復(fù)合地基筏板基礎(chǔ)地庫上浮成因與處置方案研究

董崇海，吳大鵬，陳中華，胡京亞

(廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 廣州 510000)

對于南方雨水豐富地區(qū)或山地建筑項(xiàng)目,地下室抗浮設(shè)計(jì)極為重要,抗浮設(shè)計(jì)的方案也多種多樣。設(shè)計(jì)中按照勘察報(bào)告提供的水頭計(jì)算浮力大于結(jié)構(gòu)荷載的情況時(shí)即需要進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)?？垢≡O(shè)計(jì)常規(guī)有兩種思路:一種采用排水減壓的思路,肥槽排水、盲溝、疏水層等排水措施需要將滲水量匯集到項(xiàng)目周邊的排水措施,保證即使在驟雨的情況下結(jié)構(gòu)自重及覆土可以抵抗水浮力[1],目前此設(shè)計(jì)思路已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用及推廣,尤其對于天然地基及淺基坑工程項(xiàng)目。另一種采用抗浮的方法,抗浮常規(guī)采用抗浮錨桿或抗浮樁,需要結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行選用。需要注意的是在施工過程中,因施工順序不當(dāng),造成結(jié)構(gòu)自重?zé)o法抵抗水浮力,且未采取降低水頭的措施極易造成地下室上浮[2];項(xiàng)目周邊標(biāo)高變化或突遇暴雨超過以往降水量導(dǎo)致水頭高于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的抗浮水頭時(shí)也可能導(dǎo)致地下室上浮[3-4]。對于永久抗浮,底板跨中彎矩是向上的,地下水壓力的作用下如果在板跨中采取一定的抗浮措施,可以有效地保證底板的安全性及經(jīng)濟(jì)性。

1 工程概況

1.1 基本信息

本項(xiàng)目位于惠州市仲愷區(qū),為普通住宅項(xiàng)目的附屬地下室。地下室發(fā)生上浮區(qū)域面積約2 250 m2,兩層地下室,-1層層高3.35 m,-2層層高3.4 m,頂板大部分區(qū)域覆土為1.2 m,柱距主要為7 800 mm×8 100 mm。地下室頂板、-1層結(jié)構(gòu)均為無梁樓蓋,采用錐形柱帽?；A(chǔ)為素混凝土旋噴樁復(fù)合地基加600 mm厚筏板?；A(chǔ)方案如圖1所示。

1.2 主要土層分布

本項(xiàng)目地下室上浮區(qū)域底板以下主要土(巖)層分布見表1。

表1 上浮區(qū)域底板以下土(巖)層

1.3 現(xiàn)場情況

現(xiàn)場施工于2021年12月底完成地下室后澆帶全封閉,地下室周邊肥槽同步回填,同時(shí)停止降水措施。后因雨天較多未及時(shí)跟進(jìn)頂板覆土,跨越春節(jié)直至2022年2月23日發(fā)現(xiàn)地下室砌體墻異常開裂,此時(shí)頂板覆土仍未回填?，F(xiàn)場監(jiān)理開始進(jìn)行地下室標(biāo)高監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)地下室底板標(biāo)高每日均有抬高趨勢,上浮最大高度達(dá)20.5 cm,如圖2所示。

上浮最大位置的結(jié)構(gòu)柱因呈現(xiàn)軸心受壓的受力狀態(tài)柱身完好無損,上浮高度16 cm～19 cm區(qū)域的結(jié)構(gòu)柱、柱帽因呈現(xiàn)壓彎的受力狀態(tài)導(dǎo)致?lián)p傷較為嚴(yán)重,且柱子頂部明顯呈現(xiàn)一側(cè)拉裂、一側(cè)壓潰的損傷情況,如圖3所示。柱帽出現(xiàn)水平通縫,如圖4所示。

2 成因分析

2.1 設(shè)計(jì)復(fù)核

本項(xiàng)目采用復(fù)合地基及筏板基礎(chǔ),因設(shè)置兩層地下室,底板底面抗浮水頭比較高為7.45 m,地下室結(jié)構(gòu)自重及頂板覆土不足以抵抗水浮力。原設(shè)計(jì)通過增設(shè)普通抗拔錨桿以滿足地下室抗浮要求,錨桿成孔直徑200 mm,普通螺紋鋼筋3Φ28,錨桿入強(qiáng)風(fēng)化巖不少于8 m,錨固體采用M30水泥砂漿,單根錨桿的設(shè)計(jì)抗拔承載力特征值為300 kN,經(jīng)現(xiàn)場承載力試驗(yàn)滿足要求。

