地下车库上浮失稳成因研究与加固

王宇阳，王宁伟，温华兴

(1.沈阳建筑大学 土木工程学院,辽宁 沈阳 110168；2.中冶沈勘工程技术有限公司，辽宁 沈阳 110016)



地下车库上浮失稳成因研究与加固

王宇阳1,2，王宁伟1，温华兴1

(1.沈阳建筑大学 土木工程学院,辽宁 沈阳 110168；2.中冶沈勘工程技术有限公司，辽宁 沈阳 110016)

摘要：由于近些年地下工程的施工深度不断增加，关于地下工程的抗浮设计与施工却没有明确的规范可寻,因而由于抗浮水位确定偏差以及设计和施工处理不当等因素造成地下工程上浮失稳，地下室底板及柱子出现裂缝的工程事故时有发生。从多方面对工程上浮失稳实例进行研究，分析事故发生的原因，提出加固处理措施，并取得了较好的效果。

关键词：上浮失稳；加固；地下车库；抗浮锚杆

随着城市建设的不断发展，为了充分利用城市用地，现代建筑在不断增高的同时，也在向地下空间拓展。由于地下室越挖越深，为平衡地下水浮力所产生的抗浮问题就日益突出。在一些地下工程中由于抗浮设计和施工处理不当，导致工程上浮失稳，严重影响建筑物的安全及正常使用。很多学者都针对地下工程的上浮失稳现象做了研究，郭峰涛[1]依据工程实例，主要针对地下工程中局部抗浮与整体抗浮的方面展开研究。郑刚要、张书江[2]对地下室抗浮设计进行研究，通过研究给出了一些抗浮公式。冷利浩[3]将现行不同规范关于锚杆设计的规定进行对比分析，从而对未来工程中抗浮锚杆的设计提供参考。陈政治[4]针对地下建筑抗浮问题对地下工程中涉及的勘察、设计以及施工进行了全方位的研究以确保抗浮锚杆使用的合理性。

本文通过对丹东某工程地下车库上浮失稳事故的原因分析研究并进行加固处理，取得了良好效果，可供类似工程借鉴。

1　工程概况

丹东某地下一层车库，层高为4.2 m，规划室外标高为12.5 m，地下室底板底标高约为6.8 m(绝对标高)。工程基础位于地下水位以下，场地岩土种类较多，不均匀，性质变化较大。工程采用筏板基础。工程竣工后由于经历一场大暴雨，地下室开始逐渐呈现上浮失稳的现象，最终造成整体上浮失稳，局部上浮位移较大。

施工场地高差变化不大，绝对标高在12.32 m～12.67 m，为低丘地貌。

第一层杂填土：灰色，松散，干，主要由建筑垃圾毛石砂土组成。成分不均匀，新近回填，欠固结。其中，硬质物含量约为20%～40%。钻探揭露厚度为1.1 m～2.6 m。

第二层砾质粘性土：黄褐色，粘性土硬塑状态，有光泽，韧性、干强度强，含少量氧化铁质。角砾平均粒径2 mm～3 mm,呈棱角状，风化较明显，含量约占20%，该层分布不连续，钻探揭露底层厚0.9 m～1.4 m。承载力特征值为170 kPa。

第三层粗砂：灰褐色，主要矿物成分为长石，石英，含多量粘性土，湿～饱水，稍密状态。该层分布不连续，钻探揭露层厚0.5 m～1.6 m。承载力特征值为160 kPa。变形模量E0=12 MPa。内摩擦角标准值为ψ=30°。

第四层碎石混粘性土：黄褐色，碎石呈棱角状，一般粒径为1 cm～3 cm，最大粒径为5 cm，大于2 cm粒径质量超过全重的50%,成分为中等风化的硬质岩石，裂隙中含水，稍密状态。混多量粘性土，黄褐色，可塑状态，局部流塑状态。该层全场地分布，钻探揭露厚度为2.0 m～5.1 m。承载力特征值为300 kPa。变形模量E0=37 MPa。内摩擦角标准值为ψ=38°。该层为建筑物的持力层。

第五层强风化云母片岩：黄褐色，结构大部分破坏，风化裂隙很发育，呈碎块状，矿物成分已显著变化，少部分长石、云母等已经风化为粘土矿物。锤击声不清脆，有凹痕，轻微回弹，冲击钻进入困难，为软岩。该层全场地分布，钻探揭露层厚为1.8 m～3.1 m。承载力特征值为500 kPa。

