某工程地下室上浮开裂损伤特征与加固措施研究*

李泽泽，张炳焜，张明明

(四川省建筑科学研究院有限公司，四川 成都 610081)

1 工程概况

1.1 建筑结构概况

某工程位于成都市郫都区犀浦镇，由8栋26，28层高层住宅楼和1栋2层商业楼组成。地下室共2层，其主楼区域采用钢筋混凝土剪力墙结构，基础形式为筏板；其余区域(纯地下室区域)采用钢筋混凝土框架结构，基础形式为柱下独立柱基加抗水板，并设置抗浮锚杆。

1.2 场地工程地质与水文地质条件

根据勘察资料，场地钻探深度范围内的土层自上而下划分为第四系全新统杂填土层、第四系全新统粉土层及砂卵石层，其中砂卵石层又可根据土质类别、性质、状态及颗粒组成等划分为5个亚层，即中砂层、松散卵石层、稍密卵石层、中密卵石层及密实卵石层。

场地内地下水主要为赋存于杂填土层、粉土层中的上层滞水和砂卵石层中的孔隙潜水，主要受大气降水、地表水、场区旁沟渠水及上游地下水等渗透补给，水位变化受季节控制，年变化幅度为1.5～2.0m。勘察期间属枯水期，测得地下水位埋深一般为8.0～9.2m，绝对标高为521.400～522.750m。场地北侧靠近沟渠地段受沟渠水影响，3个地下水位测点埋深分别为1.5，1.75，2.0m，绝对标高分别为529.120，528.710，528.560m。

1.3 抗浮设计情况

本工程±0.000m标高相当于绝对标高531.200m，地下室顶板板面标高主要为-1.500m，抗水板板面标高为-9.700m，抗浮设计水位标高为-2.200m，绝对标高为529.000m(低于勘察期间个别钻孔静止水位)。

该地下室基础持力层为稍密卵石层，地基承载力特征值为350kPa。筏板设计厚度为1 400mm，主要配筋为双层双向钢筋φ22@180。抗水板设计厚度为400mm，配筋为双层双向钢筋φ14@150。

抗浮措施为地下室顶板覆土配重+抗浮锚杆，基坑肥槽回填土分层回填夯实，填土不得含有杂质和粒径>50mm的土块，填土密实度>95%。地下室顶板内庭覆土厚度为1 200mm，商业楼区域覆土厚度为600mm(容重≥18kN/m3)。抗浮锚杆纵、横向间距均为1 800mm，锚固体直径为150mm，锚入地层的锚固段长度为7.6m，锚入底板的锚固段长度为0.7m，单根抗浮锚杆轴向拉力设计值为129.6kN，孔内设置2根φ20 HRB400钢筋。

2 地下室上浮开裂损伤特征

纯地下室部分发生上浮，框架柱、框架梁、现浇楼板、人防墙、填充墙、底板均出现了不同程度的开裂损伤。

2.1 框架柱开裂损伤

1)柱脚、柱顶

经查，该地下室部分框架柱柱脚或柱顶一侧混凝土局部被压酥，个别位置混凝土鼓出、剥落。柱脚、柱顶出现水平裂缝，主要表现为柱脚、柱顶同时或单独出现1条或多条水平裂缝，一侧混凝土被压酥的框架柱另一侧出现水平裂缝。在柱脚及柱顶同时出现裂缝的框架柱中，柱顶裂缝出现在柱脚裂缝的对侧。柱顶水平裂缝主要位于梁柱节点处梁底面以下800mm范围内，裂缝宽度为0.05～2.00mm(见图1)；柱脚水平裂缝位于距楼板(抗水板)900mm范围内，裂缝宽度为0.05～1.50mm。

2)柱身

柱身混凝土被压碎，且钢筋局部屈曲，如图2所示。

图2 柱身破坏

2.2 框架梁开裂损伤

地下室框架梁在靠近梁柱节点附近出现裂缝，包括梁端斜裂缝和U形裂缝。地下1层框架梁端部侧面出现1，2条斜裂缝，裂缝高端指向梁端或跨中，裂缝宽度为0.10～0.15mm。地下1层局部区域梁底出现4条裂缝，并向梁侧面延伸形成U形裂缝，裂缝宽度为0.25mm。

