豎向向上荷載作用引起的地下室構(gòu)件損傷及防治探析

翟光南 （銅陵市建筑工程管理局，安徽 銅陵 244000）

1 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的承載功能及混凝土中摻入相應(yīng)外加劑后自防水性能，使得設(shè)計師們普遍將地下室設(shè)計為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式一般為一～二層框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為整體式筏板基礎(chǔ)，采用明控法施工。近幾年來，由于多種原因，地下室混凝土構(gòu)件承受豎向向上荷載而受損的情況屢有發(fā)生。2014 年10月1 日實施的《建筑工程裂縫防治技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T317-2014）第4.3.3條明確規(guī)定：復(fù)雜條件下的建筑物抗浮設(shè)計，應(yīng)進行專項論證確定抗浮設(shè)防水位；合肥市于2011 年1 月30 日印發(fā)實施《合肥市地下建（構(gòu)）筑物抗浮設(shè)防管理規(guī)定》。

2 豎向向上荷載種類

除地震作用外，豎向向上荷載作用主要有水浮力作用和地基土膨脹作用。水浮力作用致地下室構(gòu)件受損必須同時具備三個條件：其一是有水源且水源使地下水水位足夠高；其二是水已滲流至地下室底板底部和地下室外墻四周；其三是作用于地下室結(jié)構(gòu)上的由上向下的靜荷載、活荷載小于作用于地下室結(jié)構(gòu)上的水浮力。地基土膨脹作用致地下室構(gòu)件受損也必須同時滿足三個條件：其一地基土具有弱膨脹潛勢；其二地基土受水浸泡；其三地下室頂板靜荷載工程未施工。相較于水浮力作用引起的損傷，地基土膨脹作用引起的損傷頻次少，損傷程度也較輕。

3 水浮力作用

水浮力作用可引起地下室柱、墻、梁、板（底板、頂板）構(gòu)件不同程度開裂甚至混凝土或砌墻磚碎裂、剝落。水浮力作用可通過鉆穿地下室底板有水噴涌進行驗證，水浮力較大時呈水柱狀噴出，噴出的水柱見圖1。

圖1 底板鉆穿噴出的水柱

3.1 框架柱

因水浮力作用受損較重的框架柱上均分布有多條裂縫。大部分柱裂縫分布于柱頭和柱根部位，也有少數(shù)柱裂縫幾乎沿柱全高分布。若柱根處裂縫由西側(cè)沿南、北側(cè)面往東伸展，縫寬逐漸變細，西側(cè)面裂縫深度即南、北側(cè)裂縫伸展長度，則柱頭處裂縫由東側(cè)沿南、北側(cè)面往西伸展，縫寬逐漸變細，東側(cè)面裂縫深度即南、北側(cè)裂縫伸展長度；若柱根處裂縫由東側(cè)沿南、北側(cè)面往西伸展，縫寬逐漸變細，東側(cè)面裂縫深度即南、北側(cè)裂縫伸展長度，而柱頭處裂縫由西側(cè)沿南、北側(cè)面往東伸展，縫寬逐漸變細，西側(cè)面裂縫深度即南、北側(cè)裂縫伸展長度。柱裂縫最大縫寬較大，有時可達5mm以上。有代表性的柱根裂縫見圖2，有代表性的柱頭裂縫見圖3。

圖2 柱根裂縫圖

圖3 柱頭裂縫

伴隨裂縫損傷，損傷程度嚴重的柱傾斜嚴重。

某住宅小區(qū)單層框架結(jié)構(gòu)地下車庫建筑面積10000m2以上，其四周結(jié)構(gòu)構(gòu)件與鄰近的多層或高層住宅樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件無連接，該地下車庫所在小區(qū)地勢較低，地下車庫又處于小區(qū)最洼處。地質(zhì)勘察報告顯示：地庫場地勘察深度范圍內(nèi)有一層地下水，屬潛水類型，勘察期間實測穩(wěn)定水位埋深5.79m～7.60 m(絕對高程19.62m～17.81m)，水位升降變化受大氣降水影響。估計豐水期水位可達自然地面下1.5m 左右，建議地下室抗浮設(shè)防水位為自然地面下1.5m(標高23.91m)。

設(shè)計標高±0.00 為絕對高程24.6 m，抗浮水位取建成后地表下1.5m；筏板基礎(chǔ)，車庫頂板覆土厚度1000mm；要求基槽開挖時嚴禁暴曬或水浸；基坑開挖前及施工期間應(yīng)進行人工降低地下水位，將地下水降至基底以下不小于500mm；地下車庫施工完畢后，應(yīng)及時回填土，四周應(yīng)用2：8 灰土在相對兩側(cè)或四周同時回填并逐層夯填密實，回填時應(yīng)嚴格按照規(guī)范施工，回填土壓實系數(shù)≥0.94?；娱_挖前及施工期間人工降低地下水位。車庫頂板板面上的輕集料混凝土層和鋼筋混凝土層、車庫側(cè)墻外側(cè)的防水涂層和回填土施工完畢，車庫頂1000mm覆土層尚未施工，車庫所在地連降大雨甚至暴雨（最大日降水量達91.2mm），連續(xù)降雨及小區(qū)排水系統(tǒng)尚未形成，雨水大量涌入車庫周邊，致地下車庫上浮而嚴重受損。2020 年及2021年雨季也使部分地區(qū)在建地下室及既有地下室上浮而受損。

