某在建工程的下沉廣場上浮原因分析

趙寶生，彭文柏，溫 強

（1.云南省建筑結(jié)構(gòu)與新材料企業(yè)重點實驗室，云南 昆明 650223；2.昆明市建筑工程結(jié)構(gòu)安全和新技術(shù)重點實驗室，云南 昆明 650223；3.云南省建筑科學(xué)研究院，云南 昆明 650223）

0 引 言

隨著現(xiàn)代城市的快速發(fā)展，建設(shè)用地資源日趨緊張［1］，高層建筑不斷興建，地下空間技術(shù)的不斷應(yīng)用，埋置于地下的車庫、人防工程逐漸增多，對地下空間的利用提出更高要求，大型、超深基坑層出不窮。與此同時，深埋地下水的分布情況錯綜復(fù)雜，地下水分布及其水位對建筑地下及地上結(jié)構(gòu)的不利影響也越來越大，尤其在高水位地區(qū)，抗浮問題多種多樣，底板隆起、梁柱節(jié)點破壞事故頻發(fā)，結(jié)構(gòu)抗浮成為建筑行業(yè)研究的重點問題之一。本文介紹某在建工程項目地下室上浮問題分析研究，并對上浮的部分原因進(jìn)行分析，為同類型的工程項目提供參考。

1 工程概況

某在建工程項目包括地下室、5 棟高層建筑、多層商業(yè)街建筑及幼兒園，整個場地為Ⅱ類建筑場地，±0.000 m 相當(dāng)于絕對高程 1 632.200 m，地下室底板板面標(biāo)高為 -11.200 m，相當(dāng)于絕對高程 1 621.000 m，地下 2 層頂板板面（下沉廣場樓面板）標(biāo)高 -7.45 m，相當(dāng)于絕對高程 1 624.750 m，設(shè)計抗浮最高水位相當(dāng)于絕對高程 1 628.800 m。

地下室部分采用獨立承臺下長螺旋鉆孔灌注樁（抗拔）基礎(chǔ)，另做防水底板，防水板混凝土墊層下設(shè)150 mm 厚松散材料。長螺旋鉆孔灌注樁設(shè)計有效樁長16 m，實際施工時變更為 12 m，樁尖進(jìn)入第⑤層礫砂層，且進(jìn)入持力層深度不小于 1.5 m。單樁抗壓承載力極限值為 1 600 kN，單樁抗拔承載力極限值為1 300 kN。

該工程于 2011 年 10 月 20 日開工，2014 年 2 月停工，停工時地下室主體結(jié)構(gòu)已施工完畢，上部建筑結(jié)構(gòu)主體施工完成，部分上部建筑填充墻已經(jīng)完成砌筑，2017 年 3 月 28 日工程正式復(fù)工，2017 年 5 月開始進(jìn)行地下室頂板防水層施工，2017 年 11 月開始土方回填，2018 年 4 月完成地下室頂板土方回填工作。

2018 年 8 月現(xiàn)場工作人員發(fā)現(xiàn)下沉廣場部分墻體、梁柱等出現(xiàn)損傷現(xiàn)象，并進(jìn)行了一系列觀測等工作，為充分掌握此次損傷現(xiàn)象的原因及后續(xù)處理措施，技術(shù)人員于 2018 年 8 月 19 日～ 2018 年 8 月 26 日現(xiàn)場進(jìn)行構(gòu)件損傷檢測，檢測時大部分室外工程完成碎石墊層（厚度約 200 mm）和土夾石回填（厚度約 300 mm），厚度約 300 mm 的種植土未回填。

2 現(xiàn)場檢測

2.1 構(gòu)件損傷變化過程

2018 年 8 月 4 日上午 9 時發(fā)現(xiàn)下沉廣場地下 1 層9-13/a-b 軸區(qū)域內(nèi)的墻體出現(xiàn)開裂情況，多處墻體出現(xiàn)呈 45 °裂縫。

2018 年 8 月 5 日上午 8 時 30 分，發(fā)現(xiàn) 2018 年 8 月 4 日出現(xiàn)的墻體開裂的裂縫寬度繼續(xù)擴大，同時發(fā)現(xiàn)地下 2 層 b 軸、c 軸的框架柱柱腳處出現(xiàn)了擠壓性破壞。

