上海某地下车库局部上浮加固方法研究

矫立超

（中国建筑第八工程局有限公司设计管理总院，上海 201206）

在现代化建设中，随着建筑体量和规模的增大，地下室结构应用也越来越多。在地下室结构施工过程中，工程事故时有发生，多与雨季降水量激增、基坑降水不连续、回填土不及时等有关。以上原因通常会引起地下水浮力大于结构竖向荷载，使地下室整体或局部变形，甚至造成严重人员伤亡和财产损失[1]。文章结合工程实例，分析地下室结构上浮造成结构损伤的成因与抗浮失效而采取的加固措施，为出现相似工程事故的项目提供了可靠的技术处理方式。

1 项目概况

1.1 工程地质概况

上海某地下室车库上浮区域面积约3000m2，车库局部区域混凝土开裂。根据《岩土工程详勘报告》表明，拟建场地在61.30m深度范围内的地基土主要由饱和黏性土、粉性土和砂土组成。埋深40m以内的土层有第①1层填土、第①2层浜土、第②1层褐黄～灰黄色粉质黏土、第②3层灰色粉砂、第③层淤泥质粉质黏土、第⑤1-1层粉质黏土、第⑤1-2层黏土、第⑤3层粉质黏土，第⑤3夹层黏质粉土。综合分析土的成因、结构及物理力学性指标，可划分成7个主要层次，各层土桩侧摩阻力标准值和抗拔承载力系数如表1所示。

表1 桩侧极限摩阻力标准值fs和桩端极限端阻力标准值fp一览表

根据上海市工程建设规范《岩土工程勘察规范》（DG J08-37—2012），上海市常年平均地下水水位埋深为0.5～0.7m，低水位埋深为1.5m。

1.2 地下室结构概况

该工程±0.00相当于绝对标高5.00（吴淞高程），场地地下水属浅层潜水型，勘察期间地下水埋深为0.50～1.50m（相对标高）。

地下室平面上浮区域呈不规则矩形，南北向长约81.0m，东西方向宽约57.6m。地下室为1层现浇钢筋混凝土框架结构，采用梁板式结构布置。地下室顶板顶面标高为-1.50m（相对标高），基础底板顶面标高为-5.60m（相对标高），基础底板厚400mm，主要框架柱截面尺寸为600mm×600mm，柱网尺寸为7.8m×8.1m、8.1m×8.1m，主要框架梁截面尺寸为600mm×1000mm，顶板厚300mm。根据设计要求，地下车库顶板结构完成后覆土厚度为1.5m（设计容重按20kN/m3计算）。

抗拔桩采用边长为300mm的预制方桩，桩长24m。每根桩均为2节，桩型为JAZHb-230-1212[2]。桩顶相对标高为-6.350m，桩尖进入⑤3层粉质黏土。

2 地下室底上浮问题分析

该工程于2016年6月21日，发现地下车库局部出现上浮现象，最大上浮量为165mm。发现地下室上浮后，施工方立即组织采取降水处理措施，使地下室上浮力减小，上浮地下室结构回落。至2016年7月5日，地下室剩余上浮量最大值为20mm。

重点关注初始上浮量≥10mm的18根柱子，经现场实测记录，18根柱子的初始上浮量（2016年6月21日）与最终剩余上浮量（2016年7月5日）汇总如图1所示。

图1 初始上浮量与最终剩余上浮量

通过现场紧急降水处理，使上浮地下室结构回落，但发生的上浮过程已对结构造成一定损伤，经现场调查发现主要有以下结构损伤。

（1）柱身45°斜向开裂，柱身斜裂缝。其中最为严重的2-3/2-R轴柱，从柱底部向上高约0.6m处有45°斜向贯穿裂缝开展，裂缝长1.4m、宽50.0mm。桩身45°斜向裂缝多见于柱身箍筋未加密区，损伤如图2所示。

图2 柱身45°斜裂缝

（2）梁柱节点柱端混凝土局部破损，主要表现在地下1层柱顶梁柱节点核心区，局部混凝土压碎、剥落。损伤如图3所示。

图3 梁柱节点混凝土局部破损

（3）部分柱倾斜。地下1层柱倾斜率为0.0‰～12.7‰，倾斜率大于10.0‰的柱有2根。

通过分析，该项目加固设计包括两部分内容，第一部分为结构损伤修复，以恢复或提高承载能力；第二部分为复核原抗浮设计，若抗浮设计不足或抗浮设计已失效，需采取抗浮加固措施。

