既有地下室结构抗浮加固技术探讨

方巽科,吴映栋,王玉松,戚向明

(1.浙江绿城建筑设计有限公司,浙江 杭州 310007；2.浙江省天正设计工程有限公司,浙江 杭州 310005)

随着城市化进程的不断发展和城市用地的日益紧张,建筑也向着高空和地下不断发展。在东南沿海经济发达的城市里,在用地愈发紧张的密集城市中心,结合城市建设和改造开发大型地下空间已成为一种必然趋势,大量的地下多层大底盘地下室不断地涌现。另一方面,在我国的东南沿海地区,软土分布广泛,地下水位普遍处于高位。对于地下水问题带来的若干新课题,在工程实践中不断被提了出来。

在实际工程中,因地下水浮力作用、抗浮措施不当以及在设计施工过程中对地表水和地下水作用估计不足等原因,经常造成地下室结构工程的破坏,使整个建筑物在浮力作用下可能整体或局部浮起,地下水外墙和底板的内应力重新分布,致使底板、梁柱节点或外墙开裂,严重时可能使底板断裂,地下室外墙产生位移。

由于地下室上浮的意外事件大量发生以及大底盘深层地下室的不断涌现,要有效解决地下室结构的抗浮问题,首先必须要对其上浮的各种原因进行全面正确分析,其次是采取针对性的抗浮加固可行措施,所以既有地下室结构的抗浮加固设计及施工问题的研究也就有了现实意义。本文从分析地下室上浮受损机理入手,结合实际工程案例,最终寻求出合理可行的处理措施以及既有结构基础底板的抗浮加固方法,既能提高既有地下室结构的整体抗浮能力,又能提高加固处理的经济性。

1 地下室结构上浮受损机理分析

按地下室抗浮失效机理和破坏形态的不同,将地下室上浮问题分为局部上浮及整体上浮两大类。所谓局部上浮是指建筑结构的总重量大于水浮力,但局部直接承受水浮力部位的自重小于浮力,会造成抗浮承载力不均衡,出现部分结构发生上浮位移；所谓整体上浮是指当地下水浮力大于建筑物的自重,建筑物有可能整体发生向上的位移。

地下室结构上浮引起的受损,主要是因为抗浮承载力不满足要求所致,现对结构的受损机理进行分析如下[1]：

1)对于中间为汽车库两侧为高层住宅的大底盘地下室,底板上浮变形通常表现为：向上隆起的变形中间较大,然后向两侧逐渐减小,板面裂缝多为受拉裂缝。主要原因是因为中间部位竖向荷载较小,当水位达到一定程度的时候,中部某个或多个基础局部范围内抗浮承载力不足,导致该基础上浮,基础的上浮将导致板变形。而这个基础的上浮,将逐渐形成解扣效应,导致相邻基础上浮,进而造成大面积的底板上浮。而两侧长向上部荷载较大,板向上变形较小；中间荷载较小,板的变形较大；进而形成了板中间变形大,向两侧逐渐减小的趋势,当混凝土变形达到一定程度,板顶受拉开裂。

2)从柱受损破坏形态来看,柱的破坏应为受剪、受压共同作用形成的破坏。因为底板和基础上浮,将导致柱上浮,这种情况势必导致顶板也向上变形,而顶板和底板的变形不协调将导致柱受较大的竖向荷载,地下室两边上部住宅荷载的约束使得顶板和底板中间部位变形较大,向两侧逐渐减小,这导致柱受到剪切作用,两个荷载共同作用,导致柱子压、剪破坏。

3)从梁的破坏形态来看,梁的破坏为剪切破坏。基本在上部有住宅的与没有住宅的上部的交接部位的剪切破坏。因为当柱子上移导致的梁向上部移动,而上部有住宅的部分竖向荷载较大,这就限制了梁的变形,导致梁剪切破坏。

4)顶板的破坏应为受弯破坏。当柱上浮,导致板变形,当顶板变形达到一定程度,使得顶板上部混凝土受拉开裂。

2 地下室结构上浮破坏处理措施探讨

当建筑物发生上浮破坏后,首先应采取措施降低地下水位以控制破坏进一步发展,然后进行复位及加固,恢复结构的安全性和耐久性。处理方法很多,如增加自重法(加载)、下拉法(抗拔桩或锚杆)等。这些方案各有利弊,选择的原则是安全可靠、经济合理、技术先进和施工方便,还应根据工程特点、地质情况、场地条件和环境等因素综合考虑,选择最佳的抗浮方案。

2.1 整体复位技术探讨

地下结构上浮后,经加固处理使结构构件达到承载能力的要求,但结构还存在倾斜或残存位移,为保证结构稳定和施工顺利,须采取措施使上浮结构复位。目前常用的复位技术主要有加载、抽水、解压、洗砂等。

