地下室局部上浮开裂分析及加固研究

赵剑剑,李植茂

(1.浙江省建筑科学设计研究院有限公司,浙江 杭州 310012;2.浙江省建设工程质量检验站有限公司,浙江 杭州 310012 )

为有效利用地下空间,如地下车库、地下商场及地铁等,地下建筑对地下空间的利用不断向深度发展。近年来,一些沿海地区,地下水位较高,地下土层含水量丰富。因此,工程建设工期较长。当遭遇强降雨天气时,大量的地表水在短时间内涌入地下,使地下水位快速升高。如果降水措施及抗浮措施不到位,由地下水浮力所造成上部结构严重受损、倾斜变形的事故时有发生,给人民群众造成较大的人员伤亡和财产损失。地下室抗浮与加固问题日益突出,有必要对地下室抗浮与加固进一步进行研究,以减少或避免此类事故发生。

1 工程概况

某项目由若干幢高层住宅房屋组成,地下一层为地下室,建筑面积约为36 000 m2。地下室建筑结构采用钢筋混凝土框架结构,柱网尺寸为8.4 m×6.6 m或8.4 m×6.0 m,顶板厚为300 mm。地下室基础采用柱下独立基础,柱下布置直径为150 mm抗拔锚杆。基础底板厚为400 mm,底板面高程为35.250 m,底板面层为80 mm厚细石混凝土。顶板结构面高程为39.65 m,室外地坪高程为41.30 m,地下室顶板覆土厚度为1.65 m。查看岩土勘察报告,建议抗浮设防水位按室外设计地坪标高以下0.5 m取值。目前,主体结构已封顶,除主楼其余地下室顶板尚未覆土。

2020年1月初,地下室局部区域出现上浮,上浮面积约为5 000 m2,部分梁、柱出现开裂。为了较为全面分析上浮区域地下室的安全性及为加固方案提供数据支撑,对梁柱的混凝土强度、钢筋配置及相关构件的开裂情况进行检测。经过综合分析与计算,对受损的结构构件进行加固。

2 检测方案和实测结果

2.1 检测方案

1)回弹法检测构件混凝土抗压强度。按照《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T 23—2011)的相关规定,对每个构件选取不少于10个测区进行回弹检测。回弹测量完毕后,在有代表性的测区上测量碳化深度值。根据测试结果,对每个构件的现龄期混凝土抗压强度推定值进行计算。

2)梁柱截面尺寸、钢筋配置情况抽检。采用钢卷尺和喜利得钢筋探测仪检测梁柱的截面尺寸及钢筋配置等实际偏差是否符合设计要求及《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB 50204—2015)[1]等现行国家标准的有关规定。

3)地下室顶板板底钢筋配置抽检。采用喜利得钢筋探测仪检测板底的钢筋配置是否符合设计要求及《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB 50204—2015)等现行国家标准的有关规定。

4)全面查勘结构开裂及损伤情况。采用裂缝测宽仪检测裂缝的位置、长度、宽度、深度、形态与数量等。

2.2 检测结果

1)现场抽检上浮区域内部分柱和顶梁的混凝土抗压强度。抽检结果表明： 现龄期混凝土抗压强度推定值为35.1～42.4 MPa,满足C35的原设计强度等级要求。

2)所检梁柱截面尺寸、主筋数量满足设计要求,所检梁柱箍筋间距合格率为91.3%(>90%),满足要求。

3)所检顶板板底钢筋间距合格率为92.9%(>90%),满足要求。

4)现场共计37个梁、柱受损,柱受损位置主要集中在柱顶梁底下方区域,角部受压区表层混凝土压溃,如图1所示。受拉区混凝土开裂[2],测点处水平裂缝宽度为0.08～1.0 mm,裂缝宽度从上到下逐渐变小,如图2所示。柱底局部部位存在水平裂缝,测点裂缝宽度为0.12～0.54 mm。梁受损位置主要集中于靠近梁端区域,竖向裂缝,测点裂缝宽度为0.22～1.02 mm,宽度从梁端向跨中逐渐变小[3],如图3所示。

图1 角部受压区混凝土压溃

图2 柱顶水平裂缝

图3 梁端竖向裂缝

3 抗浮稳定性验算及开裂分析

3.1 不同工况下抗浮稳定性复算

按现行规范、标准对地下室结构抗浮稳定性进行复算。

1)使用阶段抗浮验算。使用阶段(覆土后)该地下室抗浮计算见表1,基本柱网尺寸取值为8.4 m×6.6 m,地下室底板板底面为黄海高程35.25 m,经岩土勘察报告建议抗浮设防水位按室外设计地坪标高以下0.5 m取值,底板浮力取值55.5 kN/m2,上浮荷载为55.5×8.4×6.6=3 076.9 kN。在考虑覆土的情况下,该地下室抗浮稳定验算基本满足规范要求[4]。