原設(shè)計(jì)依據(jù)DBJ/T 15-125—2017建筑工程抗浮設(shè)計(jì)規(guī)程[5]進(jìn)行整體抗浮驗(yàn)算,通過采用地下室結(jié)構(gòu)自重、頂板覆土及抗浮錨桿抵抗水壓力,安全系數(shù)為1.18。并結(jié)合抗浮錨桿的有效性,底板配筋的經(jīng)濟(jì)性,將抗浮錨桿布置于底板板跨中間,抗浮錨桿總數(shù)為126根,如圖5所示。

經(jīng)復(fù)核,原設(shè)計(jì)滿足實(shí)際使用過程中的抗浮要求。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際施工順序,地下室肥槽及后澆帶封閉后,地下室抗浮水頭在停止降水后恢復(fù)至設(shè)計(jì)水頭,此時(shí)僅地下室結(jié)構(gòu)自重及抗浮錨桿抵抗水壓力,按照《建筑工程抗浮設(shè)計(jì)規(guī)程》計(jì)算后,安全系數(shù)僅為0.9,無法滿足實(shí)際的抗浮需求,且低于規(guī)范要求的1.05。

2.2 施工復(fù)核

本項(xiàng)目于2022年2月24日由施工單位發(fā)起組織勘察單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位及建設(shè)單位進(jìn)行現(xiàn)場勘查,問題主要為地下室底板隆起、結(jié)構(gòu)柱壓潰或拉裂、砌體墻大面積開裂等。通過現(xiàn)場實(shí)地觀察、各項(xiàng)封閉驗(yàn)收材料及施工藍(lán)圖檢查,施工中存在以下3個(gè)問題:

1)對于基坑降水、后澆帶封閉、頂板覆土的施工工序,施工藍(lán)圖做了明確的要求:基坑內(nèi)停止降水必須滿足塔樓第10層樓面梁板施工完成、地下室頂板及裙房屋面板等覆土完成、地下室后澆帶封閉且達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。由此,結(jié)合1.3節(jié)現(xiàn)場反饋的施工情況可知,導(dǎo)致地下室上浮的主要原因?yàn)槭┕すば虻腻e(cuò)誤,在地下室頂板覆土未完成的情況下提前停止基坑降水。2)現(xiàn)場擱置約3個(gè)月未進(jìn)行覆土回填施工,導(dǎo)致項(xiàng)目在南方春節(jié)雨水較豐富期間水頭急劇上升,地下室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷才發(fā)現(xiàn)問題的嚴(yán)重性。3)地下室肥槽回填施工未按圖紙要求進(jìn)行分層回填,壓實(shí)系數(shù)、回填土材料均不滿足設(shè)計(jì)要求,導(dǎo)致降水由地面滲入肥槽產(chǎn)生“水盆效應(yīng)”[6]。

綜合設(shè)計(jì)及施工復(fù)核可知,本項(xiàng)目地下室上浮主要原因?yàn)楝F(xiàn)場施工順序不當(dāng)造成。

3 應(yīng)急方案

3.1 常用方案

前人研究地庫上浮搶險(xiǎn)的方案各有不同,適應(yīng)條件也不盡相同,但絕大多數(shù)以控制地庫繼續(xù)上浮或減小上浮為目的。常用地庫上浮搶險(xiǎn)方案主要為:泄水減壓或增加配重的方式。泄水減壓法目前發(fā)展較為迅速,產(chǎn)生種類繁多的新工藝及新材料,如底板直接開泄水孔、地庫周邊設(shè)置井點(diǎn)降水、肥槽開挖等方案。增加配重的方法也有多種,如頂板增加覆土、頂板回填材料更換、底板面層加厚等。在以往的處置方案中,通常會(huì)將泄水減壓與增加配重兩種方案復(fù)合使用,從而使地下室隆起區(qū)域盡可能恢復(fù)。