场地的地下水主要为杂填土层中的上层滞水及粗砂、碎石混粘土层中的地下潜水。主要补给来源为大气降水及周边某河水侧向补给。经测得初见水位距自然地面1.7 m～2.9 m,混合稳定水位距自然地面1.8 m～2.7 m(勘探孔孔口标高算起)。地下水年变幅据经验估计约为1 m～2 m。

2　地下室破坏特征

最初地下室车库底板有隆起现象,选取一个上浮量最小的点设为零点，地下室局部最大相对于该零点的上浮量高达260 mm,上浮位置大部分位于柱子的底部和根部附近。

图1为地下室底板上浮的三维效果图。图1是依据地下室底板上浮的相对位移画制而成的，首先选取上浮最小的点设为零点，其它点的上浮量均为相对于该点的相对位移量，由图1可以清楚的看出，地下室底板从左向右上浮量逐渐增加。最终发展成地下室底板大面积上浮,图中地下室底板右边翘起。图2为与三维效果图对视的等高图。图2是与图1相对应的等高图。由图2可明显看出，位移沿图从左至右是逐渐增大的，可以看出地下室底板具体位置上浮量的大小。中间区域为上浮最小的位置。

图1地下室上浮的三维效果图

图2与三维效果图对应的等高图

由于地下室车库底板受力是不均匀的，因而会使地下室车库中局部构件的受力不均而开裂。

由图3和图4可以看出上浮失稳使得柱子和产生明显的裂隙。地下室车库的底板同样也出现了一定程度的裂缝。

图3现场柱子破坏图

图4现场柱梁破坏图

3　建筑物上浮失稳原因

3.1勘察设计方面

本工程上浮失稳的主要原因是对地下水位的高度估计不足[5]。勘察报告中一般给出的抗浮水位有以下三种：近3～5年的地下水位、勘察期间的水位、该地段的历史最高水位。依据规范[6]规定，工程的采用的抗浮水位可以为经过长期观测所得到的最高水位；如果缺乏长期观测水位，工程可以结合实际工程地质以及地下水环境采用勘察期间所测得的最高稳定水位并考虑拟建建筑物的特点综合确定抗浮设防水位[5]。但由于该水位不但与地下水的天然赋存条件，地层等级，降雨量以及气候变化有关，而且还受地下水开采利用和周边建筑对地下水的降排以及地下水的回升有关。因而问题非常复杂。有时往往很难做到精准。本地下工程设计依据的地下水位为勘察报告给出的经验水位，并未考虑到突降暴雨的情况，因而当暴雨造成地下水位忽然升高时，地下室自身重量无法抵抗地下水所产生的浮力，使得地下室上浮失稳[7]。

3.2施工方面

在该工程完工之后，该地区进入了雨季，连续下了几场暴雨导致降水渗入地下室外墙与基坑开挖之间回填土层的孔隙中，进而进入持力层与垫层中的空隙中，致使地表水大量汇集到回填土中，由于回填土没有分层夯实，并且多数回填土不是粘性土，有着很强的透水性。地表水通过这样的方式大量渗入到地下室底板下，导致底板下的积水一时无法排出，当这种积水多到一定的程度，使得地下车库底板无法承受积水所产生的附加应力时，地下室的底板就会开裂。随着积水的进一步增加，当地下水浮力不断的加大，依据阿基米德原理，当地下水浮力大于地下车库的重量的时候，地下车库就会整体上浮。因为地下车库不同地方受力以及重量的不同，各点上浮力不同，从而造成梁、板、柱受到不同程度的变形，开裂。

4　地下室抗浮加固

4.1抗浮加固措施

根据该地区类似工程经验，采用抗浮锚杆可以较为安全有效的抵抗地下水对地下建筑物造成的浮力[1]。由于该场地基础持力层为碎石粘性土，其中大量的中风化硬质岩石如果使用抗浮桩进行加固则会大大提高工程的成本，如果遇到较为坚硬的地层则会增大施工的难度，而采用抗浮锚杆则较容易的解决了这方面的问题，降低工程的成本。所以综合考虑，该项目最终采用抗浮锚杆处理地下室车库上浮失稳的问题[1]。由于该工程层高对施工条件的限制，因而抗浮锚杆杆体采用锚索进行加固。