2018 年 8 月 6 日上午 8 時 30 分，下沉廣場區(qū)域地下 1 層結(jié)構(gòu)板出現(xiàn)明顯凸起，經(jīng)現(xiàn)場測量該區(qū)域樓面板最大凸起量已達(dá) 500 mm，該區(qū)域填充墻出現(xiàn)裂縫及抹灰層脫落現(xiàn)象，地下 1 層結(jié)構(gòu)柱局部出現(xiàn)肉眼可見裂縫；此時地下 2 層地下室底板也存在凸起，同時發(fā)現(xiàn)地下 1 層結(jié)構(gòu)梁板已出現(xiàn)不同程度的裂縫，并在下沉廣場以西的部位在同一條軸線上發(fā)現(xiàn)框架柱在梁底下位置出現(xiàn)剪切破壞。截止下午 17 時，結(jié)構(gòu)上浮量最大值達(dá)到730 mm，局部框架柱及框架梁已出現(xiàn)破壞。

2018 年 8 月 7 日安裝水泵對地下 2 層8/X 柱邊防水底板剪切破壞地方涌出的水進(jìn)行抽排。

2018 年 8 月 8 日凌晨開始至下午 15 時共完成下沉廣場周邊 8 個泄壓排水孔開孔工作。開孔過程中在靠近某棟高層的 4 個排水孔成孔完成后從孔內(nèi)涌出 1.3 m 高的水柱。本次開孔泄壓只是鉆透防水板，未穿透墊層混凝土，泄壓過程中未出現(xiàn)泥砂涌出現(xiàn)象。開孔泄壓工作完成后，下沉廣場結(jié)構(gòu)上浮情況得到有效控制和好轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)上浮量由 730 mm 恢復(fù)到 470 mm，結(jié)構(gòu)損傷也未繼續(xù)加重。

2018 年 8 月 9 日，根據(jù)第三方觀測數(shù)據(jù)顯示，下沉廣場結(jié)構(gòu)上浮量恢復(fù)到 257.1 mm。

2018 年 8 月 10 日，泄壓孔仍有大量地下水涌出，地下室積水抽排工作仍在繼續(xù)；下沉廣場結(jié)構(gòu)上浮量趨于穩(wěn)定。當(dāng)天下午勘察單位人員從基準(zhǔn)控制點引測的當(dāng)天水位高度絕對高程為 1 629.82 mm。

2018 年 8 月 11 日，第三方觀測數(shù)據(jù)顯示無變形和復(fù)位，現(xiàn)場抽水工作還在繼續(xù)。當(dāng)天下午 15 時引測水位絕對高程為 1 629.61 m。

2018 年 8 月 12 日，型鋼支撐的制作和安裝工作仍在繼續(xù)，第三方觀測數(shù)據(jù)顯示無變形和復(fù)位，當(dāng)天下午 15 時對地下水位進(jìn)行引測的水位絕對高程為 1 629.39 m。

2018 年 8 月 13 日和 8 月 14 日，玉溪通?？h發(fā)生兩次 5.0 級地震，當(dāng)天地下水位觀測點的實測水位為1 629.28 m。

2018 年 8 月 15 日～ 8 月 26 日，型鋼支撐和抽排水工作仍在繼續(xù)，大部分泄壓孔仍有水流出。

2.2 構(gòu)件損傷檢測結(jié)果

以下沉廣場對應(yīng)區(qū)域為中心，受影響程度由中心區(qū)域向外逐漸減弱，主要損傷表現(xiàn)為梁柱節(jié)點（柱頭、柱腳與梁交接部位）開裂、混凝土壓剪、拉壓、擠壓損傷和破壞，大部分嚴(yán)重?fù)p傷的柱頭柱腳保護(hù)層范圍內(nèi)的混凝土脫落。

地下 2 層共 57 根柱存在損傷，地下 1 層共 43 根柱存在損傷，地下 2 層局部梁損傷嚴(yán)重、地下 1 層梁損傷輕微，大部分梁存在豎向及梁底 U 型裂縫，地下 2 層底板開裂嚴(yán)重，地下 2 層、地下 1 層影響范圍內(nèi)填充墻存在裂縫，損傷嚴(yán)重，地下 2 層剪力墻損傷嚴(yán)重。

