某坡地建筑地下室抗浮問(wèn)題解析

王同果，王 戍

(山東建筑大學(xué)設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

近年來(lái)，地下工程抗浮事故屢有發(fā)生。建筑工程或因抗浮設(shè)防水位確定過(guò)低，或因施工過(guò)程中地下水控制不當(dāng)，或因基坑肥槽回填密實(shí)程度不足引起地表水下滲，或因基礎(chǔ)防水板抗力不足，以及防治措施不力等原因?qū)е驴垢∈?。不僅形成了不同程度的質(zhì)量隱患，同時(shí)也造成了財(cái)產(chǎn)損失，甚至危及工程安全[1]。

本文對(duì)某坡地建筑抗浮失效事故進(jìn)行了分析與處理，總結(jié)了抗浮設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，以期為建筑工程抗浮設(shè)計(jì)提供一些有益的參考。

1 建筑工程抗浮實(shí)例概況

1.1 工程概況

某住宅小區(qū)，地上6棟11層住宅，地下1層車(chē)庫(kù)。主樓采用混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)(800 mm厚)；車(chē)庫(kù)采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，頂蓋為梁板結(jié)構(gòu)，頂板覆土厚度1.5 m～2 m，基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)+防水板，防水板厚度300 mm，防水板上設(shè)300 mm厚覆土。主樓及車(chē)庫(kù)基礎(chǔ)持力層為第③層強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖。

總平面見(jiàn)圖1。

1.2 場(chǎng)地概況

場(chǎng)區(qū)地貌屬低山丘陵，原始地形為坡地，東高西低，南北基本持平，局部整平后建設(shè)，與周邊場(chǎng)地形成臺(tái)地。工程剖面見(jiàn)圖2。

地基土層分布由上至下依次為：①素填土，②全風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖，成顆粒狀，③強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖，原巖風(fēng)化強(qiáng)烈，風(fēng)化裂隙很發(fā)育，巖體破碎，④微風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖。

水文條件：勘察期間勘察深度范圍內(nèi)終孔穩(wěn)定地下水埋深2.70 m～3.69 m(場(chǎng)地整平后勘探)，建議抗浮設(shè)防水位絕對(duì)標(biāo)高為32.00 m。

1.3 抗浮設(shè)計(jì)

抗浮設(shè)防水位按西側(cè)臺(tái)地地面標(biāo)高33.5 m取值。按整體(主樓+車(chē)庫(kù))和局部區(qū)域(純車(chē)庫(kù)部位)分別驗(yàn)算抗浮穩(wěn)定性，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.05；車(chē)庫(kù)區(qū)域抗力為：車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)自重+頂板覆土自重+防水板及覆土自重；基礎(chǔ)防水板按2.3 m水頭進(jìn)行承載力設(shè)計(jì)。

防治措施：基坑肥槽采用三七灰土分層夯實(shí)回填；周邊高地設(shè)置截水溝。

施工措施：施工期間需采取降、排水措施，保證水位在工作面0.5 m以下，且需滿足主體結(jié)構(gòu)施工至地上五層以上、后澆帶封閉、車(chē)庫(kù)頂板覆土及肥槽回填完成等條件后，方可停止降水；施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)采取有效措施，防止基坑周邊地表水流入基坑內(nèi)。

1.4 事故情況

工程于2016年3月開(kāi)工，2017年5月結(jié)構(gòu)主體完工。此時(shí)突降大雨，隨后發(fā)現(xiàn)車(chē)庫(kù)地面有隆起現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，18號(hào)～19號(hào)主樓之間的中間部位地面隆起幅度最大，最大值106 mm，車(chē)庫(kù)周邊外墻及主樓部位地面未見(jiàn)隆起，車(chē)庫(kù)頂板變形與地面相對(duì)應(yīng)。變形測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3。

2 工程抗浮事故分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)查

1)基坑開(kāi)挖時(shí)，四周坑壁采用錨噴支護(hù)，噴射混凝土C20，厚度50 mm～100 mm；基坑底部采用100 mm厚C20混凝土墊層，見(jiàn)圖4。

2)結(jié)構(gòu)主體施工完成，后澆帶封閉完成，基坑肥槽回填完成，車(chē)庫(kù)頂板覆土未施工，車(chē)庫(kù)地面覆土未施工。

未經(jīng)允許，施工單位擅自采用風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖顆粒土進(jìn)行了肥槽回填。