2.1.1 加载

地下结构上浮是由于结构自重和各种竖向荷载之和小于地下水浮力而引起的,因此迅速增加结构自重可有效控制结构上浮并使结构沉回原位。办法是通过在上浮结构上放置砂包、铁砂、钢板等密度较大的重物使其下沉复位,此时应注意校核结构的承载力；另一种快速加载的方法是直接往地下室灌水,利用水重加压。

2.1.2 抽水

当结构发生上浮事故后,可采用抽水的方法降低地下水水位,控制结构进一步上浮。立即启动原有降水设备开始降水,并密切关注水位变化,若发现地下水水位未降低或降低不明显,说明原设备降水能力不足,应启用大功率降水设备降水。一般情况下仅靠抽水降低地下水的方法不能使地下室完全复位,需配合加载和洗砂等措施方能奏效。

2.1.3 解压

当由于地质条件、场地或设备原因等无法采用抽水措施降低地下水水位时,可采用解压措施降低地下水水位,即通过在上浮结构底板上凿孔,使底板下的地下水经孔排出,从而解除地下水压力,此时应及时排出汇集于底板上的水。

2.1.4 洗砂

若采用上述三种措施无法达到理想的复位效果时,应考虑采用洗砂作业,即借助高压水冲散阻碍上浮结构下沉的侧壁土和淤积泥沙,并通过污水处理设备将洗砂产生的污水排出。洗砂方法一种是利用高压水扰动地下室侧墙边的土壤,以降低摩擦阻力；另一种是利用高压水经由洗砂孔冲散并洗出基础底板下的泥砂,使地下室顺利下沉复位。

2.2 采用静压H型钢桩技术的探讨

关于地下室结构的抗浮设计思路,主要有釆用抗拔桩和地下室配重平衡法两种方法。然而,对于既有结构地下室而言,采取抗浮预应力管桩、钻孔桩以及压重的措施来提高整体抗浮能力,由于受地下室空间的限制,显然是不现实的。从目前常规有效采用的技术来看,主要为静压锚杆的方式,但是出现的问题也是很多。

2.2.1 H型钢桩的特点

桩在无地震作用下,只需满足抗压要求,即通常说的单桩承载力,但在有地震条件下,还要满足抗拔要求(上下震动时)及抗剪要求(水平震动时),而只有钢类桩能满足后两种要求,比如H型钢桩具有良好的抗震性能。H型钢是钢结构工程中最常用的一种经济断面钢材,其腹板与两翼缘相垂直,翼缘内外两侧相互平行,棱角分明,故又被称为“平行腿工字钢”,型钢桩具有如下特点：

1)沉桩贯入能力强：H型钢桩断面小,具有挤压土体积小、穿透力强的特点；

2)价格便宜：钢管桩的生产时由钢板卷焊而成的,而H型钢桩可一次轧制而成,在价格上约低40%；

3)易拼接：H型钢桩的拼接,可采用两面焊接,既可提高接头施工效率,又可保证接头强度不低于桩身强度。

2.2.2 H型钢桩的施工技术探讨

H型钢桩通常是宽翼缘截面且翼缘与腹板是同厚的,这种特殊的截面是专门为承受剧烈的打入应力而设计的,H型钢桩在打入过程中可能会出现绕其弱轴弯曲的问题。这就要求在沉桩过程中,严密监测,严格控制质量[2]。

钢桩的对接通常可采用焊接(最普遍)或螺栓连接。除了仅涉及少数桩的小工程外,大部分拼接都是通过预制拼接连接件来完成。对于H型钢桩,接头处应连接加强板,将2个足够长度的槽钢背对背放置与桩腹板焊接,然后将桩翼缘与端面焊在一起以完成拼接。通常,为满足大部分建筑规范的需要,这些拼接需增加桩的压、拉、弯和剪的强度。

2.2.3 H型钢桩与既有结构基础底板的连接探讨

在设计桩与基础底板的连接节点时,应根据地基条件、结构形式、基础形状大小及桩的种类选用可靠的连接方式,在进行结构计算时,还要对细部构造做慎重处理。在确定连接方式及细部构造前,设计人员应假定出桩头的连接条件,桩头的连接条件一般有固定(刚性节点)和铰接(铰接节点)两种。桩与基础底板连接类型的特点如下所示[3-4]。

1)固定桩头的特点：与铰接桩头相比,超静定次数高,增大了抗震安全度；与铰接桩头相比,由于水平外荷载引起的桩顶水平变位较小,在承台不出现转角的情况下,仅为铰接接头的1/2；桩身的最大弯矩比铰接大,但产生的弯矩的范围小。在相同水平力作用下,承台不出现转角时,桩身应力约为铰接的1.55倍；细部结构易使桩头达到刚接固定要求,故实际工程中应用较多。

2)铰接桩头的特点：与固定桩头相比,超静定次数少；水平荷载下,桩头的水平位移比刚接大,约为刚接的2倍。桩的水平位移受到限制时,容许荷载约为刚接的1/2；桩身最大弯矩较固定桩头小,接头部位一般不产生弯矩。

