复合地基筏板基础地库上浮成因与处置方案研究

董崇海，吴大鹏，陈中华，胡京亚

(广东省重工建筑设计院有限公司,广东 广州 510000)

对于南方雨水丰富地区或山地建筑项目,地下室抗浮设计极为重要,抗浮设计的方案也多种多样。设计中按照勘察报告提供的水头计算浮力大于结构荷载的情况时即需要进行抗浮设计。抗浮设计常规有两种思路:一种采用排水减压的思路,肥槽排水、盲沟、疏水层等排水措施需要将渗水量汇集到项目周边的排水措施,保证即使在骤雨的情况下结构自重及覆土可以抵抗水浮力[1],目前此设计思路已经得到了广泛的应用及推广,尤其对于天然地基及浅基坑工程项目。另一种采用抗浮的方法,抗浮常规采用抗浮锚杆或抗浮桩,需要结合实际工程项目进行选用。需要注意的是在施工过程中,因施工顺序不当,造成结构自重无法抵抗水浮力,且未采取降低水头的措施极易造成地下室上浮[2];项目周边标高变化或突遇暴雨超过以往降水量导致水头高于结构设计采用的抗浮水头时也可能导致地下室上浮[3-4]。对于永久抗浮,底板跨中弯矩是向上的,地下水压力的作用下如果在板跨中采取一定的抗浮措施,可以有效地保证底板的安全性及经济性。

1 工程概况

1.1 基本信息

本项目位于惠州市仲恺区,为普通住宅项目的附属地下室。地下室发生上浮区域面积约2 250 m2,两层地下室,-1层层高3.35 m,-2层层高3.4 m,顶板大部分区域覆土为1.2 m,柱距主要为7 800 mm×8 100 mm。地下室顶板、-1层结构均为无梁楼盖,采用锥形柱帽。基础为素混凝土旋喷桩复合地基加600 mm厚筏板。基础方案如图1所示。

1.2 主要土层分布

本项目地下室上浮区域底板以下主要土(岩)层分布见表1。

表1 上浮区域底板以下土(岩)层

1.3 现场情况

现场施工于2021年12月底完成地下室后浇带全封闭,地下室周边肥槽同步回填,同时停止降水措施。后因雨天较多未及时跟进顶板覆土,跨越春节直至2022年2月23日发现地下室砌体墙异常开裂,此时顶板覆土仍未回填。现场监理开始进行地下室标高监测,发现地下室底板标高每日均有抬高趋势,上浮最大高度达20.5 cm,如图2所示。

上浮最大位置的结构柱因呈现轴心受压的受力状态柱身完好无损,上浮高度16 cm～19 cm区域的结构柱、柱帽因呈现压弯的受力状态导致损伤较为严重,且柱子顶部明显呈现一侧拉裂、一侧压溃的损伤情况,如图3所示。柱帽出现水平通缝,如图4所示。

2 成因分析

2.1 设计复核

本项目采用复合地基及筏板基础,因设置两层地下室,底板底面抗浮水头比较高为7.45 m,地下室结构自重及顶板覆土不足以抵抗水浮力。原设计通过增设普通抗拔锚杆以满足地下室抗浮要求,锚杆成孔直径200 mm,普通螺纹钢筋3Φ28,锚杆入强风化岩不少于8 m,锚固体采用M30水泥砂浆,单根锚杆的设计抗拔承载力特征值为300 kN,经现场承载力试验满足要求。

原设计依据DBJ/T 15-125—2017建筑工程抗浮设计规程[5]进行整体抗浮验算,通过采用地下室结构自重、顶板覆土及抗浮锚杆抵抗水压力,安全系数为1.18。并结合抗浮锚杆的有效性,底板配筋的经济性,将抗浮锚杆布置于底板板跨中间,抗浮锚杆总数为126根,如图5所示。

经复核,原设计满足实际使用过程中的抗浮要求。结合现场实际施工顺序,地下室肥槽及后浇带封闭后,地下室抗浮水头在停止降水后恢复至设计水头,此时仅地下室结构自重及抗浮锚杆抵抗水压力,按照《建筑工程抗浮设计规程》计算后,安全系数仅为0.9,无法满足实际的抗浮需求,且低于规范要求的1.05。