2.3 现浇楼板开裂损伤

现浇楼板出现从柱角沿楼板对角线方向开展的发散状裂缝(部分已修补)，部分裂缝沿板厚贯穿楼板，板底裂缝宽度为0.05～0.20mm(见图3)。

图3 现浇楼板发散状裂缝

2.4 人防墙及填充墙开裂损伤

人防墙及填充墙出现1条或多条水平、斜向分布的裂缝，裂缝宽度为0.20～2.00mm(见图4)。

图4 墙体裂缝

2.5 底板开裂损伤

地下室底板主要表现为地坪找平层开裂，少数为抗水板结构层开裂，裂缝主要包括板内大致平行于轴线方向或沿对角线方向开展的裂缝及板内不规则分布的裂缝(见图5)。

图5 底板裂缝

降雨后发现纯地下室部分出现上浮现象，为此在地下室底板钻孔泄压。监测发现30d后地下室底板上拱变形有一定程度的回落，但仍存在一定程度的上拱，底板与防水保护层脱开，最大上拱量(含施工误差)为140.9mm(见图6)。

图6 地下室底板上拱

3 地下室结构裂缝发育演化过程与成因分析

由于地下室外侧承重墙承受周围土体侧向摩阻力，且受主楼压重效应影响，地下室外侧墙体及主楼部分未发生上浮变形。当地下室底板受到的浮力作用大于结构自身抗浮能力时，形成类似于四周固支的双向板受力模式。由于浮力为面布荷载，底板底部承受较大的水浮力而向上隆起变形，底板与框架柱节点部位由于变形而产生向上的应力，对框架柱形成向上的作用力，框架柱通过变形等方式将应力传至上部结构框架梁及楼板，使结构整体受损。因此，在整个裂缝发育过程中，底板裂缝是最早发育的，然后变形传至各刚性节点及框架柱上，使其开裂，最后导致顶板及顶梁隆起。

由地下室底板变形调查结果可知，上浮损伤现象主要出现在纯地下室部分，而主楼部分未见，原因如下：①主楼荷载远大于水浮力，变形均为竖直向下，差异变形小，实际水位虽较设计水位高，但由于主楼采用筏板基础，筏板厚度大，且配筋足以承受实际的水浮力，因此主楼部分底板无上浮损伤现象；②纯地下室部分抗水板承受面布的水浮力，使纯地下室上浮，并产生附加弯矩及剪力，由此产生的应力超过混凝土抗拉强度，造成该部位框架柱、框架梁及楼板开裂变形。由于抗水板及框架柱在上浮过程中引起的竖向差异变形过大，即附加内力过大，造成部分人防墙产生不均匀上浮变形，从而产生45°斜裂缝，同时由于框架梁变形的牵拉作用，使梁、柱发生相对倾斜，导致柱顶、柱脚节点处开裂和压曲，进而使框架柱开裂、混凝土被压酥，因此裂缝多发生在建筑物主要受力构件梁、柱的节点上。

4 现场情况调查

经现场调查，地下室上浮事故发生时，地下室及上部主楼主体已基本完工，建筑外侧降水井停止降水，地下室顶板尚未覆土，挡土墙外侧已回填，挡土墙外侧周边地面未进行全面硬化处理。

为了解基坑肥槽回填土情况，在基坑四周回填土区域开展钻探工作。经现场钻探揭露，回填土均为杂填土，由碎石、砂土、砖瓦碎块、卵石等组成。该层土均匀性差，结构松散，透水性强，回填土填料成分不满足设计要求。

5 地下室上浮原因分析

本次上浮事故原因复杂，既有场地处于低洼地带、排水困难、地下水补径排条件发生较大变化等客观因素，也有地下室顶板覆土尚未施工、降水井提前停止降水、基坑肥槽土回填质量不满足设计要求等主观因素。

