某工程地下室上浮处理工程实例

杨小龙，沈　靖，王　凯

(浙江建筑特种技术工程公司，浙江 杭州 310012)



某工程地下室上浮处理工程实例

杨小龙，沈靖，王凯

(浙江建筑特种技术工程公司，浙江 杭州 310012)

摘要：某工程地下室在主体工程施工完成后，由于未及时覆土并加上连续的暴雨天气，排水不及时，以致于地下水位过高，水浮力超出了上部结构自重最终引起地下室局部上浮，最大上浮量达到410 mm，导致地下室部分梁、板、柱结构损伤。通过对受损结构进行检测，分析上浮原因及结构破坏机理，对地下室结构进行抗浮处理以及结构加固补强措施，从而解决了此次工程上浮事故的问题。

关键词：上浮；损伤；裂缝；加固设计

1工程概况

某工程总建筑面积为30 830.8 m2，平面呈倒“L”形，由南向北依次由主楼(12层)及1层广场地下停车库组成。广场地下停车库面积为9 628.09 m2，地下车库层高为5.08 m，见图1。

图1　建筑平面布置示意图

本工程地下室基础采用独立基础加防水底板形式，基础底板厚500 mm，纯地下室部分主要通过设置4根φ150mm抗拔岩石锚杆以及上部约1.2m覆土措施来满足结构整体抗浮要求。本工程地下室主体工程施工完成后，由于未及时覆土加上连续的暴雨天气，导致地下水位过高，于2015年5月16日发现地下停车库结构产生局部上浮，上浮面积约为7 000m2，造成部分地下停车库的结构(梁、板、柱)出现裂缝。

该工程建设场地土层自上而下依次为：①-1层杂填土，透水性强，层厚0.3～1.7m；①-2层耕土，层厚0.3～0.6m；②层粉质黏土，透水性一般，层厚2.6m；③层卵石，透水性好，层厚3.0～6.6m；④-1层强风化泥质砂岩，层厚1.2～2.0m；④-2层中风化泥质砂岩，层厚2.5～8.0m。地下水的稳定水位-0.8～-1.6m，水位变化幅度约1.5m。

经现场查勘发现纯地下室中部位置产生裂缝的柱子较多，裂缝形式均为水平裂缝及斜裂缝；梁上裂缝多为U形裂缝、斜裂缝；局部地下室顶板角部出现放射性裂缝。裂缝位置大体相似，均位于梁柱节点区域附近；裂缝宽度以0.5～1.5mm的居多，部分柱子出现柱脚与柱顶混凝土局部压碎现象。

现场结构受损情况见图2～7。

图2　柱底裂缝

图3　柱底混凝土压碎

图4　柱底混凝土角部压碎

图5　柱顶角部混凝土压碎

图6　顶板放射裂缝

图7　梁底受扭裂缝

2地下室抗浮验算

地下室底板及顶板结构平面图见图8、图9。地下室剖面示意图见图10。

本工程±0.000m相当于黄海高程69.60m。

地下室顶板面标高：-1.670m；地下室底板面标高：-6.750m。

结构层高：5.08m，室外地坪为-0.450m。覆土实际厚度为1.12m。

地下室顶板厚250mm，地下室底板厚500mm。

地下室抗浮设计水位(根据地勘单位提供)：室外地坪以下0.5m，对应黄海高程为68.65m，相对标高为-0.950m。

图8　地下室底板结构平面图

图9　地下室顶板结构平面图

图10　地下室剖面示意图

2.1水浮力计算

H=5.08+0.5+0.72=6.3m

f=6.3m×10kN/m3=63kN/m2

L=8.4m；B=7.0m

单柱受荷面积A=8.4×7.0=58.8m2

水浮力总值F=fA=63×58.8=3 704kN

2.2锚杆抗拔承载力复核

锚杆抗拔承载力计算包括锚杆周边抗拔摩擦力、锚杆抗拉强度、锚杆与承台混凝土连接的锚固长度。

2.2.1锚杆抗拔摩擦力特征值

根据地勘报告可知，岩石抗拔系数λ=0.8，岩石与锚固体的粘结强度特征值中风化粉砂岩frd=180kPa，锚杆有效长度为6.0m，抗浮锚杆的抗拔承载力特征值根据《建筑地基基础设计规范(GB50007—2011)》[1]8.6.3公式：Rt≤∑0.8πd1×l×frd得单根锚杆抗拔摩擦力特征值为406 kN，则4根锚杆总抗拔摩擦力特征值为1 624 kN。

