某地下室结构工程上浮开裂原因及加固技术分析

  地下水作为岩土工程勘察中非常重要的技术指标，不但具有相当大的隐蔽性，而且对地下结构的作用不可忽视。大量的工程实例表明，针对地下水的抗浮设计，直接关系到结构的安全性和经济性。因此，明确地下水的埋藏条件、抗浮设防水位的选取、地下水浮力的计算原理与计算方法、结构的抗浮失效模式等，对结构的抗浮设计具有极其重要的意义。
第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

  二十一世纪以来，我国高层建筑的数量迅速增长，分布区域越来越广，这其中包括各地兴建的国家基础设施、区域性地标建筑、商业或住宅建筑等，而建筑高度的增长必定导致地基基础的加深和地下结构复杂性的增大；同时房地产产业发展和房价激增导致城市用地越来越紧张，为了寻求经济效益，地下空间的开发成了非常重要的领域。因此对于水文地质情况、岩土工程勘察、地基处理、基础设计等工作的要求也越来越严格，但其中相关规范对于地下室抗浮问题的规定和建议还存在诸多不足，虽然国内外学者对地下结构的抗浮问题进行了很多研究，也取得了很多重要研究成果，但这些成果基本未与现行规范相联系，设计人员在设计时往往带有主观因素，从而可能造成不同程度的安全隐患[1-3]。目前国内外因地下结构上浮造成建筑物破坏的案例屡见不鲜，这其中的原因包括水文地质情况的勘察不明、抗浮设防水位取值的不当、抗浮设计的计算错误、施工阶段或使用阶段抗浮措施的不足以及降水停止条件的不具备等等诸多因素，给结构安全造成了很大的隐患。例如贵州某大学试验楼，因季节性强降水造成地表水积聚，导致地下水位上涨，且场地排水措施不完善，造成该试验楼发生上浮，结构的上部承重构件存在较严重的损毁，事故现场如图 1.1 所示[4]。某小区地下室，因在岩土层水文地质勘察阶段未严格执行相关规范规定，对于地下水位的确定采用短期监测值，且未考虑地下岩土层存在的弱透水性粉质粘土层，导致地下水位的取值不当。在季节性强降雨过后，地下水位激增，且建筑物处于地势低洼的地段，排水条件差，最终导致实际地下水位远远超出设计抗浮水位，造成了地下室底板隆起，结构上部承重构件普遍出现不同程度的开裂，对底板进行开孔泄压时，涌出水柱高度近 4m，事故现场如图 1.2 所示[5]。青岛市某高层住宅的地下车库，在施工阶段停工一年半，但这期间该车库顶板的上部覆土并未按设计厚度回填，且人工降水措施也被停止，导致场地内地表水积聚现象严重，地下水位有较大升高。待该地下室复工时，已经发生明显上浮现象，其结构标高存在严重偏移，局部上部承重构件开裂，且存在地下室内部积水现象，事故现场如图 1.3 所示[6]。深圳市布吉镇新鑫仓储蓄水池，因结构抗浮设计有误，抗浮措施失效，导致结构两侧位移差高达 1.3m，事故现场如图 1.4[7]。以上诸多实例充分证明，由于岩土勘察的疏忽和误差、抗浮水位选取不当、勘察与设计双方缺乏沟通、结构浮力计算不足、抗浮措施选取不合理、降水措施停止过早等在勘察阶段、设计阶段、施工阶段、使用阶段存在的各种问题造成地下室结构工程的破坏在国内外还有若干例，事故多表现为结构的大幅竖向位移、底板不规则变形和裂缝、墙体位移和裂缝、梁柱及其节点的混凝土压碎和裂缝等。要想更好地解决地下结构的抗浮问题，最有效的手段是规范勘察和设计阶段的工作，在深刻理解地下结构上浮机理和规范条文的同时，还要结合实际工程经验，进而采取有效的抗浮措施，从源头确保结构的安全性。