1）地下 2 層 6 根柱混凝土壓裂、壓碎、豎向鋼筋彎曲和外露、橫截面錯位 30～200 mm，已喪失承載能力，破損如圖1～2 所示。

圖1 柱頭開裂

圖2 柱腳開裂

2）地下 2 層其余柱及地下 1 層柱普遍存在柱頭、柱腳水平及斜裂縫，部分柱頭柱腳保護(hù)層混凝土開裂、脫落。

3）局部地下 2 層梁梁底及側(cè)面存在豎向及斜裂縫、混凝土保護(hù)層開裂、脫落，裂縫最大寬度 2 mm，已嚴(yán)重影響承載能力，其余對應(yīng)柱、梁影響區(qū)域內(nèi)的梁均存在豎向 U 型裂縫（兩個側(cè)面及底面），如圖3～4 所示，裂縫數(shù)量多，裂縫寬度小，大多數(shù)裂縫寬度小于0.3 mm，U 型裂縫數(shù)量多、大多數(shù)寬度在 0.05 mm?？傮w上地下 2 層影響程度大于地下 1 層。

圖3 全梁 U 型開裂

圖4 梁跨中 U 型開裂

4）影響區(qū)域內(nèi)的 3 面剪力墻均存在斜裂縫，局部混凝土壓碎、鋼筋彎曲和外露，已嚴(yán)重影響承載能力；與柱頭交接處混凝土壓碎、鋼筋彎曲、外露，嚴(yán)重影響局部承載能力，破損如圖5 所示。

圖5 剪力墻及柱頭破損嚴(yán)重

5）地下 2 層底板在經(jīng)歷上浮及恢復(fù)變形后，混凝土板面呈網(wǎng)格狀裂縫，縱向、橫向、斜向裂縫均有，最大裂縫寬度 2.0 mm，裂縫寬度在沿軸線字母方向裂縫寬度較大；地下 2 層底板已施工完找平層的板面同樣存在大量不規(guī)則裂紋；裂紋與混凝土面裂縫不一定對應(yīng)。

6）地下 2 層頂板板底在柱梁影響區(qū)范圍內(nèi)均存在裂縫，呈不規(guī)則形狀，裂縫最大寬度 1.2 mm。裂縫出現(xiàn)的數(shù)量與底板相比較少。

7）柱影響區(qū)域內(nèi)的填充墻存在豎向、水平、斜裂縫、交叉裂縫，部分填充墻已嚴(yán)重?fù)p壞；破損如圖6 所示。

圖6 剪力墻斜向開裂

2.3 損傷區(qū)域梁板柱變形檢測

1）損傷區(qū)域沉降檢測。地下 2 層底板以距離下沉廣場較遠(yuǎn)點為基準(zhǔn)點，12-13/X-Y 區(qū)域的中點位置附近為凸起最高點，相比基準(zhǔn)點高差為 +261 mm，以此點為最高點向周邊逐漸降低。地下 1 層以下沉廣場邊緣為基準(zhǔn)點，則 11/Y 柱相應(yīng)位置為凸起最高點，相比基準(zhǔn)點高差為 +267 mm，以此點為最高點向周邊逐漸降低。

2）豎直構(gòu)件垂直度偏差檢測。采用 2 m 靠尺和全站儀對框架柱的垂直度進(jìn)行量測，發(fā)現(xiàn)下沉廣場及周邊的區(qū)域垂直偏差方向突變比較嚴(yán)重，說明該區(qū)域已發(fā)生嚴(yán)重不均勻變形，地下 1 層框架柱垂直度偏差最大值 35 mm。

3）水平構(gòu)件撓度檢測。采用全站儀對地下 2 層框架梁的撓度進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn) 9-10/Y 梁的 9 軸線端的變形值最大，為 -145 mm。

2.4 地下水位查勘及觀測

2018 年 8 月 8 日在地下室外墻側(cè)壁外開挖地下水位觀測點，8 月 10 日引測地下水位高程為 1 629.82 m，8 月11 日引測地下水位高程為 1 629.61 m，8 月 12 日引測地下水位高程為 1 629.39 m，8 月 14 日引測地下水位高程為 1 629.28 m。2018 年 8 月 24 日在地下水位觀測點實測地下水位高程為 1 629.28 m。

查氣象網(wǎng)，該地區(qū) 2018 年度累計降水量為610.8 mm，自 5 月進(jìn)入雨季開始，每月有 15 d 以上降雨，7 月份降水量為 188 mm，截至 8 月 29 日 8 月份降水量為188.3 mm。即 7 月、8 月兩月降水超過 2018 年累計降水量的 61.6 % 以上。