2.2.2锚杆钢筋抗拉力设计值

2.2.3锚杆钢筋锚固长度

2.3短柱抗拉承载力验算

短柱抗拉承载力计算包括柱钢筋抗拉强度特征值,柱钢筋与承台混凝土连接的锚固长度。

2.3.1柱钢筋抗拉特征值计算

2.3.2柱钢筋锚固长度

2.4基础承台承载力复核

根据本工程地下室的结构特点，基础承台为抗浮的中间传力构件，设计中应考虑承台本身的抗弯能力、抗冲切能力、在柱拉力作用下承台抗剪切能力以及短柱在承台中的抗拔承载力。

2.4.1承台抗弯承载力

2.4.2承台抗冲切承载力

根据《建筑桩基技术规范(JGJ94—2008)》[3]，承台抗冲切承载力F1=βhp×β0×um×h0×ft，其中βhp=1，β0=1.09>1取1，根据计算可知承台抗冲切承载力为2 051 kN。

2.4.3承台抗剪承载力

根据《建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)》[3]5.9.10，承台抗剪承载力V=βhs×α×b0×h0×ft，其中βhs=1.0，α=1.11，根据计算可知承台抗剪承载力为1 924 kN。

2.4.4短柱抗拔承载力

采用基桩抗拔承载力计算方式，根据《建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)》[3]5.4.5，柱抗拔承载力Nk=Tuk/2+Gp，Tuk=∑λi×qsik×ui×li；此处Gp=0，抗拔系数λi取1.0，qsik取承台混凝土的抗拉强度标准值ftk=2.2 MPa。当承台厚度为590 mm时，柱的抗拔承载力标准值为1 298 kN。

2.5地下室结构自重及抗浮计算

在施工工况下(顶板无覆土)结构自重G1=1 447 kN；在正常使用工况下结构自重G2=2 903 kN，短柱抗拔承载力标准值小于锚杆抗拔力标准值，起主控作用，则G总=2 903+1 298=4 201 kN，G总/F=4 201/3 704=1.13>1.05，故地下室抗浮设计满足要求。但在正常使用的工况下，即地下室底板建筑做法及顶板覆土完成后，当室外地下水位达到抗浮水位设计值时，短柱受到拉力为3 704-2 903=801 kN，大于柱钢筋的抗拉承载力特征值652 kN,地下室短柱裂缝宽度将大于0.2 mm，混凝土耐久性将不能满足规范要求。

2.6施工工况下单柱受合力情况分析

根据以上各计算结果可知地下室施工阶段(顶板无覆土)时结构自重G1为1 447kN。在不同地下水位(施工过程中实际水位最高可达到地下室顶板标高)情况下单柱受拉力，以标准开间7.0m×8.4m为例，单柱受荷面积为58.8m2。具体计算结果见表1。

表1　地下室混凝土结构完成后在不同水位时单柱受合力情况

注：1)表中负号表示柱承受压力，正号表示柱承受拉力；2)表中的地下水位为黄海高程。

从表1中可以看到，在施工阶段，地下车库顶板没有覆土的情况下，当地下水位上升到65.92m高程即水头为3.57m以上时(地下水位位于地下车库顶板面以下2.01m)，柱受到的拉力将大于钢筋抗拉的特征值，柱子的裂缝宽度将不满足0.2mm的规范要求。当地下水位上升到67.02m高程即水头为4.67m以上时(地下水位位于地下车库顶板板面以下0.91m)，柱受到的拉力将大于柱本身的抗拔承载力标准值，从而导致柱与基础承台交界面混凝土发生拔出破坏。因4根抗浮锚杆抗拔承载力标准值为4×738=2 952kN，大于短柱抗拔承载力标准值1 298kN，故承台破坏后，锚杆虽未破坏但与地下室结构脱离，从而失去抗浮作用。

3上浮原因及分析

根据以上验算结果可知，造成本工程地下室局部上浮的主要原因为：施工阶段地下水位因连续暴雨未能及时控制在安全范围内，水浮力超过地下室结构基础与底板连接短柱的抗拔承载力标准值，致使短柱与基础交界面混凝土破坏，从而导致抗浮措施失效。当地下室某一柱抗浮作用失效后，导致周边柱的连锁失效进而引发了此次地下室局部上浮工程事故。

从现场对上浮区域部分承台的开挖检查结果可知，承台在锚杆附近部分没有上浮，而是柱在承台中整体拔出，属承台混凝土在柱钢筋周边产生的拔出破坏，与实际计算相符，根据上述结论对本地下室上浮采取相应加固措施。

