超大地下室施工期抗浮破坏机理分析与应对思考

王海东，罗雨佳

超大地下室施工期抗浮破坏机理分析与应对思考

王海东1, 2，罗雨佳1

(1. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2. 湖南大学 建筑安全与节能教育部重点实验室，湖南 长沙 410082)

针对近年地下室特别是超大地下室抗浮失效事故屡见不鲜，而且大多数事故发生在施工期的问题，其破坏机理及应对受到广泛关注。以长沙某住宅小区超大地下室短时间内连续发生2次抗浮事故为例，通过OpenSees模拟计算及现场检测结果验证，分析抗浮破坏机理，得到事故发生的主要原因。在应对中，建议在设计中按不同地质情况不同施工状态确定抗浮设防水位，并提出结合BIM技术与实时地下水位监测结果建立施工期地下水位预警机制，以达到处理措施到位，为今后的类似工程提供指导。

地下室；不透水层；上浮；事故分析；水位反复变化

在我国城市发展的过程中，带有超大地下室的建筑已成为主流，且现阶段的抗浮设计主要以历史最高地下水位和完工状态为依据。王海东等[1]对高层住宅建筑的地下室上浮事故进行了分析，介绍了压重和排水相结合的加固处理方法；徐春国等[2−3]分别对多高层建筑地下室上浮的原因进行了分析，并介绍了锚杆抗浮加固处理的方法。但相关的抗浮研究均针对完工状态进行设计，而实际上施工期是抗浮事故的高发期，以上研究均未对施工期内的最不利状态开展有针对性的分析；施成华等[4]提出建立工程过程中排水量与时间的计算方法，得到降水的最优选择实现动态降水，其中考虑了工程施工中降水的动态过程，但是以地下水位为浮力计算依据，对非地下水控制的降水问题没有进一步考虑；覃亚伟[5]总结了目前大型结构抗浮设计的现状，对控制泄排水抗浮主动控制机理及设计计算、施工和风险控制等相关问题进行了研究，但仍以地下水位为浮力计算依据，且水位为静止水位，未对不透水土层情况与水位动态变化等可能进行分析。超大地下室施工周期较长，不同的施工环境和施工过程中可能出现各种突发情况，现有的设计和施工对此缺乏预见及灵活的针对性措施，如本文中的在建工程，在顶板未覆土、底板下为不透水层，工程遭遇50 a一遇强降水，由于大量地表水汇入而出现水位的不规律变化，且现场水位变化与地下水位变化不同步，原设计方案无法应对水位的快速变化，最终造成地下室底板上浮、开裂等现象，进而影响工程进度以及结构安全。以具体工程为例，对如何针对施工过程以及不同的施工环境确定抗浮设计水位进行了分析，并结合BIM技术对水位动态变化的动态分析和监控预警系统的建立提出了建议。笔者希望通过对本地下室抗浮失效事故的机理分析、事故处理，引起工程技术人员的重视，并给类似工程以借鉴。

1 工程概况

湖南省长沙市某住宅项目，为在建建筑，基坑未回填且顶板未覆土，基坑东侧有山体，为地下二层钢筋混凝土框架结构。地下室底板标高为31.50 m，层高为3.80 m，地下室部分建筑面积达27 679 m2，地下室局部负一层平面布置见图1。根据地勘报告，基坑底部及周边为不透水层，蓄水后排水困难，土层情况见图2。抗浮设计水位为36.00 m，采用抗拔桩进行抗浮，桩型2种，单桩抗拔承载力特征值分别为500 kN和750 kN。2017年6月底长沙发生50 a一遇强降雨，由于地下室处于施工期，地表水汇入基坑，在加大排水功率后，地下室有部分构件产生破损；2017年7月下旬长沙再次降雨，地表水持续汇入基坑，水位再次上涨，最终导致地下室破损现象加重：破损情况集中在地下室轴-1~轴-16×轴-~-轴，如图1。

图1 地下室平面布置图

图2 截面1土层分布图

2 现场实测与模拟分析

2.1 现场实测

为了全面了解地下水位的变化历程，及其与构件破坏、变形对应的情况，于2017−07−17~ 2017− 08−21进行了地下水位观测、现场构件变形破损情况的检测工作。

2次实测情况差异较大，2017−07−17实测结果显示梁、柱构件有裂缝出现，同时柱构件垂直度偏差尚未达到正常使用极限状态，负1层剪力墙开裂裂缝多表现为表面收缩裂缝，负2层剪力墙裂缝表现形式多为斜裂缝。

2017−08−21实测结果显示梁、柱构件裂缝发展加剧，其中14根柱构件垂直度偏差达到不适于承载的层间位移值，部分柱构件柱身已发生剪切破坏；部分梁梁底纵筋区域、混凝土破碎严重，端部已发生剪切破坏。现场选取负2层轴-1/×轴-7柱下灌注桩桩顶已与基础承台脱开，桩顶纵筋拉断，桩顶2 m范围内混凝土水平环向开裂，最大裂缝宽度为1.85 mm，桩顶与承台脱空高度约为85 mm；被检测的旋挖灌注桩周围混凝土底板板底与地基基础间均出现脱空，最大脱空高度约为 110 mm。