1)本工程地下室处于周边场地地势相对较低处，暴雨期间，场地内汇水量大，且场地西侧排洪渠堵塞，进一步导致了场地汇水无法排出。

2)地下室上浮期间，场地内地下水位已超过地下停车场入口标高，且超过勘察报告提供的抗浮水位。

3)地下室顶板覆土尚未施工，地下结构抗浮能力未达到设计要求时，基坑周边管井提前停止降水。

4)建筑物周边地面未硬化封闭，基坑肥槽土为杂填土，结构松散，透水性强，成为地表水进入地下室底板的通道。

以上原因使暴雨期间大气降水及周边沟渠水短时间内流入基底，无法排走，导致一定时间内场地地下水位超过抗浮设计水位，地下水产生的浮力超过地下室抗浮能力。

6 地下室抗浮与加固处理

6.1 抗浮与加固处理内容

1)采取有关措施确保场地内地下水位低于抗浮设计水位。

2)对于抗浮锚杆已失效的区域，重新进行抗浮设计及施工。

3)对地下室抗水板因上浮产生的裂缝及损伤进行加固处理。

6.2 抗浮与加固处理方法

目前，常采用配重抗浮、锚固抗浮、疏排泄压进行地下抗浮设计。针对场地地形条件及实际情况，本工程采用疏排地表水+锚固抗浮的方式进行抗浮处理。

1)配合市政排水、河道治理等工程，对场地内地下水的主要补给来源河道进行迁改。

2)对场地内堵塞的排水沟进行全面疏通，确保排水通畅。

3)对于抗浮锚杆已失效的区域，重新进行抗浮设计及施工。

4)恢复基坑管井降水措施，直至地下结构抗浮能力满足设计要求。

5)对建筑场地周边地坪进行硬化封闭处理，防止地表水通过肥槽进入地下室底板以下。

6.3 抗浮锚杆加固设计

考虑地下室层高限制，采用抗浮锚杆对原抗浮措施进行加固，锚筋采用钢绞线，利用专用锚具将锚头锚固在抗水板内(见图7)。为提高单根锚杆抗拔承载力，尽量增大锚杆布置间距及单根锚杆长度。

图7 抗浮锚杆加固示意

6.4 地下结构加固处理

抗浮处理完成后，地下结构短期内的内力调整受周期性变水位的浮力作用影响，因此采用柔性加固方法对未破坏的柱进行加固，以提高其变形能力。在提高柱整体性和承载力的同时，利用加固材料的柔性和高强度，允许结构在应力调整过程中产生一定变形，从而避免发生脆性破坏。

1)采用Ⅳ类二次灌浆料对泄水钻孔进行封闭处理(见图8)。

图8 泄水钻孔封闭处理

2)对抗水板、楼板、梁、柱及剪力墙裂缝进行封闭处理后，采用碳纤维布进行加固修复(见图9～11)。

图9 楼板裂缝粘贴碳纤维布加固示意

图10 梁底裂缝粘贴碳纤维布加固示意

图11 柱端、柱脚裂缝粘贴碳纤维布加固示意

3)对于上拱变形导致混凝土局部被压酥的框架柱，进行混凝土置换处理，并粘贴碳纤维布进行加固修复(见图12，13)。

图12 框架柱局部混凝土置换加固示意

图13 框架柱混凝土置换后粘贴碳纤维布加固示意

7 结语

本工程经加固处理后，至目前地下室结构未出现上浮及开裂现象，表明加固效果良好，加固后的结构满足抗浮设计要求。

1)抗浮事故发生时，第一时间在地下室底板上钻孔泄压，可在最大程度上保护主体结构，避免造成更大的损失。

2)地下结构上浮开裂损伤特征主要表现为框架柱偏心受压导致混凝土被压酥或开裂，框架梁、楼板、抗水板受弯开裂。

3)受场地及施工条件限制，地基基础加固处理措施选择有限，地基基础加固处理难度及造价远高于上部主体结构。

4)抗浮锚杆锚筋可采用钢绞线，以适应地下室内部作业要求，也可施加预应力，增强抗浮效果。

5)除对地下结构进行加固补强外，应重视对场地周边地表水补给排设施的维护，减少地下室区域的汇水，确保场地地表水可顺利排出。