3)施工降水系統(tǒng)已停止運(yùn)行，相關(guān)設(shè)備、設(shè)施已拆除。

4)場(chǎng)地周邊高地部位截水溝未完成，降雨時(shí)高地地表水直接瀉入場(chǎng)區(qū)內(nèi)。

5)現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有有效應(yīng)對(duì)強(qiáng)降雨等極端天氣的防、排水措施。

2.2 事故分析

根據(jù)測(cè)量結(jié)果：主樓部位未見(jiàn)變化，隆起僅發(fā)生在純車(chē)庫(kù)部位，變形呈馬鞍形。初步判斷：可能是大雨引發(fā)地下水位上升，車(chē)庫(kù)部位浮力大于抗力，造成局部抗浮失穩(wěn)。隨即在基地北端東北角、北側(cè)、西側(cè)等部位鉆孔，測(cè)得地下水位為：東北角38.0 m；北側(cè)37.7 m；西側(cè)32.2 m。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況表明，地下水位高于抗浮設(shè)防水位。結(jié)構(gòu)整體(主樓+車(chē)庫(kù))抗浮穩(wěn)定；但主樓之間車(chē)庫(kù)部位自重小，且抗力未完全施加(頂板覆土未施工)，致使地下水浮力大于結(jié)構(gòu)抗力，造成了局部抗浮失穩(wěn)。此工況改變了以柱和墻為不動(dòng)支座的結(jié)構(gòu)受力體系，形成類(lèi)似空腹桁架的受力體系(主樓為支座，車(chē)庫(kù)頂蓋為上弦桿、基礎(chǔ)防水板為下弦桿、框架柱為腹桿)。受力簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖5。

在水浮力作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大變形，且變形中間大，端部小，符合空腹桁架受力變形特征。當(dāng)水浮力過(guò)大時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能開(kāi)裂，甚至破壞。

究其原因如下：

1)施工現(xiàn)場(chǎng)防排水措施不力，致使場(chǎng)區(qū)積水；肥槽采用透水性較強(qiáng)的風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖顆粒土回填，地表水快速滲入地下；未按設(shè)計(jì)要求實(shí)施，提前終止了降水。上述原因致地下水位快速上升。

2)基坑坑壁采用噴錨支護(hù)，底部采用混凝土墊層，整個(gè)基坑形成透水性較差的“聚水池”，下滲的地下水無(wú)法及時(shí)向西側(cè)低地排泄，致使水位居高不下。

3)坡地地形，地下水由上游向下游滲流時(shí)，遇地下工程阻礙，在地下室東西兩側(cè)形成水頭差[2-3]，產(chǎn)生滲流水壓力，這種滲流作用會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)底板產(chǎn)生浮托作用，進(jìn)一步加大了基礎(chǔ)底板的浮力。

3 事故處理

事故發(fā)生的主因是地下水位超設(shè)防水位，致使局部區(qū)域水浮力大于抗力，為此提出兩種處理方案：

方案一：在車(chē)庫(kù)部位防水板下增設(shè)抗拔錨桿，以增加抗力。優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，安全可靠。缺點(diǎn)：地下空間小，施工難度大；需穿透原有柔性防水層，破壞防水完整性；造價(jià)較高。

方案二：采用疏排水方法降低地下水位，使浮力小于抗力。優(yōu)點(diǎn)：不破壞原有結(jié)構(gòu)，施工簡(jiǎn)單，造價(jià)較低。缺點(diǎn)：參考案例較少，技術(shù)較新。

經(jīng)綜合考慮，最終采用方案二，基本措施為：人工降水，盡快完成頂板覆土施工，以消除結(jié)構(gòu)變形；設(shè)置疏排水溝，確保地下水位長(zhǎng)期保持在較低水平；加固車(chē)庫(kù)區(qū)域防水板，提高其抗浮承載力；完善抗浮防治措施，減少地表水下滲。

3.1 降水

首先采取人工降水措施，降低地下水位。具體為：在車(chē)庫(kù)外墻外側(cè)共設(shè)置5個(gè)降水井，分別位于14號(hào)樓東南角、16號(hào)樓西側(cè)、17號(hào)樓西側(cè)、18號(hào)樓東側(cè)和西側(cè)。采用水泵不間斷抽水，幾日后測(cè)得18號(hào)樓車(chē)庫(kù)東側(cè)降水井水位最高，水位標(biāo)高33.4 m，其他降水井水位標(biāo)高均低于33.0 m，地下水位降到原設(shè)防水位水平。隨后保持降水，維持水位不高于32.0 m，直至后續(xù)處理措施完畢。