3.2 混凝土墻體

地下室中部上浮程度高于其四周的外墻；混凝土外墻裂縫主要分布于外墻內(nèi)側(cè)面頂部（見圖4）和外墻外側(cè)面根部呈水平向伸展，裂縫數(shù)量較多時，裂縫間彼此幾乎平行，裂縫間間距較小，墻體頂部裂縫寬度由內(nèi)往外逐漸變窄，墻體根部裂縫寬度由外往內(nèi)逐漸變窄。地下室四周上浮高度高于其中部的外墻和地下室上浮高度高于其四周的內(nèi)墻：由于其同片墻體上浮高度差異及受相鄰混凝土構(gòu)件約束，其裂縫主要呈斜向、水平向分布于墻體根部，也有部分裂縫分布于墻體全高，同一片墻體上分布的裂縫數(shù)量較多，彼此間幾乎平行，裂縫在墻體的兩側(cè)對稱。有代表性的裂縫見圖4、圖5。

圖4 外墻內(nèi)側(cè)面頂部裂縫

圖5 分布于墻體根部的多條斜向裂縫

3.3 框架梁

由于框架柱的上浮高度和同跨框架柱上浮高度的差異，致每跨框架梁上裂縫數(shù)量不等；裂縫分布位置也不一樣，部分梁裂縫分布于梁支座處，部分梁裂縫沿梁跨度全跨分布；大部分梁裂縫呈豎向或斜向，極少數(shù)呈水平向；部分裂縫由梁底向梁兩側(cè)面伸展，部分裂縫只分布于梁的兩側(cè)；分布于梁兩側(cè)的裂縫有部分兩側(cè)對稱，部分兩側(cè)不對稱。上浮開裂損傷嚴重的梁甚至在支座部位出現(xiàn)混凝土碎裂、剝落，有代表性的梁裂縫見圖6。

圖6 框架梁裂縫

3.4 地下室頂板、底板

框架結(jié)構(gòu)地下室頂板、底板裂縫分布特征隨著其上浮高度及不同部位上浮高度差異而略有差異，大部分裂縫與縱、橫向軸線呈一定的夾角伸展，其中部分裂縫沿對角線或與對角線平行伸展，同一條裂縫的同一部位板底和板面縫寬差異較大，裂縫縫寬沿板截面高度由上而下或由下而上逐漸變窄，其中部分裂縫貫穿板截面。由于上浮，地下室底板與其底板素混凝土墊層、及素混凝土墊層與其底部地基持力層間還有間隙。有代表性的頂板板底裂縫見圖7，底板板面裂縫見圖8。

圖7 地下室頂板板底裂縫

圖8 地下室底板板面裂縫

4 地基土膨脹作用

地基土膨脹作用引起地下室柱、墻、梁、板（底板、頂板）構(gòu)件開裂的裂縫特征和底板與持力層等間的間隙同水浮力作用，但其裂縫程度相對較輕。地基土具有膨脹或弱膨脹潛勢時，長期停工的地下室頂板填土等荷載未施工，長期積水的地下室底板后澆帶、四周鄰近部位混凝土構(gòu)件極易產(chǎn)生裂縫等損傷。

某單層框架結(jié)構(gòu)地下室部分區(qū)域頂板混凝土澆筑后停工3 年多，已施工的部分區(qū)域后澆帶混凝土未有澆筑，后澆帶及已施工底板外側(cè)長期積水，是爛尾工程，如圖9所示。

圖9 長期停工的某地下室

該地下室地質(zhì)勘察報告顯示：場地內(nèi)地下水較貧乏，主要為賦存于素填土中的上層滯水，水量較貧乏，主要補給來源為大氣降水。場地土構(gòu)成層序自上而下依次為：①層雜填土：雜色、灰色，層厚0.20～2.30m，主要成分為粘性土及植物根系，夾雜碎石、磚塊等，松散～稍密，稍濕，該層分布廣泛。②層粘土：灰褐、黃褐色，層厚2.00～3.70m，層頂埋深0.20～2.30m，層 頂 高 程 21.10～23.41m，呈硬塑狀態(tài)，含鐵、錳質(zhì)結(jié)核，夾灰白色粘土團塊，光澤反映有光澤，無搖振反應(yīng)，干強度高，韌性高，地基承載力特征值fak=280kPa，壓縮模量Es=16.48MPa，該層分布廣泛；②層粘土自由膨脹率59～60%，平均值為59.5%，具弱膨脹潛勢。③層粘土：褐黃色、黃色，揭露層厚25.50m，層頂埋深3.30～5.80m，層頂高程18.00～21.17m，呈硬塑～堅硬狀態(tài)，含鐵、錳質(zhì)結(jié)核，夾灰白色粘土團塊，光澤反映有光澤，無搖振反應(yīng)，干強度高，韌性高，該層分布廣泛，地基承載力特征值fak=320kPa，壓縮模量Es=19.35MPa；③層粘土夾灰白色粘土團塊，具弱膨脹潛勢。