3.2 實(shí)施方案

本項(xiàng)目組織建設(shè)五方責(zé)任主體現(xiàn)場勘查時(shí)即發(fā)現(xiàn)地下室結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)損傷及底板隆起的情況,需要盡快采用處理措施緩解結(jié)構(gòu)損傷繼續(xù)發(fā)展?？紤]到地庫周邊設(shè)置降水井點(diǎn)或肥槽開挖抽水等措施均不能滿足搶險(xiǎn)的緊急性,因此采用直接在底板上開100 mm泄水孔進(jìn)行泄水減壓,第一個(gè)孔水柱噴射至-1層板底,增加泄水孔之后水柱逐漸降低,穩(wěn)定后底板上水深0.5 m,見圖6。泄水孔滲流穩(wěn)定后無泥砂涌出,底板下形成空洞的影響較小。

由于項(xiàng)目竣工驗(yàn)收較為緊張,需使地下室隆起盡快恢復(fù),便于地下室開展檢測與加固施工,臨時(shí)處理措施還結(jié)合增加配重的方案?？紤]地下室結(jié)構(gòu)柱、柱帽等受力構(gòu)件已經(jīng)產(chǎn)生明顯損傷,為避免增加二次損傷,先對已產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷的區(qū)域進(jìn)行回頂后在頂板上分層回填0.6 m高覆土,同時(shí)在底板隆起較大位置堆放1 m高沙袋。

經(jīng)過采取緊急處置措施后,底板在4 d后已得到有效的恢復(fù),隆起高度由最高時(shí)20.5 cm降至2.7 cm,且無底板下?lián)系那闆r,恢復(fù)效果較好。同時(shí)對地下室結(jié)構(gòu)柱、柱帽原損傷位置進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),之前明顯裂縫已閉合,之前輕微開裂位置基本難以發(fā)現(xiàn)。

4 加固設(shè)計(jì)

為保證因地庫上浮造成的結(jié)構(gòu)損傷通過加固可以滿足后續(xù)結(jié)構(gòu)使用要求,本項(xiàng)目邀請第三方檢測單位進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全鑒定。通過對結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂情況、材料強(qiáng)度、鋼筋配置、基礎(chǔ)變形及計(jì)算復(fù)核得到的結(jié)論是大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括底板仍滿足正常使用要求,但需對抗浮進(jìn)行加固或設(shè)置永久排水減壓措施,對于明顯損傷的結(jié)構(gòu)柱及柱帽需進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固處理。

4.1 抗浮加固

地下室最大隆起高度達(dá)20.5 cm,且范圍較大,結(jié)合結(jié)構(gòu)安全鑒定的結(jié)論,原抗浮設(shè)計(jì)采用的抗浮錨桿基本可判定已失效,通過緊急處理底板的恢復(fù)效果較好,但仍不能保證錨桿的有效性。作為永久的抗浮措施,需要充分考慮不同的抗浮方案帶來的施工難度、維護(hù)難度和投入等。

方案一:不增加抗浮構(gòu)件的情況下,采用排水減壓的思路。因地下室抗浮失效出現(xiàn)于局部區(qū)域,周邊為塔樓及相連的地下室,若改造地庫周邊肥槽為疏排水系統(tǒng)的“疏水措施”,則難以形成閉環(huán),且本項(xiàng)目肥槽回填后為市政道路,難以保證自行排泄條件及后續(xù)排水系統(tǒng)的維護(hù)要求。若采用在地下室底板或集水井中設(shè)置水位監(jiān)測自動(dòng)或非自動(dòng)排水系統(tǒng)的“降水措施”,則因本項(xiàng)目抗浮水頭較高,不增加抗浮措施的情況下,地庫正常使用過程中需長時(shí)間進(jìn)行抽排水,后續(xù)維護(hù)費(fèi)用很高。綜合分析,采用排水減壓思路前期施工較為便利,一次性投入較低,但對后期正常使用的保障條件較高,相關(guān)保障措施可參考文獻(xiàn)[1]。對于住宅項(xiàng)目,采用排水減壓的思路對后期物業(yè)管理要求太高,且增加了業(yè)主的物業(yè)費(fèi)用,適用性不高。