根据桩头的连接特点,采用何种连接方式可由设计人员视情况而定。例如在公路桥等构筑物中,一般对水平变位控制较严,故多采用刚接；而一般建筑物对控制水平变位要求不严,通常用铰接。本项目研究采用静压H型钢技术,主要是为了增加结构地下室的整体抗浮能力,以承受竖向拉力为主,故采用铰接桩头较为经济合理。

3 工程案例实施

3.1 工程概况

本工程位于台州市学院路,由18层左右的主楼和单层地下室构成,主楼以外的地下室上部为绿化场地,由于地下室本身荷重较轻,考虑顶板1.5 m覆土后,设计上仍采取了相应的抗浮设计。截至2015年7月份,主楼已经结顶,地下室的所有后浇带均已封闭完毕,但A-H～A-P轴/A-41～A-46轴区域尚未完成地下室顶板上的覆土回填。

2015年7月11日,9号超强台风“灿鸿”在浙江省舟山朱家尖登陆,致使台州连降大雨,地下水位骤升,从而导致了尚未完成顶板覆土回填的A-H～A-P轴/A-41～A-46轴区域地下室上浮变形,最大的上浮值超过了200 mm。事故发生后,业主方与监理方紧急召集施工方商讨处理对策,采取了底板开孔降水及车库顶板回填部分土的措施,完成了降水和土方回填工作,实现了地下室的迫降纠偏,最大迫降值达140 mm左右,表明取得了显著的“纠偏”效果；但是,相应的地下室结构也明显受损,尤其是发现柱子开裂较多、地下室底板起拱明显、地下室底板的渗漏点增加等等。鉴于上浮变形引发的一系列工程问题,故必须对此施行综合处理,消除工程隐患,确保地下室的结构安全和正常使用。

3.2 工程现状特点分析

1)本次工程事故主要原因:施工期间在地下室抗浮措施未按设计要求采取的情况下,遭遇连降大雨而发生部分结构上浮受损。总体看来,变形受损的构件尚处于可加固修复阶段,在结构上拱变形方面表现出地下室良好的整体性能和空间作用。

2)本区域工程桩均为既抗拔又抗拉的双向受力桩,其抗拔特征值基本取决于竖向配筋量,故初步认为,在上浮变形中,桩体不会发生整体上拔破坏,而是推断为桩与承台的连接钢筋屈服或者断裂,包括引起桩上端局部混凝土桩体开裂破坏。

3)本区域的地下室结构经历了多次上浮和迫降交替变形历程,使部分梁、柱、底板构件有一定程度的开裂,底板渗漏点较多,需采取相应有效的加固措施。

3.3 既有结构基础底板上增补抗拔H型钢桩的技术方案实施

考虑到施工可行性及现场进度要求,本工程基础抗浮加固采取了增补抗拔H型钢桩技术,见图1、图2。最终效果良好,赢得了建设单位的充分认可,具体实施如下：

图1 压桩孔定位示意图

图2 剖面详图

1)既有结构基础底板上开压桩孔,通过压桩孔,把H型钢桩压入既有结构基础底板下的地基土内,压桩完成后通过压桩孔进行封桩施工。

2)H型钢桩顶部焊接桩顶连接钢筋, 以保证H型钢桩与既有结构基础底板之间的有效传力。

3)开孔后的既有结构基础底板与后浇混凝土墩在新老混凝土交界面处进行凿毛和套浆,去除原有混凝土中的疏松、破损及表面碳化层,并种植界面构造钢筋,以保证新老混凝土的有效连接。

4)后浇混凝土墩与既有结构基础底板底部的地基土接触部位设置砖胎膜,并采用微膨胀早强混凝土进行浇筑,以保证后浇混凝土墩的浇筑质量。

5)截断后的既有结构基础底板底筋上焊接底板底部补强钢筋,截断后的既有结构基础底板顶筋上焊接底板顶部补强钢筋,以保证既有结构基础底板的承载力不降低。

6)H型钢桩在节间连接时,翼缘直接进行焊接,腹板采用连接板进行焊接连接,以保证H型钢桩在节间的有效连接强度。

4 结 语

本文探讨的在既有结构基础底板上增补抗拔H型钢桩的方法,与传统技术相比,具有如下有益效果：

1)H型钢桩断面小,挤压土体积小,沉桩贯入能力强,承载力高,易拼接。H型钢桩与传统桩基相比,具有轻质、抗震延性好、高强度、能耗低、取材便捷等诸多优点；

2)无须对既有结构进行构件拆除,对既有结构损伤少,并且无须中断既有建筑的正常功能使用；

3)充分利用既有结构具备一定承载能力的特点,无须进行临时性的施工安全支撑措施,不仅降低了施工成本,还提高了施工效率；

4)通过新老混凝土交界面处理,并设置界面构造钢筋,保证了新老混凝土的有效连接。