4.2抗浮锚杆的设计

首先依据阿基米德原理对于工程进行整体的有效水浮力计算，并依此对抗浮锚杆进行设计[1]。

(1)地下水浮力：

该工程的地下室底板面积为1 290 m2，由勘察报告可知，地下室底板的相对标高为-5.7 m,地下水位标高为-1.7 m。地下室底板厚度为500 mm。则抗浮锚杆承受的荷载为：

qf=γwhS-γGGS=49 665 kN

(1)

(2)锚杆的设计

依据规范[8]可知

Rk=πd∑qsk,ili

(2)

式中：Rk为锚杆极限抗拔承载力标准值(kN)；d为锚杆的锚固体直径(m)；li为锚杆的锚固段在第i层土中的长度(m)；qsk,i锚固体与第i土层的极限粘结强度标准值(kPa)。

因此本工程有[9]

Rk=πd∑qsk,ili=593.46 kN

(3)

则

(4)

式中：Nk为锚杆的轴向拉力标准值(kN)；Kt为锚杆的抗拔安全系数；安全等级为二级、三级的工程，Kt分别不应小于1.6、1.4。

因而为了保证工程质量本工程的Nk取350 kN。

依据规范[10]对本工程的抗浮锚杆进行设计。抗浮锚杆单根锚杆抗拔承载力特征值350 kN。因而依据规范，应当至少布142根抗浮锚杆，本工程设计采用150根抗浮锚杆均匀布置于地下室底板。单根锚杆抗拔承载力设计值为Nt：

Nt=γq×Nk=455 kN

(5)

式中：Nk为锚杆轴向拉力标准值(kN)；Nt为锚杆轴向拉力设计值(kN)；γq为荷载的分项系数，取1.3。

采用直径为150 mm的锚杆，依据规范则杆体截面积为[11]：

(6)

式中：As为锚杆杆体截面积(mm2)；Kt为锚杆杆体抗拉安全系数，钢绞线临时锚杆安全系数取1.6，永久锚杆取1.8。Nt为锚杆的轴向拉力设计值(kN)；fptk钢绞线抗拉强度标准值(kPa)。

因此依据规范可以求得，工程锚杆杆体的截面积为：

(7)

因而本工程抗浮锚杆的截面积取0.45 m2。

锚杆或单元锚杆的锚固长度可按下式估算，并且取其较大值：

(8)

(9)

式中：k为锚杆锚固体的抗拔安全系数，对于危害较大但不至于出现公共安全问题的临时锚杆安全系数取1.6，永久锚杆取1.8。Nt为锚杆或单元锚杆的轴向拉力设计值(kN)；La为锚杆锚固段长度(m)；fmg为锚固段注浆体预地层间的粘结强度标准值(kPa)；fms为锚固段注浆体与筋体间的粘结强度标准值(kPa)；D为锚杆锚固段钻孔直径(mm)；d为钢筋或钢绞线的直径(mm)；ξ为采用2根或2根以上钢筋或钢绞线时，界面的粘结强度降低系数0.6～0.85；φ为锚固长度对粘结强度的影响系数；n为钢筋或钢绞线的根数。

依据式(8)与式(9)可以得到：

(10)

(11)

由式(10)与式(11)分析并结合工程实际安全需要，本工程抗浮锚杆锚固段设计长度为9 m。

4.3抗浮锚杆的施工

与一般地基基础所采用的抗浮锚杆施工的施工不同，这种对现有建筑上浮失稳事故进行室内地下底板加固由于要针对现有工程的条件进行施工，因而施工难度大大增加。首先需要根据地下室的层高对工程所需要的设备进行调整，并且对地下室钻孔而产生的泥浆要采取处理措施。地下室作为一个封闭空间，需要对于钻机等施工机械所排出的气体采取排风措施将其排出[12]。

