柱混凝土置換后粘貼碳纖維布加固示意

7 結語

本工程經加固處理后，至目前地下室結構未出現上浮及開裂現象，表明加固效果良好，加固后的結構滿足抗浮設計要求。

1)抗浮事故發(fā)生時，第一時間在地下室底板上鉆孔泄壓，可在最大程度上保護主體結構，避免造成更大的損失。

2)地下結構上浮開裂損傷特征主要表現為框架柱偏心受壓導致混凝土被壓酥或開裂，框架梁、樓板、抗水板受彎開裂。

3)受場地及施工條件限制，地基基礎加固處理措施選擇有限，地基基礎加固處理難度及造價遠高于上部主體結構。

4)抗浮錨桿錨筋可采用鋼絞線，以適應地下室內部作業(yè)要求，也可施加預應力，增強抗浮效果。

5)除對地下結構進行加固補強外，應重視對場地周邊地表水補給排設施的維護，減少地下室區(qū)域的匯水，確保場地地表水可順利排出。