3 处理措施

3.1 结构损伤修复

针对该项目结构对应的3种不同损伤，采用合适的加固处理方法，但应先参照《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367—2013）区分不同裂缝宽度，采取相应的措施修补裂缝。

（1）柱身45°斜向开裂，采用柱外包钢加固方法。该方法适用于提高截面承载能力和抗震能力的钢筋混凝土柱及梁的加固，加固后原构件上的混凝土因外包钢+缀板的约束组合变成三向受力的约束混凝土，构件的延性得到提高，且构件截面尺寸增加不多，但承载能力和抗震能力可大幅提高，同时在施工中不需要模板，施工速度较快[3]。

图4 柱钢围套加固

（2）梁柱节点柱端混凝土局部破损，采用柱钢围套加固梁柱节点核心区[4]。柱钢围套加固具体如图4所示。钢围套加固的主要原理是在损伤或既有框架节点核心区的立体式外表面分别张贴单片钢板，其后通过焊接将各单片钢板构成一个外包钢套，钢套与内部框架节点的缝隙采用结构胶或无收缩性水泥灌浆料等予以填充。对于节点加强而言，为保证节点核心区继续满足“强柱弱梁”原则，通常会设置柱包钢板长度大于梁包钢板长度。

（3）柱身倾斜较大，需先植筋入柱，后高强灌浆料竖向修补找平，再进行柱外包钢加固[5]。该种损伤加固原理同第一种柱身45°斜向开裂，先找平倾斜柱面，后外包钢+缀板的约束变成三向受力的约束混凝土，构件的延性得到提高。

3.2 抗浮加固措施

地下室基础底板顶面标高为-5.600m（相对标高），基础底板厚为400mm，地下水位按最后设计地坪下0.5m计算（即相对标高-0.5m），地下水位距地下室底板板底高度为5.5m。以典型3桩承台下（2-7/2-L）桩为计算区格进行计算，单元受力区格为7.8m×8.1m，混凝土容重取25kN/m3。

根据国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2010）第5.4.3条，建筑物基础存在浮力作用时应进行抗浮稳定性计算，基础抗浮性应符合下式要求：

式中：Gk为建筑物自重及压重之和；Nw,k为浮力作用。

该案例计算过程如下：

（2）建筑物自重及压重之和Gk。①混凝土板自重（底板厚度为400mm，顶板厚度为300mm）。②混凝土梁自 重③柱自重（地下1层净高3.1m，柱截面尺寸为600mm×600mm）。④覆土自重（按设计取值，厚度1.5m，容重20kN/m3）。则Gk1+Gk2+Gk3+Gk4=3196kN。每根桩承受的上拔力为Nt=(3474.9×1.05-3196)÷3=151kN＜355kN（单桩抗拔承载力为355kN，已复核原设计），满足单桩抗拔承载力设计要求。

由于地下室上浮时的水位高度资料与桩基质量检测的资料未获得，未对地下室上浮时的工况进行计算。但上浮过程中，认为初始上浮量较大的部位（柱编号3-18）原有桩抗拔已失效，仍采取抗浮加固措施。

加固思路：（1）因不同土层对桩身力学影响不同，为了避免造成计算复杂且造价较高，该项目加固方法取新增加钢管桩长度与原有结构混凝土抗拔桩长度相同，同为24m。（2）考虑抗拔桩特性，通常桩侧摩阻力占单桩抗拔承载力比例较大（该项目原抗拔桩桩侧摩阻力占单桩抗拔承载力约为92%），认为单桩抗拔承载力与桩周长有直接关系。根据等周长代换的原则，确定新加钢管桩结构参数（直径、壁厚），该项目新加钢管桩可取外径245mm、壁厚10mm钢管。

基于以上加固思路，同时考虑原有结构混凝土抗拔桩自重与新增钢管桩自重差，确认新加桩数满足原有桩的力学要求。

以原有承台下2桩为例进行验算。单根原混凝土抗拔桩周长为300×4=1200mm，2根抗拔桩周长为1200×2=2400mm，单根新增钢管桩周长为245×π=769.3mm。2桩需替换钢管桩根数为2400÷769.3=3.11，取3根。考虑桩自重差，取3根满足原有抗拔要求。

同理，可以确定计算承台下3桩、4桩的情况。3桩需替换钢管桩根数为3600÷769.3=4.68，取5根；4桩需替换钢管桩根数为4800÷769.3=6.24，取6根。考虑桩自重差，取6根满足原有抗拔要求。

4 结束语

该项目的完成，为地下室抗浮处理及结构上浮造成的结构损伤等问题提供一种经济、高效的加固处理方法，具有较好的推广效应和使用效果[6]。