根据规范[10]和类似工程的施工经验[13]，抗浮锚杆的施工顺序为：首先进行钻孔，在钻孔之前对孔位进行放点，确定孔位之后再进行施工，钻孔倾斜度不得大于1%。冲洗钻孔孔位，至清水流出；第二安装锚杆，按放锚杆时要沿着钻孔的方向放入孔中，同时放入注浆管，放入其中的钢绞线要经过除锈处理。 按放锚杆时，要让锚杆高出地面1 m～2 m,为锚具的安装留出位置。在锚杆防腐方面可以采用锚固体中的水泥砂浆将锚杆杆体封闭的方法进行锚杆杆体的防腐，而对于抗浮锚杆自由段以上的杆体可采用涂上防腐材料的方法进行防腐；第三注浆，注浆材料采用普通硅酸盐水泥在一定的水灰比下配成水泥砂浆。根据工程的需要可以加入一些外加剂以提高水泥砂浆的性能。注浆采用孔底返浆法，这种方法是采用压浆技术将水泥注入孔中之后当水泥充满孔之后将孔内泥浆挤出的一种施工技术。注浆采用二次注浆的方法，当第一次注浆初凝后，再进行二次高压注浆；第四张拉锁定，待抗浮锚杆的锚固体达到一定的强度时对抗浮锚杆进行张拉，对抗浮锚杆杆体进行1.1～1.2倍的设计轴向拉力的张拉并且保持15 min后卸荷至锁定荷载对抗浮锚杆进行锁定。待覆土完毕要对抗浮锚杆进行复张拉；第五验收试验[14]，工程完工后要对抗浮锚杆进行验收试验，验证抗浮锚杆的稳定性确保工程的安全[12]。

4.4结构加固

根据规范要求，本地下车库工程混凝土柱、梁、板和墙由于地下室地板上浮失稳造成多处地方开裂，损伤。因而需根据不同部位不同的损伤程度分别进行分析处理。

(1)地下室楼顶板

其中梁和楼板多处由于地下室的上浮造成开裂[15]，严重影响构件的承载力，需要进行承载力损失分析并及时加固。对于开裂问题较轻构件则只需对裂缝进行修复处理[12]。

(2)地下室柱

对于地下室底板的抗浮锚杆进行覆土和张拉后仅发现少数柱子的裂缝宽度有所收窄，说明结构变形通过这种方法得到了复位[12]。对于柱子裂缝较大的地方需进行注浆修复，提高柱子的刚度以及承载力[16]。

(3)地下室底板

地下室底板由于地下水的不均匀浮力的作用下造成多处严重开裂，但由于开始地下室装满水以及锚索施工时泥泞无法对底板进行检测，所以要等到锚索施工完毕封锚并对地下室进行清洗后再对底板进行检测。发现底板严重开裂，需对其进行注浆修复，严重的地区需增加钢筋以保证地下室底板的承载力[12]。

5　结　语

经过一年的观测，该工程没有再出现上浮失稳的现象，已经基本稳定。

通过本次工程可以发现，在类似工程设计施工阶段：

首先，勘察单位应充分考虑地下工程施工和使用阶段地下水的变化情况，不能单独的依据一种抗浮水位来确定抗浮地下水位，否则一旦出现大暴雨等大幅度增加地下水位的情况时，往往会造成地下室的上浮失稳。

其次，施工单位在施工时应当做好施工现场的排降水，对于基坑回填土应按设计的要求做到分层夯实。确保不会因为由于土质松软使得地下水渗入导致结构失稳。

今后类似工程，通过从勘察、设计、施工等多方面的完善，可以防止此类上浮失稳现象的再度发生。

参考文献：

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ResearchandReinforcementofUndergroundGarageFloatingInstability

WANG Yu-yang1,2,WANG Ning-wei1,WEN Hua-xing1

(1.SchoolofCivilEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang,Liaoning110168,China;2.ShenKanEngineering&TechnologyCorporation,MCC,Shenyang,Liaoning110016,China)

Abstract：Recently,the depth of underground engineering constructions keeps increasing,while the anti-floating design and construction of underground structures have no clear specifications to follow.As a result,the floating instability of underground structures occurs frequently and the cracks appear on the floor of the basement and the surface of the pillars,due to the biased determination of water level,the mishandling of anti-floating design and construction,and other factors.The research of the floating instability of underground projects were conducted from multiple respects,and the reinforcement measures were proposed based on the analysis of the reasons which caused the accidents.These measures were proven satisfactory through pratice.

Keywords：floating instability;reinforcement;underground garage;anti-floating anchor

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.013

中图分类号：TU94+3.9

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0069—05

作者简介：王宇阳(1987—)，女，辽宁沈阳人，硕士研究生，研究方向为软土地区的地基加固处理。

收稿日期：2014-08-20修稿日期：2014-09-23