经湘江长沙站地下水监测显示，2017年6月底至7月初地下水位上升至38.50 m并保持在最高水位，停止降雨后地下水位下降并在2017年7月底8月初再次出现降雨使得地下水位略有回升。

2.2 模拟计算

分析计算采用OpenSees软件进行实体单元建模。地下室部分梁柱单元采用element elasticBeam Column，而桩体由于破坏集中在桩顶2 m范围内，主要考虑的是桩的抗拉性能，且不考虑混凝土的受拉，选择element trussSection模拟桩体抗拉，材料选择Reinforcing Steel Material[6, 16−17]，并由Fatigue Material控制桩体破坏，采用应力应变同时控制的方法，应变达到50 000个微应变时即视作桩体拉断。作为模拟桩抗拉作用的HRB400钢筋本构关系如图3所示。

图3 Reinforcing Steel Material模型应力-应变曲线

以抗浮水位的变化情况为标准对地下室抗浮进行建模分工况计算，并与实测情况进行计对比。模型为在建建筑，不计入活载以及除自重外恒载。工况1：以湘江长沙站实测地下水位情况为加载路劲，每日固定加载步数，同时由于地表标高为38.50 m，计算时最高地下水位按38.50 m处理。工况2：模拟实际水位变化情况，水位初次上升至地表标高后进行机械排水至36.50 m并保持在这一水位，2017−08−21前均未回落至底板以下，后在2017− 07−28~2017−08−02的降雨过程中再次达到地表标高38.5 m并持续保持在很高水位，最后于2017− 08−20开孔排水至底板标高附近32.00 m。水位变化情况如图4。

计算结果表明：工况1计算结果显示，在达到初始抗浮设防水位36.00 m时地下室底板上浮变形呈现中间大并往四周逐渐减小的规律，与实测情况不一致。水位涨至38.50 m时底板变形出现较大变化，最大竖向变形出现在平台段尾处为193.9 mm，而在2017−07−17以及2017−08−21附近底板竖向变形计算结果与实际变形出入较大，结合两次实测结果说明在初始抗浮设计水位36.00 m时结构抗浮并不会出现较大破坏，同时实际现场水位与地下水位实测结果存在差别，现场水位并未在高强降雨结束后随地下水位的下降而下降，且由现场2017−08−21底板开孔时仍有大量水涌出，说明现场实际水位最终未降至底板以下。水位达到地表标高时在轴-7×轴-处出现首根断桩，可以推测2次实测底板变形情况以及上部构件破损加重是由于部分桩体丧失抗浮能力导致。底板竖向变形对比情况如图5所示。

(a) 工况1湘江长沙站地下水位监控情况；(b) 工况2现场实际水位变化情况

单位：mm

图6 桩身破损情况

工况2计算结果显示共出现7处断桩，其中实际水位维持于38.50 m时在轴-×轴-7处出现首根断桩，并在2017−08−02~2017−08−03连续增加包括现场实测开挖的轴-1/×轴-7处桩体在内的6处断桩，现场桩体破损情况以及桩体轴力变化如图6和图7。底板变形出现较大程度的变化，断桩位置的底板竖向变形明显变大，且与现场实测情况更为接近，具体如图8。计算结果可进一步说明影响到结构抗浮的水位并非来自于地下水位变化，而主要受地表水汇入影响。

图7 桩体轴力变化

单位：mm

同时分析工况2上部构件受力机理计算结果可知，柱构件轴向作用小于构件承载能力，剪力作用大于构件抗剪能力；在水位第2次增长时各项作用都出现突增而使构件进一步破损，实测结果也显示了这一特点，其中负1层轴-×轴-3柱、轴-1/×轴-3柱构件破损情况更为严重，由分析结果可知发生剪切破坏[7]原因是水位涨落造成的循环加载作用以及柱顶部加密区箍筋间距不满足设计要求，轴-1/与轴-上相邻柱构件内力随水位变化情况如图9所示，现场柱构件最终破损即分布情况如图10和图11。计算结果可说明水位的二次上涨或反复涨落会给结构带来不可逆的影响，严重时可导致部分构件丧失承载能力而带来进一步的不利影响，也同样说明了及时有效的处理措施的重要性。

(a), (b) 轴a-n相邻柱构件；(c), (d) 轴a-1/n相邻柱构件

图10 轴a-1/n×轴a-3柱构件破损情况

2.3 地下室抗浮失效原因分析

1) 水位变化复杂。抗浮设防水位不完全由地下水位控制，本工程东侧有山体，基坑未回填且侧面、下部为不透水层，水位主要由地表水汇入控制，罕遇强降水使水位迅速增长超过初定抗浮设防水位并达到地表标高，造成上部结构出现初期破损，水位下降后出现二次降雨使得水位再次迅速上涨至地表，使得桩体拉断、破损加剧。