2018 年 8 月 3～5 日持續(xù)出現(xiàn)較大降水，發(fā)生大雨、暴雨現(xiàn)象，中國氣象網(wǎng)發(fā)出該地區(qū)暴雨藍(lán)色預(yù)警，24 h 內(nèi)出現(xiàn)超過 50 mm、局部超過 80 mm 的降水。

綜上，地下水位提升與下沉廣場上浮破壞的時間較為契合，需進(jìn)行抗浮驗算分析。

3 抗浮驗算分析

3.1 抗浮驗算方法

抽取具有代表性的地下室地下 2 層 3 個框架柱及附屬區(qū)域進(jìn)行抗浮計算，分別選取 12/Y 柱、9/X 柱和13/b 柱，其中 12/Y 柱大致位于下沉廣場中心，承擔(dān)荷載主要為地下 2 層及地下荷載；9/X 柱大致位于下沉廣場邊緣，承擔(dān)荷載主要為部分地面荷載、地下 1 層荷載、地下 2 層荷載及地下荷載；13/b 柱距離下沉廣場邊緣水平距離 8.4 m。

3.2 驗算結(jié)果分析

各柱的有效承載范圍內(nèi)的荷載主要為地面填土恒荷載、地下 1 層和地下 2 層結(jié)構(gòu)自重（包括相應(yīng)的梁板柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件）；抗拔樁的承載力采用承載力極限值 1 300 kN 計算，各柱的荷載及承載力如表1 所示。

浮力作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，抗浮樁應(yīng)已達(dá)到或接近其極限承載力，本項目在設(shè)防水位和實測最高水位下的驗算結(jié)果與實際破壞現(xiàn)象基本一致，即驗算不符合規(guī)范要求的部位在實際中也發(fā)生了破壞，而且破壞現(xiàn)象較為明顯，說明該項目抗拔樁已達(dá)到或接近其極限承載力，進(jìn)而說明抗拔承載力極限值取值不當(dāng)，原因如下。

1）該項目基樁抗壓承載力極限值為 1 600 kN，抗拔承載力極限值為 1 300 kN，為抗壓承載力極限值的81.25 %，根據(jù) JGJ 94－2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［2］第5.4.III 節(jié)相關(guān)內(nèi)容可知，樁抗拔承載力極限值約為抗壓承載力極限值的 0.50～0.80，即抗拔承載力極限值需根據(jù)不同土質(zhì)類型進(jìn)行相應(yīng)的折減，但其抗拔承載力極限值不可能高于抗壓承載力極限值的 80 %。

2）樁側(cè)表面第 i 層土的抗壓極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值 qsik的本質(zhì)是土體與樁身表面的摩阻力，因此可采用式（1）進(jìn)行分析。

式中：γj為第 j 層土的有效重度，kN/m3；hj為第 j 層土的厚度，m；φi為第 i 層土的內(nèi)摩擦角，°。

在無水時約為 16～20 kN/m3，在有水條件下約為 6～10 kN/m3，降低幅度不低于 50 %，抗拔樁承載力檢測時因基坑降水或處于非雨季等因素，地下水位較低，但實際使用中地下水位升高，導(dǎo)致樁身周邊土體的有效重度下降進(jìn)而引起 qsik降低，最終使得樁抗拔承載力極限值隨之等幅下降。

3）上述分析未考慮樁抗壓承載力極限值中樁端阻力的貢獻(xiàn)，若考慮樁端阻力的貢獻(xiàn)，則抗拔承載力極限值還應(yīng)更低。

綜上所述，該工程的抗拔承載力極限值取值不當(dāng)且偏高。

4 上浮及構(gòu)件損傷原因分析

4.1 上浮原因分析

該場地地下水屬潛水類型，地下水具微承壓性，地下水來源主要靠大氣降雨及地表水補給。場地表層為第四系人類活動層，主要為①雜填土、②耕土，其結(jié)構(gòu)松散，孔隙較大，土層賦存有少量孔隙水。下部的粗顆粒砂土層④層中砂、⑤層礫砂、⑤1層卵石、⑦層礫砂、⑨層礫砂、11層礫砂、⑤4層中砂等為場區(qū)內(nèi)主要含水層，其分布范圍廣，厚度大，整個場地為中等富水場地。