2.2 施工复核

本项目于2022年2月24日由施工单位发起组织勘察单位、设计单位、监理单位及建设单位进行现场勘查,问题主要为地下室底板隆起、结构柱压溃或拉裂、砌体墙大面积开裂等。通过现场实地观察、各项封闭验收材料及施工蓝图检查,施工中存在以下3个问题:

1)对于基坑降水、后浇带封闭、顶板覆土的施工工序,施工蓝图做了明确的要求:基坑内停止降水必须满足塔楼第10层楼面梁板施工完成、地下室顶板及裙房屋面板等覆土完成、地下室后浇带封闭且达到设计强度。由此,结合1.3节现场反馈的施工情况可知,导致地下室上浮的主要原因为施工工序的错误,在地下室顶板覆土未完成的情况下提前停止基坑降水。2)现场搁置约3个月未进行覆土回填施工,导致项目在南方春节雨水较丰富期间水头急剧上升,地下室结构产生严重损伤才发现问题的严重性。3)地下室肥槽回填施工未按图纸要求进行分层回填,压实系数、回填土材料均不满足设计要求,导致降水由地面渗入肥槽产生“水盆效应”[6]。

综合设计及施工复核可知,本项目地下室上浮主要原因为现场施工顺序不当造成。

3 应急方案

3.1 常用方案

前人研究地库上浮抢险的方案各有不同,适应条件也不尽相同,但绝大多数以控制地库继续上浮或减小上浮为目的。常用地库上浮抢险方案主要为:泄水减压或增加配重的方式。泄水减压法目前发展较为迅速,产生种类繁多的新工艺及新材料,如底板直接开泄水孔、地库周边设置井点降水、肥槽开挖等方案。增加配重的方法也有多种,如顶板增加覆土、顶板回填材料更换、底板面层加厚等。在以往的处置方案中,通常会将泄水减压与增加配重两种方案复合使用,从而使地下室隆起区域尽可能恢复。

3.2 实施方案

本项目组织建设五方责任主体现场勘查时即发现地下室结构已经发生明显的结构损伤及底板隆起的情况,需要尽快采用处理措施缓解结构损伤继续发展。考虑到地库周边设置降水井点或肥槽开挖抽水等措施均不能满足抢险的紧急性,因此采用直接在底板上开100 mm泄水孔进行泄水减压,第一个孔水柱喷射至-1层板底,增加泄水孔之后水柱逐渐降低,稳定后底板上水深0.5 m,见图6。泄水孔渗流稳定后无泥砂涌出,底板下形成空洞的影响较小。

由于项目竣工验收较为紧张,需使地下室隆起尽快恢复,便于地下室开展检测与加固施工,临时处理措施还结合增加配重的方案。考虑地下室结构柱、柱帽等受力构件已经产生明显损伤,为避免增加二次损伤,先对已产生结构损伤的区域进行回顶后在顶板上分层回填0.6 m高覆土,同时在底板隆起较大位置堆放1 m高沙袋。

经过采取紧急处置措施后,底板在4 d后已得到有效的恢复,隆起高度由最高时20.5 cm降至2.7 cm,且无底板下挠的情况,恢复效果较好。同时对地下室结构柱、柱帽原损伤位置进行观察发现,之前明显裂缝已闭合,之前轻微开裂位置基本难以发现。

4 加固设计

为保证因地库上浮造成的结构损伤通过加固可以满足后续结构使用要求,本项目邀请第三方检测单位进行结构安全鉴定。通过对结构构件开裂情况、材料强度、钢筋配置、基础变形及计算复核得到的结论是大部分结构构件包括底板仍满足正常使用要求,但需对抗浮进行加固或设置永久排水减压措施,对于明显损伤的结构柱及柱帽需进行结构加固处理。

4.1 抗浮加固

地下室最大隆起高度达20.5 cm,且范围较大,结合结构安全鉴定的结论,原抗浮设计采用的抗浮锚杆基本可判定已失效,通过紧急处理底板的恢复效果较好,但仍不能保证锚杆的有效性。作为永久的抗浮措施,需要充分考虑不同的抗浮方案带来的施工难度、维护难度和投入等。