2) 施工方处理不当。基坑未及时回填，导致实际不需要太大水量即可出现高水位，同时水位首次上涨后未做好排水将水位降至底板以下，使得在后续降雨中出现小水量高水位情况。

3) 施工过程中抗浮措施制定不完善。仅制定了施工初期控制方法而没有制定完整的在施工过程中、完成后以及紧急情况下控制地下水位的具体处理方案。

(a) 负2层柱；(b) 负1层柱

3 处理对策

处理地下室上浮事故应根据事故原因、破坏程度并结合施工进程综合考虑。处理方案分为上部结构加固和抗浮处理，上部结构加固依据破损程度采用不同的处理方式，抗浮处理依据现场情况与施工进程选择不同的临时性与永久性抗浮措施。

3.1 抗浮处理及上部结构构件的加固处理

在事故发生后，由于部分桩身已断丧失承载力，桩基的抗浮作用需用新增抗浮锚杆[15]取代，同时桩基的竖向承载作用改为将底板加固作为筏板基础来处理。工况3：加1.1 m设计覆土并在底板布置锚杆并按实际水位加载。工况3中锚杆锚筋为3根直径为28的HRB400钢筋，锚固深度为5.5 m，间距分别为①1.5 m×1.5m，②2 m×2 m和③2.5 m×2.5 m 3种方案布置锚杆进行计算。计算结果显示方案②较方案③抗浮效果更佳，同时在抗浮效果相差不大情况下，方案②经济上更节省，因而采用方案②。结果表明，各层板上浮变形大幅度减小，加载过程中底板出现的最大竖向变形为轴-/×轴-7处的12.266 mm，远小于实测最大值188 mm，且锚杆未出现拉断的情况，满足抗浮要求，相关计算结果如图12。同时底板改为筏板基础后，竖向承载力满足要求。

(a) 实测与计算底板竖向变形对比/mm；(b) 锚杆内力云图/kN

根据地下室上浮过程中不同构件产生的不同程度的破损，对构件采取不同的加固方式。该地下室经过处理，在近一年的时间内多次出现大雨情况下，未发现结构构件出现异常现象，表明该结构抗浮及加固效果良好，并取得了很好的社会效益。

3.2 超大地下室抗浮处理对策思考

抗浮措施的选择更多是对于建筑极限抗浮能力的强化，但是对于超大地下室的抗浮处理，过程控制才是保证安全的最佳方式，建议建立地下水位预警机制，利用BIM技术对施工工期内的地下水位实时信息进行管理并与对应处理措施相关联，做到动态管理与预警，把控施工全过程各阶段中结构的抗浮能力，防止水位快速变化带来的对结构的持续不规律作用。以本工程为例建立逻辑流程如图13所示。

图13 BIM模型逻辑流程图

具体实施过程为首先建立现场模型，根据施工进度进行模型的实时更新。除施工进度外同时实时返回现场水位监控情况，若出现水位变化情况则结合实际工程进度与水位情况给出相应的处理措施。若水位变化情况已超出可控范围，则现场持续警报并开多方会议进行解决，而不是在实际结构破损出现后在进行这一系列操作。

4 结论

1) 加强对浮力源的分析，在类似本工程的地质条件与周边环境时，施工期抗浮水位主要由地表水汇入控制，因而抗浮水位不能简单的依照历史最高地下水位进行考虑，特别在雨季或者汛期施工的工程，建议对超大地下室工程将抗浮设计水位定于地表标高。

2) 雨季或汛期施工时，应该确保基坑回填进度，防止地表水汇入带来的“小水量大破坏”情况，同时及时对水位变化作出反应，防止水位反复涨落给结构造成更严重的破坏。

3) 结合BIM技术，建立施工期地下水位监控与预警机制，将施工进度与水位动态监控进行协同管理，完善施工过程中的抗浮措施，保证全面高效的抗浮。

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Analysis of the mechanism of anti-floating damage and its countermeasures during construction period of oversized underground garage

WANG Haidong1,2, LUO Yujia1

(1. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;2. MOE Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency, Hunan University, Changsha 410082, China)

In recent years, the anti-floating accidents of underground garage frequently occur in construction period. The damage mechanism and treating measure have been wide concerned. Two anti-floating accidents of some a large underground garage in Changsha were taken as an example in short time. Through the OpenSees simulation and field test, the anti-floating failure mechanism was analyzed, and the main causes of the accidents were obtained. In the treat measures, it was recommended to determine the anti-floating waterproof according to different geological and construction conditions in the future projects. Then it was proposed to establish a groundwater level warning system during the construction period in combination with BIM technology and real -time groundwater level monitoring results, so as to treat properly and provide guidance for similar projects in the future.

underground garage; impervious layer; floating; analysis of accident;repeated changes in water level

U453.2

A

1672 − 7029(2019)10−2538 − 09

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.10.021

2018−10−30

新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-13-0190)

王海东(1976−)，男，湖南澧县人，副教授，博士，从事既有工程结构加固改造技术、工程结构抗震等研究；E−mail：whdwang@hnu.edu.cn

(编辑 蒋学东)