许松彬 （福建绿城建筑设计有限公司，福建 厦门 361000）
1 工程概况
近年随着地下结构的数量增多，地下结构的埋深越来越深，地下结构抗浮稳定出现问题的工程案例屡见不鲜。而施工期间由于自重及覆土等抗浮措施尚未达到抗浮稳定的要求，此时一旦出现突发暴雨或因施工降水措施不到位导致水位严重超高，极易对地下结构的抗浮稳定产生重大影响。本项目位于浙江省义乌某地，设计用途为住宅，场地内满布单层地下室，上部主楼为22层的框架剪力墙结构。场地西侧临近一条小河，距离地下室外墙约为15m。2015年2月底在施工现场放假期间恰逢暴雨不断，河水水位暴涨，市政排水不畅导致场地周边积水，中庭单层地下室经过一段时间的高水位荷载作用后，开始出现隆起，中间最大竖向位移达到约二十几厘米，地下室结构柱及梁板出现不同程度的裂缝。此时地下室结构已施工完成，主楼结构基本完工，顶板尚未开始覆土，顶板仅局部存放施工材料，地下室外墙周边回填已经完成。其中地下室顶板型式为普通梁板结构，顶板厚度为200mm，底板为平板式防水板加独立基础，底板厚度为350mm，地下室结构层高3.7m。
2 原因分析
根据地质勘察报告，项目场地内土层分布情况自上而下分别为杂填土、粉质粘土、强风化钙质粉砂岩与砂岩互层、中等风化钙质粉砂岩与砂岩互层，场地内自东向西存在一条破碎带，其中杂填土、粉质粘土与中风化岩层均为弱透水性，强风化与破碎带透水性为中等透水，中风化岩层属于极软岩～软岩。地下室基础持力层为强风化和中风化岩层，基础采用独立基础，结合顶板1m覆土抗浮措施采用岩层锚杆。
从场地土层分布情况分析，在地下室主体外存在透水土层与地下室周圈的回填土可能形成连续的渗水通道。基坑肥槽回填土根据规范要求应灌注素混凝土或搅拌流动性水泥土，或采用灰土、级配砂石、压实性较好的素土分层夯实，压实系数不小于0.94。但是项目实践经验中，回填土组分及压实系数往往都无法保证，容易形成透水层。当地强风化层土层存在遇水极易软化的特性，地下室周边强风化土层受施工扰动影响后强度降低，对地下室约束作用降低。地表水在排水顺畅时，因上层弱透水层的作用地下室结构构件受水压影响极小。当地表积水，周边河流水位变高后，水通过渗水通道浸泡使土层进入饱和状态。暴雨时现场排水措施失效或者设置不到位，无法及时降低水位，使地下室处于长期的浸泡状态，水位上升使地下室承受浮力增大。而因为持力层特性、结构布置影响和地下水渗透路径等多种复杂因素影响，底板水压力存在不均匀分布，对地下室局部抗浮稳定性产生不利影响。
本地下室采用柱下独立基础，锚杆集中设置于独立基础范围内。地下室上拱使底板和基础变形后与持力层脱离，底板变形较大处锚杆基本破坏失效。根据现有条件取一标准跨（8.0mx5.20m）估算，其中顶板厚度为200mm，顶板框梁截面400x800和300x600，次梁截面为300x600，混凝土容重取25kN/m，可得顶板自重G1约为296kN；500x500框架柱自重G2为25x4x0.5x0.5=25kN;350厚底板及独立基础自重G3为409kN，结构自重G=G1+G2+G3=730kN。单根锚杆抗拔极限承载力标准值为500kN，当一个柱下设置2根锚杆时，反算得(730+2x500)/8.0/5.2=41.6kN/m，41.6/9.8=4.24m，可知当水位高于底板底标高4.24m时抗浮锚杆即可能受拉破坏。正常使用工况下，底板受水浮力时以柱及基础作为支座，底板跨中变形最大。而长时间的水浮力超限使局部抗浮锚杆失效，进而导致一定范围的地下室整体抗浮不足。此时柱与基础无法作为固定支座并产生竖向位移，底板顶板产生整体变形。
图1 建筑平面布置示意图、A-A剖面示意图
图2 地下室变形示意图