方案一:不增加抗浮构件的情况下,采用排水减压的思路。因地下室抗浮失效出现于局部区域,周边为塔楼及相连的地下室,若改造地库周边肥槽为疏排水系统的“疏水措施”,则难以形成闭环,且本项目肥槽回填后为市政道路,难以保证自行排泄条件及后续排水系统的维护要求。若采用在地下室底板或集水井中设置水位监测自动或非自动排水系统的“降水措施”,则因本项目抗浮水头较高,不增加抗浮措施的情况下,地库正常使用过程中需长时间进行抽排水,后续维护费用很高。综合分析,采用排水减压思路前期施工较为便利,一次性投入较低,但对后期正常使用的保障条件较高,相关保障措施可参考文献[1]。对于住宅项目,采用排水减压的思路对后期物业管理要求太高,且增加了业主的物业费用,适用性不高。

方案二:不增加抗浮构件的情况下,采用增加配重的思路。前人在采用此方法时存在顶板覆土在承载力设计时比抗浮设计厚的情况,此时即可通过直接增加顶板覆土的方法增加配重,如文献[3]。另外可通过增加地库底板面层厚度或增加叠合层来增加配重[7],此方案要求地库层高较高,增加面层厚度后不影响正常车库确权及使用要求。由于本住宅项目业主设计前期严格控制建造成本,对覆土厚度、地下室层高均做了严格限制,增加覆土厚度将对顶板承载力产生较大影响,增加面层厚度又无法满足地库净高要求,因此也不考虑采用增加配重的抗浮加固方案。

方案三:增加抗浮构件的思路,即重新设置抗浮锚杆或抗浮桩。本项目基础原采用素混凝土旋喷桩复合地基及筏板基础,复合地基与筏板间设置300 mm褥垫层,如采用抗浮桩,虽能较好地解决抗浮问题,但因抗浮桩直接与底板相连,竖向力会首先传递至抗浮桩,导致基础的受力变得复杂。

经比较3个方案的优劣势,结合本项目实际特点,最终采用与原设计相同的抗浮锚杆进行抗浮加固的方案。抗浮锚杆成孔直径200 mm,锚筋采用普通螺纹钢筋4Φ28,单根锚杆的设计抗拔承载力特征值为375 kN,实际检测后满足设计要求。锚杆总数共计116根,经计算抗浮安全系数略高于原设计。抗浮锚杆施工顺序:放线定位→底板开孔,孔洞周边300 mm范围凿除至底板面筋→下钻成孔,成孔过程中每隔0.5 m记录一次孔侧岩性,锚杆入强风化岩不少于11.0 m→锚杆安放,主筋接长时采用套筒对接,主筋上端在底板面筋处弯折并与面筋搭接焊,水平段长度280 mm→采用M30水泥砂浆(水灰质量比0.4)进行高压注浆→浆液渗至底板底标高时进行养护,初凝后在锚杆与底板底交接位置填塞遇水膨胀型填充剂→锚杆在底板高度内采用抗渗等级为P8的C35微膨胀混凝土填充。抗浮锚杆安装剖面图见图7。

4.2 结构加固

本项目地下室结构损伤主要出现于柱底、柱顶及柱帽位置。柱子加固为常规加固方案,对于开裂轻微的柱子采用粘贴环向碳纤维布,对于开裂较为严重的柱子采用包钢加固的方式。对于柱顶出现压溃的情况,需先采用高强灌浆料进行混凝土置换再进行包钢加固。无梁楼盖的柱帽主要作用是增强板、柱交接位置的抗冲切及抗剪能力,柱帽虽然出现横向裂缝,但裂缝比较微小,可考虑通过注浆修复。但为安全起见,本项目柱帽裂缝修复后对个别柱帽还采用增大尺寸的加固方案,如图8所示。

5 结语

通过实际项目的地下室上浮成因分析及处置方案研究,得出以下结论:

1)通过设计及施工复核,该项目地下室上浮成因主要为基坑肥槽回填、顶板覆土回填、底板后浇带封闭及基坑停止降水的施工工序不当造成。2)地下室上浮后应该尽快确定抢险方案,避免地下室结构损伤加剧,同时应全方位评估抢险方案带来的效果,应尽可能避免产生二次损伤。3)通过对比抗浮加固方案的施工便利、后期抗浮措施的维护、地库使用影响及成本投入,采用增补抗浮锚杆的加固方案。