1.2 国内外研究现状及不足

1.2.1 地下室抗浮原理与抗浮技术研究现状

  袁正如[8-9]通过对地下水位较高地段建筑结构的研究，对可能发生的地下水灾害事故进行了总结，并提出了结构上浮破坏的加固修复措施以及一整套设计计算、事故处理流程。王海东[10]以长沙某住宅地下室的二次上浮事故为背景，通过对现场检测结果与数值分析的研究，提出抗浮设防水位的选取应结合场地水文地质情况与施工阶段的不同综合确定，建议对于季节性降水量较大的超大地下室结构，抗浮设防水位应取室外地坪标高。同时建议在施工期间应设置沉降及上浮位移观测点，辅之以 BIM 技术，建立防范预警机制。游庆[11]针对结构场地不同的地下岩土层和不同的地下水赋存形态提出了不同的抗浮水位确定原则和抗浮措施。从合理性和经济性的角度考虑，建议采用降排水措施，而非传统的浮力抵抗措施，来从根本上解决抗浮问题。谭光宇[12]以某高层地下室工程为背景，综合考虑了场地的水文地质条件和结构自身的特性，制定了相应的地下水降排水措施和地表水疏排水措施，从而使结构的抗浮设计到设计要求。该地下室加固后的使用情况表明，该方法具有一定的可行性。李国胜[13]通过对目前国内外关于地下室抗浮问题的文献和规范条文的研究，提出了与场地条件和结构特性相结合的抗浮计算、设计方法。针对地下水位高于地下室顶板标高以及地下水位低于地下室顶板标高的两种工况进行研究，提出二者的计算方式存在的差别，并指出临界值的计算结果差别很小，且前者的计算结果偏于保守，保守幅度一般约为 2%，最大不超过 5%。

第二章 抗浮计算理论研究

  地下水作为岩土工程勘察中非常重要的技术指标，不但具有相当大的隐蔽性，而且对地下结构的作用不可忽视。大量的工程实例表明，针对地下水的抗浮设计，直接关系到结构的安全性和经济性。因此，明确地下水的埋藏条件、抗浮设防水位的选取、地下水浮力的计算原理与计算方法、结构的抗浮失效模式等，对结构的抗浮设计具有极其重要的意义。

2.1 地下水概述

2.1.1 地下水分类

《水文地质术语》(GB/T 14157-93)[55]第 3.2.8 条对地下水给出的定义为：赋存于地表以下岩土层孔隙中的水。地下水按含水介质分类，可分为孔隙水、裂隙水、溶隙水；按物理力学性质分类，可分为毛细水、重力水；工程上因需明确地下水的水位或水头高度、存储分布以及隔水层位置等情况，一般按埋藏条件将地下水分为上层滞水、潜水、承压水（自流水）[56-57]，如图 2.1 所示

2.2 抗浮设防水位的合理选取

  结构设计尤其是地下结构设计中，必须考虑地下水对结构地下部分甚至结构整体产生的不利浮托作用，因此抗浮设防水位的选取是抗浮设计中基础而又非常重要的一环，直接决定地下水浮力的计算以及抗浮措施的选取，从而关系到结构的安全性以及实际工程造价的经济性，是设计人员必须明确的概念。首先，抗浮设防水位选取的依据是岩土工程勘察报告，国内相关规范对此有明确的规定。实际工程中，岩土工程勘察报告的目的是服务于工程项目，鉴于工程项目的工期和经济性要求，在无场地常年水文观测资料的情况下，岩土工程勘察报告一般只提供勘察期间最高地下水位或近 3~5 年最高地下水位，参考以上规范规定，设计人员在根据岩土工程勘察报告确定抗浮设防水位时，一般按“历史最高地下水位、近 3~5 年最高地下水位”这一规定取值，忽略了其他补充条文的规定，例如对于“地下水的类型和赋存状态”，应考虑地层中各类地下水的分布、存储量以及地下室底板与隔水层的相对位置等因素；对于“地下水的补给排泄条件、地表水与地下水的补排关系及其对地下水位的影响”，应考虑地下水的人为开采、调配以及大型蓄水设施的影响，以及盈水期地表水对地下水的补给而造成的地下水水位抬升，低洼区建筑因地势造成的地表水积聚以及地下水水位的变化等因素；同时结构的重要程度以及结构自身工程特点也是必须要考虑的因素[8]。除此之外，对于包含但不限于以下情况的结构还应根据具体工程情况进行分析：一是结构所在地区地下水分布复杂且难以通过勘察报告结果体现的结构；二是因结构自身或其所处地段地势造成地下结构水头差异较明显，必须考虑渗流作用影响的结构；三是结构所在地区地下水与相邻水系存在一定程度的补给关系，抗浮设防水位应取结构设计使用年限内的洪水位；四是在因季节性降水造成地表水水量变化较大的地区，对于参考地面相对标高来确定结构设计标高的结构应考虑地面标高变化对原设计抗浮设防水位的相应修正。张旷成[65]提出结构的抗浮设防水位由场地条件以及结构自身需要等因素唯一确定。同时对于某些特定结构，由于勘察和施工需要，会在场地内进行钻孔，这些孔的用处各有不同：有的用于地下水位的勘察，有的用于前期地下水的排泄。但这些孔会不同程度地联通地下承压水与潜水，从而使潜水水位可从某种程度上反应承压水水头高度，因此对于抗浮设防水位的概念，不可简单地与最高地下水位相混淆，也不是取值越高越合理，须结合场地和结构进行具体分析。因此，简单采用“历史最高地下水位、近 3~5 年最高地下水位”这一规定取值并不妥当。

第三章 抗浮加固技术与抗浮锚杆设计研究

3.1 抗浮加固处理措施.