中庭地下室上拱后该区域梁板柱底板等结构构件均出现不同程度破坏。其中框架柱受损伤较为普遍，大部分裂缝均出现在梁底及柱脚，个别柱角混凝土出现破坏，较严重的柱裂缝长度横穿柱截面，宽度约为0.3～1.0mm。柱未出现较大变形，单个柱裂缝数量不多，破坏程度不高。框架梁部分出现端部裂缝，裂缝分布较无规律，个别板四周出现不规则的裂缝。从结构受力及变形分析，假定纯地下室整体为两端固接于主楼的受弯梁，上下弦杆为顶板和底板，腹杆为框架柱，上下弦杆与柱均为刚接形成整体共同受力。因为主楼支座没有水平位移，当水浮力较小时，上下弦均以受弯为主；当水荷载继续加大，上下弦变形加大，上弦处于完全受拉侧变形增大比下弦更快，变形近似以柱为节点的分段折线。此时，上下弦节点处均有明显弯矩，同时弦杆处于受拉状态，弦杆均为拉弯构件。柱两端的整体变形协调并由弯矩平衡原理而产生较大的弯矩和剪力，同时通过柱传递轴力，柱处于压弯受力状态。通过估算，框架梁线刚度接近或者大于柱线刚度（跨度8米的400x800梁线刚度为层高3.7m，500宽柱的1.5倍），而柱两端承受较大的弯矩、剪力和轴力，最先开始破坏，从变形情况可知柱顶处弯矩比柱底更大，柱顶相对更容易破坏。柱顶开裂后应力释放，各构件内力重分布，进入新的平衡状态。根据力学理论，越靠近受弯支座处腹杆受力越大，柱旋转变形角度越大，承受的弯矩、剪力增大，因此越靠近不动支座的柱裂缝越多。柱开裂后，内力重分配之后梁受力增大，部分顶板梁出现裂缝。从现场情况看，柱裂缝较多集中于柱顶梁底，柱底裂缝在靠近主楼处出现，两栋主楼中间柱的裂缝较少，对应梁板裂缝也出现在靠近整体受弯地下室的两侧，中间梁板裂缝较少。
3 处理方案
3.1 应急处理方案
根据现场情况，为减轻地下室梁板柱的应力，需紧急对底板水压进行卸荷处理，防止构件进一步开裂变形。在底板分区域凿开三个直径200的孔洞，水流夹杂着泥沙在巨大的压力下喷流而出。随着板底水压减小，板面水位增高，当水流稳定后，地下室的最大变形起拱值也回位到约30mm。此时底板受力仅为上下水压差值，仅靠自重即可平衡，底板上浮力基本释放。
3.2 永久加固方案
为补偿地下室抗浮稳定问题，需对地下室抗浮措施进行加固处理。加固施工时，在地下室周边增设降水井进行降水。在底板变形基本回复后，利用新增的锚杆底板开洞对基础及底板的空隙部位进行注浆处理，加固板底虚土泥浆，填充被水流冲刷形成的孔洞，保证地基承载力防止地下室覆土后产生沉降。新增锚杆布置均匀在基础外侧，采用全长粘结型锚杆，进入中风化不小于3m，并在一次常压注浆初凝后进行二次高压注浆。锚杆钢筋在底板面弯折处设置400x400mm，厚度15mm钢板作为锚固加强措施，在底板面设置120mm厚混凝土板，板内配置双向12＠150的钢筋网作为锚杆钢筋的锚固端，兼作为抗浮压重的安全储备。全长粘结型锚杆在端部设置一道遇水膨胀止水条作为防水措施。同时底板裂缝采用高强灌浆料注浆密实进行修补。
针对框架柱损伤情况，依据鉴定报告需进行加固，对裂缝较大，箍筋受剪破坏主筋屈服变形的柱子主要采用置换混凝土加固法和外包型钢加固法，先用高强混凝土置换原强度不足和有缺损部位的部位，再采用有外粘型钢加固法进行加强，保证柱构件的截面竖向和斜截面承载能力。框架梁因裂缝较小考虑承载力折减，采用外包碳纤维提高受弯及抗剪承载力；处理梁角混凝土破坏采用高强灌浆料进行置换。顶板裂缝采用高压灌浆料进行修补后用外贴碳纤维进行补强。
4 防治成果
①通过底板应急开孔泄压，能有效地释放底板水压力，减小地下室上拱压力，缓解地下室构件损伤继续扩大的趋势。大量的排水对底板下持力层性能可能产生不利影响，通过基底压力注浆能达到补强持力层的效果，满足了地基承载力和沉降控制的要求。
②利用抗浮锚杆灵活布置的特点，对地下室抗浮稳定性进行补强，通过增设机械锚固措施和底板厚度满足锚杆钢筋的锚固要求，解决了地下室局部抗浮和整体抗浮需求。
③对出现损坏的主体梁板柱构件进行局部置换、采取提高承载力和耐久性的加强措施，满足设计和使用要求。项目交付至今地下室使用效果良好。
5 经验总结
影响地下室抗浮稳定性的因素较多，且在施工阶段和使用阶段情况复杂多变，因此设计阶段应尽量对各种不利工况进行综合考虑。但限于现有勘察手段、数据积累和经济成本因素，往往无法提供完全的保障，对抗浮设计提出了较大的挑战。本项目采用加固地基土，增设抗浮锚杆等措施对地下室上浮事故进行处理，能解决一般项目出现的类似问题，并为处理地下室抗浮稳定问题提供一定的经验积累。