表1 驗算柱的荷載及承載力統(tǒng)計表

地下室底板底面和抗浮樁均位于⑤層礫砂含水層，大底板開挖后整個場地開敞，基礎(chǔ)底部和場地四周局部或全部連通，地下水又主要靠大氣降雨及地表水補給，因此，在極端天氣地表水大量聚積時，地下水快速得到補給，短時間內(nèi)提升地下水所產(chǎn)生的的水壓力，迅速提高對底板形成的浮力，當(dāng)結(jié)構(gòu)抗浮承載力低于浮力時，發(fā)生地下室底板上浮、拱起現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件造成損傷。

下沉廣場底板設(shè)計抗浮水位 1 628.8 m，抗浮驗算顯示，下沉廣場底板中部的臨界水位為 1 628.3 m，下沉廣場邊緣的臨界水位為 1 628.8 m，距離下沉廣場邊緣 8.4 m 的部位臨界水位為 1 629.7 m。計算顯示的臨界水位接近設(shè)計抗浮水位。近期檢測期間實測水位為1 629.28 ～1 629.82 m。而 2018 年 8 月 3 日～8 月 5 日暴雨期間，實際最大水位還可能高于實測水位，故短時間內(nèi)大暴雨造成場地內(nèi)外大量地表水下滲，進(jìn)而提高了地下水位，致使實際浮力作用超出抗浮水位確定的抗浮承載能力。

綜合而言，本工程地下室上浮主要是基于下列兩點原因。

1）樁抗拔承載力極限值取值偏高，導(dǎo)致基礎(chǔ)的抗浮承載力儲備值較低，應(yīng)對偶然高水位或大概率高水位時的抗浮可靠性較低。

2）施工期間面臨暴雨季節(jié)時的降排水措施不力，導(dǎo)致暴雨季節(jié)時地下水位驟升，浮力大幅增加。

4.2 構(gòu)件損傷原因分析

地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于下沉廣場上浮引起構(gòu)件產(chǎn)生裂縫和變形。

1）浮力導(dǎo)致框架梁梁端產(chǎn)生較大的剪切變形，梁端出現(xiàn)因剪切變形產(chǎn)生的斜裂縫和豎向 U 型裂縫，裂縫沿梁高下寬上窄。

2）浮力在柱端產(chǎn)生水平作用力，上下柱端產(chǎn)生剪切裂縫，因此造成柱端產(chǎn)生斜向剪切裂縫，混凝土剪切破壞，橫截面錯位（最大錯位近 200 mm），混凝土壓碎，鋼筋屈服、彎折。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié) 論

針對該工程上浮及結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷經(jīng)過現(xiàn)場檢測與理論分析可得以下幾條主要結(jié)論 。

1）該工程在確定抗浮樁的抗浮承載力極限值時取值偏高，進(jìn)而導(dǎo)致該工程的抗浮安全度較低，在遭遇高于抗浮設(shè)計水位約 1.0 m 左右的水位時即嚴(yán)重破壞。

2）該工程的設(shè)計抗浮水位取值時未考慮極端氣候下的地下水位上升，導(dǎo)致工程在本地雨季地下水位上升時，抗浮承載力不足而出現(xiàn)破壞。

5.2 建 議

針對該工程的破損及相應(yīng)問題，提出如下幾條建議以供類似工程項目參考。

1）抗拔樁承載力極限值的確定應(yīng)綜合考慮試樁方式、地下水位變化、施工工藝等條件，不可僅按照試樁報告提供的極限值進(jìn)行確定。

2）設(shè)計抗浮水位應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件、地下水的賦存條件、地下水的補給條件等綜合確定，不應(yīng)按照勘察時的最高水位確定。

3）若考慮樁基的變剛度調(diào)平設(shè)計等因素而不能增加相應(yīng)抗拔樁的數(shù)量，可考慮抗拔樁與抗拔錨桿綜合布置的抗浮措施，在不過多增加樁基抗壓承載力的前提下增加樁基的抗拔承載力。

6 結(jié) 語

本文通過某在建工程的下沉廣場抗浮破壞的調(diào)查、損傷檢測及地下水位的觀測等，針對上浮原因進(jìn)行了鑒定分析，指出現(xiàn)有抗浮設(shè)計中存在的不足。抗浮水位的取值、抗浮樁抗浮承載力的試驗方法、抗浮措施的優(yōu)化選擇等都需要進(jìn)一步的研究。