設(shè)計為筏板基礎(chǔ)，持力層為③層粘土；設(shè)計考慮地下水的浮力，采取避免基坑四周和地表水滲入地下室底板的隔水、降水措施，在基坑四周（1.0m 范圍內(nèi)）用3:7 灰土回填分層碾壓、夯實且壓實度在0.94 以上，抗浮滿足要求時停止降水。

該地下室停工3 年5 個月后發(fā)現(xiàn)有其后澆帶處和底板外側(cè)積水處底板、柱、梁有類似于水浮力引起的損傷，后澆帶處和底板外側(cè)積水及損傷部位底板鉆穿后無地下水溢出，結(jié)合持力層土具弱膨脹潛勢，地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷非水浮力引起，而系長期積水處鄰近部位具弱膨脹潛勢的持力層土吸水膨脹引起。

5 豎向向上荷載導致的損傷對結(jié)構(gòu)的影響

地下室混凝土構(gòu)件受豎向向上荷載而損傷系結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力引起的損傷；地下室混凝土構(gòu)件均處于潮濕環(huán)境；構(gòu)件受豎向向上荷載裂縫等損傷主要分布于柱頭（根）、梁支座處，板裂縫沿板對角線或與對角線平行伸展，同一構(gòu)件局部有多條裂縫平行分布，其中有部分受拉裂縫縫寬大于0.4mm，甚至構(gòu)件局部部位混凝土碎裂。因此，地下室混凝土構(gòu)件受豎向向上荷載而損傷后，顯著或嚴重影響整體承載，必須在發(fā)現(xiàn)后立即預(yù)估損傷程度，設(shè)置臨時支架防垮塌、進行檢測鑒定、設(shè)計單位出具加固方案并實施，防止受豎向向上荷載而損傷致地下室垮塌。

6 防治豎向向上荷載導致的損傷

勘察、設(shè)計是防治豎向向上荷載導致地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷的源頭。勘察單位應(yīng)探明：與水浮力有關(guān)的地下水類型；大氣降水及地表水徑流對地下水水位的影響；地下水埋深及水位高程范圍。探明地基粘土層及其上下土層粘土顏色形狀、光澤，勘察報告中注明地基粘土層自由膨脹率和是否具有弱膨脹潛勢。設(shè)計單位應(yīng)慎重對待抗浮設(shè)防水位，考慮惡劣暴雨天氣的抗浮設(shè)防水位，如2021年河南省暴雨波及鄰近的皖北也出現(xiàn)地下室上浮事故；抗浮設(shè)計應(yīng)包括隔水、降排水及各種平衡上浮力的措施；抗浮設(shè)計兼顧整體與局部的抗浮穩(wěn)定；及時做好設(shè)計交底并參與驗收工作。

防治豎向向上荷載導致地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷的具體措施靠施工單位實施。施工單位明確地下室抗浮設(shè)防施工技術(shù)要求與注意事項，確保施工質(zhì)量；施工期間應(yīng)做好排水、降水和基坑支護工作，在回填土施工之前，確?；觾?nèi)的地下水位低于底板底面標高以下0.50m，當降雨時，應(yīng)確?；臃e水及時排出；及時做好地下室四周回填土施工，回填土應(yīng)分層夯實，回填質(zhì)量應(yīng)滿足設(shè)計及相關(guān)規(guī)范要求；及時施工地下室頂覆土層等。地基持力層土具有弱膨脹潛勢時采取措施避免地下室底板后澆帶、四周長期積水。

地下室抗浮設(shè)計不宜采用素填土、灰土或混凝土等不透水材料作為防滲透的隔水方案，如采用上述方案，應(yīng)有可靠的技術(shù)保障措施，設(shè)計及施工方案應(yīng)通過市建設(shè)行政主管部門組織的專項審查。

防治豎向向上荷載導致地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷主要靠勘探、設(shè)計、施工、監(jiān)理、檢測專業(yè)技術(shù)人員完成，要求上述五方責任主體專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)具有相應(yīng)的專業(yè)知識、過硬的技術(shù)能力、一定的技術(shù)經(jīng)歷和負責、嚴謹、細致的工作態(tài)度；建設(shè)單位是工程質(zhì)量第一責任人，不能因降低工程造價冒豎向向上荷載致地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷的風險，以合理的技術(shù)服務(wù)或施工費用將工程依法發(fā)包給具有相應(yīng)資質(zhì)的服務(wù)質(zhì)量佳、技術(shù)能力強、信譽好的供應(yīng)商。