表1 覆土后抗浮验算参数

2)当前阶段抗浮验算。当前阶段(覆土前)该地下室抗浮计算相关参数见表2,抗浮设防水位按结构顶板面取值,底板浮力取值44.0 kN/m2,上浮荷载为44.0×8.4×6.6=2 439.4 kN。覆土前该地下室抗浮稳定验算不满足规范要求。

表2 覆土前抗浮验算参数

3.2 开裂原因分析及处理意见

由以上计算可知,在地下室考虑覆土的情况下,抗浮稳定验算基本满足规范要求;覆土前该地下室抗浮稳定验算不满足规范要求。因施工期间连日暴雨后地下水位上升,且纯地下室区块顶板未进行覆土,同时相应降水措施未使地下水位控制在基础底板以下,导致纯地下室自重不足以抵抗水浮力的作用而上浮,故在纯地下室与主楼交接的区域或荷载存在变化的区域,部分梁柱受拉、压、扭共同作用造成开裂或混凝土局部破坏。

混凝土结构由于裂缝、混凝土压溃等损伤的出现,其承载力受到不利影响,构件安全性有一定程度降低。从房屋的正常使用和安全性考虑,建议对受损构件进行裂缝封闭处理并采取加固处理措施。

4 地下室局部加固设计方案

4.1 柱构件加固

对角部受压区表层混凝土压溃、水平裂缝较大较多的柱,凿除表面疏松的混凝土后用聚合物砂浆修补至设计截面。再按《混凝土结构加固设计规范》( GB 50367—2013)[5]的要求,对裂缝宽度大于0.2 mm的裂缝,采用注射法进行修补,以一定的压力将低黏度、高强度的改性环氧树脂类修补胶液注入裂缝腔内,裂缝修复完成后用黏钢法进行加固处理,如图4所示。外黏型钢加固时应将原构件截面的棱角打磨成圆角,用钢丝刷将钢构件与混凝土接触的内表面进行除锈抛光处理,用空气吹净;型钢安装焊接完毕后再在焊接部位进行防锈处理。

图4 柱黏钢法加固

对损伤较轻的柱(仅有少数水平裂缝)进行粘贴碳纤维法加固,如图5所示。用铁刷子清除粘贴处的石灰抹面,用磨光机或砂质清除粘贴处混凝土表面的浮浆,用清洗剂把混凝土表面擦洗干净,确保粘贴处混凝土表面平整、干燥,再均匀地涂刷一层胶黏剂,把碳纤维布平铺在干净的地方并均匀地涂刷一层胶黏剂,用硬滚动碾子从中心向四周多次碾压碳纤维布,清除黏贴面里的空气。碳纤维多层粘贴时要分层进行粘贴,后一层粘贴应在前一层的胶黏剂干燥后进行[6-8]。

4.2 梁构件加固

加固前应先对梁裂缝进行封闭处理,对受损梁采用增大截面法或黏钢法加固。

1)增大截面法,如图6所示。新老混凝土结合面应凿毛,使其有足够的摩擦和黏聚力,混凝土浇筑前应将老混凝土表面清洗干净,还应涂刷结构界面胶。混凝土浇筑前应对原结构进行充分湿润,混凝土浇筑后应加强养护。

图5 柱粘贴碳纤维法加固

图6 梁增大截面法加固

2)黏钢法,如图7所示。

图7 梁粘钢法加固

5 结论

通过对某实际工程地下室上浮区域的全面检测与勘查,复算使用阶段(覆土后)和当前阶段(覆土前)的地库抗浮稳定性。覆土前纯地下室自重不足以抵抗水浮力作用而上浮,在纯地下室与主楼交接区域,部分梁柱受拉、压、扭共同作用,造成开裂或混凝土局部破坏。地下室考虑后期覆土后,抗浮稳定验算基本满足规范要求。

根据结构构件的受力特性及受损程度不同,采用粘钢法、粘贴碳纤维法、增大截面法等加固措施,可以有效提高结构构件的承载能力和抗变形能力。工程修复处理完成后使用至今,经历多次暴雨天气的考验,未发现任何异常的上浮或变形。本工程的分析结果可作为类似检测及加固项目的借鉴,为检测、设计人员在类似工程中提供参考依据。