與此同時(shí)，盡快完成車(chē)庫(kù)頂板覆土施工，以消除結(jié)構(gòu)變形。

3.2 疏排水措施

在場(chǎng)地西側(cè)設(shè)置永久性疏排水盲溝，及時(shí)排泄肥槽回填土下滲水。盲溝采用級(jí)配砂石，一端與基坑肥槽回填土連通(破開(kāi)原基坑坑壁噴射混凝土支護(hù)層)，另一端預(yù)埋塑料導(dǎo)水盲管并接入市政雨水系統(tǒng)。

基本設(shè)計(jì)思路：首先計(jì)算肥槽回填土雨水日下滲量，此下滲雨水全部由疏排水盲溝排泄，據(jù)此算出排水盲溝截面積，盲溝不考慮肥槽外圍和基坑底滲水排泄。

1)肥槽回填區(qū)雨水下滲量計(jì)算。

根據(jù)GB 50400—2016建筑與小區(qū)雨水控制與利用工程技術(shù)規(guī)范[4],計(jì)算肥槽回填區(qū)雨水下滲量。肥槽回填上口寬度2 m，總長(zhǎng)610 m，雨水日下滲量計(jì)算見(jiàn)式(1)：

Ws=αKJAsts

(1)

其中，Ws為滲透量；α為綜合安全系數(shù)，考慮順暢滲透，取值1.0；K為回填土滲透系數(shù)，按細(xì)砂考慮，不考慮地表素土回填有利因素，取值1.16×10-5m/s；J為水力坡降，一般可取1.0；As為有效滲透面積，按肥槽上口平面投影面積計(jì)算；ts為滲透時(shí)間，按24 h考慮。

則：肥槽回填區(qū)雨水日下滲量為：

Ws=1.0×1.16×10-5×1.0×2×610×24×60×60=1 223 m3。

2)盲溝滲透面積計(jì)算。

排水盲溝滲透截面積計(jì)算由式(1)推導(dǎo)得出，見(jiàn)式(2)：

As=Ws/αKJts

(2)

式中各參數(shù)含義同式(1)：Ws取肥槽回填區(qū)日下滲量1 223 m3；α考慮長(zhǎng)期運(yùn)行土顆粒堵塞空隙致排水效率降低，取值0.5；K值參考文獻(xiàn)[5]，按礫石考慮，取值3.0×10-3m/s；J取1.0；ts按24 h考慮。

則：As=1 223/(0.5×3.0×10-3×1.0×24×60×60)=9.4 m2。

對(duì)于級(jí)配碎石，K值離散性較大，其與碎石顆粒的形狀、大小及分布特征關(guān)系密切，準(zhǔn)確數(shù)值應(yīng)根據(jù)實(shí)際級(jí)配情況通過(guò)實(shí)測(cè)確定[6]。在本工程中，因排水盲溝僅為輔助措施，故取經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行計(jì)算，可以滿足工程要求。

3)導(dǎo)水盲管計(jì)算。

導(dǎo)水盲管采用直徑300 mm硬聚氯乙烯(PVC-U)塑料管。塑料管表面均勻打孔，孔徑5 mm，孔隙率不小于10%。根據(jù)GB 50014—2006室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范[7](2016年版)，水力計(jì)算見(jiàn)式(3)，式(4)。

qp=A·v

(3)

(4)

其中，qp為排水管設(shè)計(jì)流量，m3/s；A為管道在設(shè)計(jì)充滿度的過(guò)水?dāng)嗝?，m2，充滿度按0.5考慮；v為流速，m/s；R為水力半徑；I為水力坡度，采用排水管坡度0.5%；n為管道粗糙系數(shù)，塑料管取值0.011。

經(jīng)計(jì)算，300 mm管流量為0.04 m3/s，24 h流量為3 456 m3，單管流量大于肥槽日雨水下滲量。

塑料管滲水孔面積計(jì)算：管長(zhǎng)4 m，孔隙率10%，開(kāi)孔面積為0.38 m2，大于排水管截面積0.07 m2，可有效滲透。

塑料管周身包裹滲透性土工布，既能保證水的滲透，又能阻止土顆粒流失。

4)盲溝布置。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合場(chǎng)地條件，在場(chǎng)地西側(cè)設(shè)置三道疏排水盲溝，布置見(jiàn)圖1，盲溝做法見(jiàn)圖6，圖7。