3.2 抗浮加固处理技术程序

3.3 抗浮锚杆

3.4 本章小结

第四章 单锚与群锚效应数值分析

4.1 求解方法及材料特性的选择

4.2 模型的建立

4.3 单锚模型结果分析

4.4 群锚效应模型结果分析

第五章 某地下室上浮事故处理工程实例

5.1 工程概况

5.2 结构破坏情况调查

5.3 上浮原因分析

5.4 抗浮验算

第五章 某地下室上浮事故处理工程实例

  结合前文对地下水浮力的特性分析、地下室抗浮设计的计算分析、地下室上浮事故的加固措施分析以及本文提出的诸多建议，现以合肥市庐江县城西新区某既有地下室工程上浮事故为例，通过制定一整套针对该工程的加固处理方案，解决该地下室的抗浮失效问题，给相关工程的处理提供参考依据。

5.1 工程概况

  本工程位于合肥市庐江县城西新区长冲路与果园山路交口地块，为全埋式单层地下混凝土框剪结构，建筑面积约 3700m2，外墙和底板为钢筋混凝土结构，基础采用梁筏基础，结构层高为 3.9m，柱网采用 6.4m×7.8m，地下室顶板覆土设计厚度为 1.2m。原设计上部为居民活动广场，建成后因上部使用用途改变，覆土实际施工量未达设计标准，现供居民种植与灌溉蓄水使用，平面布置图见图 5.1。

第六章 结论与展望

  本文通过对抗浮设计相关国内外规范条文、参考文献的总结和分析，对抗浮锚杆等抗浮措施的设计和应用研究，采用 Abaqus 和 Midas 等有限元模拟软件的数值分析，以某地下室上浮破坏事故为背景，提出了关于结构抗浮设计、上浮处理的一系列建议和研究成果，并得出以下结论：

1、目前国内外相关规范对地下水的作用分类、分项系数、勘察以及抗浮设防水位的取值在一定程度上存在原则不一致、方法不同、界限不明确的现象。本文建议对水位常年不变的地下水，其浮托力可按永久荷载考虑，对于水位随季节性变化较大的地下水，其变化值可按可变荷载考虑，对于特大罕遇的水位突然变化可按偶然荷载考虑；对水压力的分项系数建议取 1.0；抗浮设防水位应按最不利情况来确定，如果有场地或所在区域的长期水文观测资料或历史水位记录时，取历史最高水位作为抗浮设防水位，有年最高水位时取年最高水位作为抗浮设防水位，都没有的情况下则按勘测期内的最高水位并结合建筑物重要性、当地环境条件及区域水文地质条件、地下水的赋存状态以及渗流分析结果等综合确定。

2、地下室的抗浮失效模式分为整体抗浮失效和局部抗浮失效，因此在进行抗浮设计时应分别验算结构的整体抗浮性能和局部抗浮性能。结合 Midas Gen 有限元模型数值分析结果，对比部分关键节点的内力前后变化，可得到结论：结构发生抗浮失效事故时，对结构整体尤其是上部各承重构件的内力有很大影响，甚至造成内力重分布，从而大大影响结构的承载能力。

3、对于抗浮锚杆的研究，本文总结了其分类、受力机理和工程应用，并重点研究了在文献[52]、文献[73]、文献[81]、文献[83]以及文献[84]中的计算规定，通过以工程实例为背景的计算，量化并总结了上述文献规定的差异，本文建议对于抗浮锚杆钢筋截面面积和锚固段长度的计算按文献[81]采用。但由于锚杆的受力机理还未能完全的研究透彻，所以国内外有关于锚杆极限承载力的计算都是基于以往的工程经验和部分试验总结而来。在实际工程中，要想确定岩土层性质及锚杆的极限抗拔承载力，必须进行一定数量的现场试验，这也是规范中明确要求的。

4、对抗浮锚杆的单锚受力性能以及群锚效应进行的数值分析结果表明：杆承载能力随长度的增长而增长，但随着长度的不断增大，承载能力的提高幅度逐渐减小，即承载力与长度并非呈线性正相关，这是因为锚杆与岩土层的摩擦阻力分布沿锚杆均匀分布且并非呈线性关系。