方案二:不增加抗浮構(gòu)件的情況下,采用增加配重的思路。前人在采用此方法時(shí)存在頂板覆土在承載力設(shè)計(jì)時(shí)比抗浮設(shè)計(jì)厚的情況,此時(shí)即可通過直接增加頂板覆土的方法增加配重,如文獻(xiàn)[3]。另外可通過增加地庫底板面層厚度或增加疊合層來增加配重[7],此方案要求地庫層高較高,增加面層厚度后不影響正常車庫確權(quán)及使用要求。由于本住宅項(xiàng)目業(yè)主設(shè)計(jì)前期嚴(yán)格控制建造成本,對覆土厚度、地下室層高均做了嚴(yán)格限制,增加覆土厚度將對頂板承載力產(chǎn)生較大影響,增加面層厚度又無法滿足地庫凈高要求,因此也不考慮采用增加配重的抗浮加固方案。

方案三:增加抗浮構(gòu)件的思路,即重新設(shè)置抗浮錨桿或抗浮樁。本項(xiàng)目基礎(chǔ)原采用素混凝土旋噴樁復(fù)合地基及筏板基礎(chǔ),復(fù)合地基與筏板間設(shè)置300 mm褥墊層,如采用抗浮樁,雖能較好地解決抗浮問題,但因抗浮樁直接與底板相連,豎向力會(huì)首先傳遞至抗浮樁,導(dǎo)致基礎(chǔ)的受力變得復(fù)雜。

經(jīng)比較3個(gè)方案的優(yōu)劣勢,結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際特點(diǎn),最終采用與原設(shè)計(jì)相同的抗浮錨桿進(jìn)行抗浮加固的方案?？垢″^桿成孔直徑200 mm,錨筋采用普通螺紋鋼筋4Φ28,單根錨桿的設(shè)計(jì)抗拔承載力特征值為375 kN,實(shí)際檢測后滿足設(shè)計(jì)要求。錨桿總數(shù)共計(jì)116根,經(jīng)計(jì)算抗浮安全系數(shù)略高于原設(shè)計(jì)?？垢″^桿施工順序:放線定位→底板開孔,孔洞周邊300 mm范圍鑿除至底板面筋→下鉆成孔,成孔過程中每隔0.5 m記錄一次孔側(cè)巖性,錨桿入強(qiáng)風(fēng)化巖不少于11.0 m→錨桿安放,主筋接長時(shí)采用套筒對接,主筋上端在底板面筋處彎折并與面筋搭接焊,水平段長度280 mm→采用M30水泥砂漿(水灰質(zhì)量比0.4)進(jìn)行高壓注漿→漿液滲至底板底標(biāo)高時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù),初凝后在錨桿與底板底交接位置填塞遇水膨脹型填充劑→錨桿在底板高度內(nèi)采用抗?jié)B等級為P8的C35微膨脹混凝土填充?？垢″^桿安裝剖面圖見圖7。

4.2 結(jié)構(gòu)加固

本項(xiàng)目地下室結(jié)構(gòu)損傷主要出現(xiàn)于柱底、柱頂及柱帽位置。柱子加固為常規(guī)加固方案,對于開裂輕微的柱子采用粘貼環(huán)向碳纖維布,對于開裂較為嚴(yán)重的柱子采用包鋼加固的方式。對于柱頂出現(xiàn)壓潰的情況,需先采用高強(qiáng)灌漿料進(jìn)行混凝土置換再進(jìn)行包鋼加固。無梁樓蓋的柱帽主要作用是增強(qiáng)板、柱交接位置的抗沖切及抗剪能力,柱帽雖然出現(xiàn)橫向裂縫,但裂縫比較微小,可考慮通過注漿修復(fù)。但為安全起見,本項(xiàng)目柱帽裂縫修復(fù)后對個(gè)別柱帽還采用增大尺寸的加固方案,如圖8所示。

5 結(jié)語

通過實(shí)際項(xiàng)目的地下室上浮成因分析及處置方案研究,得出以下結(jié)論:

1)通過設(shè)計(jì)及施工復(fù)核,該項(xiàng)目地下室上浮成因主要為基坑肥槽回填、頂板覆土回填、底板后澆帶封閉及基坑停止降水的施工工序不當(dāng)造成。2)地下室上浮后應(yīng)該盡快確定搶險(xiǎn)方案,避免地下室結(jié)構(gòu)損傷加劇,同時(shí)應(yīng)全方位評估搶險(xiǎn)方案帶來的效果,應(yīng)盡可能避免產(chǎn)生二次損傷。3)通過對比抗浮加固方案的施工便利、后期抗浮措施的維護(hù)、地庫使用影響及成本投入,采用增補(bǔ)抗浮錨桿的加固方案。