4加固设计

4.1短柱裂缝控制验算

当满足抗浮系数1.05时，短柱实际承担的拉力

F1=3 704×1.05-2 851=1 038.2kN

则短柱在此荷载作用下，裂缝宽度大于0.2mm，已不满足规范要求。

本工程地下室上浮加固采用增设岩石锚杆的方法来加强地下室本身的抗浮能力。

4.2岩石锚杆抗拔承载力特征值计算

锚杆直径：100mm(下端扩大头130mm)。

有效长度：3.0m。

根据《建筑地基基础设计规范(GB50007—2011)》[1]8.6.3公式：

Rt≤∑0.8πd1×l×f=0.8×3.14×(0.10×2.6+0.13×0.4)×180=141.1 kN

单根岩石锚杆抗拔承载力特征值141.1kN，取120kN。

4.3岩石锚杆正截面受拉承载力计算

N1≤fyAs=360×804=289.4 kN

141.1kN≤289.4kN满足要求。

4.4岩石锚杆正截面受拉裂缝验算

根据《混凝土结构设计规范(GB50010—2010)》[2]7.1.2-1～7.1.2-4公式：

ωmax=2.2×1.027×

锚杆裂缝宽度满足要求。

4.5地下室上浮区域范围内加固设计

1)抗浮锚杆失效后，F1=1 038 kN全部由新增岩石锚杆来承担。采用φ100 mm抗拔承载力特征值120 kN，有效长度为3.0 m的岩石锚杆对地下室上浮区域进行加固，单个柱下的有效受荷面积7.8 m×8.4 m区间范围内布置20根可满足抗浮要求，锚杆布置示意见图11。

2)考虑柱下承台破坏，采取在地下室底板上设置注浆孔，对柱下独立基础范围内进行填充式注浆，注浆完成后按要求进行检测，以确保基础承台的抗压承载力。

4.6地下室上浮区域连接处加固设计

抗浮锚杆有效的情况下，此区域抗浮由短柱及新增岩石锚杆共同承担，则内力差值为1 038-652=386kN。通过基础梁边增设4根抗浮岩石锚杆来平衡，则可满足短柱裂缝计算要求，锚杆布置示意见图12。

图11　地下室上浮区域锚杆布置图

图12　地下室上浮区域连接处锚杆布置图

4.7地下室结构损伤及裂缝处理加固设计[4]

1)对地下室上浮造成结构损伤的构件，按裂缝宽度采用如下方法进行加固处理：

①裂缝宽度小于0.2mm时，采用表面封闭法，

水泥砂浆抹面处理。

②0.2mm≤裂缝宽度≤1.5mm时，采用注射法，用环氧树脂胶灌注处理。

③裂缝宽度大于1.5mm时，采用压力注浆法灌注环氧树脂胶处理。

2)对裂缝修复完成后的结构构件，粘贴2层碳纤维织布进行补强，并做好相关防护措施。

5结语

随着建筑行业的不断发展，建筑的功能以及实用性也越来越强，近年来，国内高层建筑的数量不断增多，而地下室作为高层建筑重要的组成部分，极大地丰富了高层建筑的功能性及实用性。高层地下室施工的技术要求也随着功能要求而提高，但由于施工过程中未及时覆土加上连续的暴雨天气，排水不及时等因素以致于地下水位过高，导致地下室出现安全事故的概率越来越高。地下室上浮是其中常见的一类工程安全事故，出现此类事故的原因主要是施工单位在施工过程中对地下水位的控制、排水措施及外部回填土等施工技术上存在不足，使得地下室经历强降雨后比较容易出现上浮现象。本文主要介绍了针对地下室上浮加固设计的思路及技术措施，通过这些技术措施可以有效降低地下室上浮对建筑整体质量的影响。

参 考 文 献

[1]中国建筑科学研究院.GB50007—2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2011.

[2]中国建筑科学研究院.GB50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.

[3]中国建筑科学研究院.JGJ94—2008建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2008.

[4]四川省建筑科学研究院.GB50367—2013混凝土结构加固设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2013.

收稿日期：2016-01-07

作者简介：杨小龙(1988—)，男，浙江衢州人，助理工程师，从事建筑结构设计工作。

中图分类号：TU94+3.1

文献标志码：B

文章编号：1008-3707(2016)04-0020-06

Projects of the Treatment to the Basement Floating in an Engineering

YANG Xiaolong, SHEN Jing, WANG Kai