3.3 提高工程抗浮安全度

隨著時(shí)間推移，因泥沙隨水流的流動(dòng)填塞，疏排水盲溝的排水效率會(huì)降低，為保證工程長(zhǎng)期抗浮安全，需適當(dāng)提高抗浮設(shè)防水位，以增加抗浮安全度。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究，暴雨等極端天氣條件下，坡地建筑基坑上下游水位不等，形成水位差，壓力水頭順坡方向呈曲線狀，上游大，下游小。當(dāng)下游排泄條件良好時(shí)，上游水頭曲線變得平緩，趨向于水平直線段，此時(shí)抗浮水頭可沿坡度方向折線取值，見(jiàn)圖8，本工程取簡(jiǎn)化水位線水平段水頭h作為浮力水頭，計(jì)算見(jiàn)式(3)：

(3)

其中，h為水平段水頭；Hu為基坑上游填土厚度；Hd為基坑下游填土厚度。上述參數(shù)均從防水板底標(biāo)高算起。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況：Hu=38.5-31.2=7.3 m；Hd=33.5-31.2=2.3 m。

抗浮水位絕對(duì)標(biāo)高：4.1+31.2=35.3 m。據(jù)此進(jìn)行抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算和防水板承載力復(fù)核，經(jīng)驗(yàn)算，抗浮穩(wěn)定性滿足新抗浮設(shè)防水位要求，防水板承載力不足，需加固。

防水板加固措施：原防水板不動(dòng)，在防水板頂部增設(shè)200 mm厚鋼筋混凝土層，新舊混凝土須牢固結(jié)合，一體受力。具體構(gòu)造見(jiàn)圖9。

防水板加固工作須在結(jié)構(gòu)變形恢復(fù)后進(jìn)行。

3.4 完善抗浮防治措施

采取以下防治措施，減少地表水下滲：

1)地下室頂板覆土(包括肥槽區(qū)域)底部設(shè)300 mm厚三七灰土的隔水墊層，以上回填土采用黏性土，阻止地表水的下滲。

2)完善周邊高地截水溝設(shè)置，防止場(chǎng)區(qū)外地表水侵入場(chǎng)地內(nèi)。

3)場(chǎng)區(qū)地面采取有組織排水，利于場(chǎng)地雨水排泄，防止積水。

3.5 處理效果

采取上述處理措施后，結(jié)構(gòu)上浮變形全部消除；疏排水系統(tǒng)運(yùn)行有效，地下水位保持在較低水準(zhǔn)。截止目前，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形和室內(nèi)滲水現(xiàn)象，說(shuō)明處理效果良好。長(zhǎng)期效果有待進(jìn)一步觀察。

4 結(jié)語(yǔ)

1)地下室存在水浮力時(shí)，既要滿足整體抗浮穩(wěn)定，也要滿足局部區(qū)域抗浮穩(wěn)定，否則，極易發(fā)生抗浮失穩(wěn)事故。

2)坡地建筑地下工程水浮力的計(jì)算，應(yīng)考慮滲流水壓力的影響。當(dāng)下游排泄條件良好時(shí)，滲流水壓力可根據(jù)文獻(xiàn)[8]提供的折線方法計(jì)算。場(chǎng)地沿順坡方向形成多級(jí)臺(tái)地時(shí)，可按臺(tái)地分段取值。

3)有自排水條件的工程可以采取設(shè)置盲溝、排泄溝等永久疏排水措施，降低地下水位。此方法近年來(lái)已在很多工程中采用，文獻(xiàn)[9-10]亦介紹了成功應(yīng)用的具體案例。但應(yīng)特別關(guān)注盲溝后期排水效率可能降低的問(wèn)題，同時(shí)，亦應(yīng)關(guān)注土壤顆粒流失可能造成的地基和土體穩(wěn)定問(wèn)題。

4)基坑肥槽應(yīng)采用透水性低的材料密實(shí)回填，防止地表水下滲。

5)施工階段抗浮穩(wěn)定性控制是工程抗浮的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)引起足夠重視。工程施工前應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)文件、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和環(huán)境條件等編制工程抗浮預(yù)案，并經(jīng)審批后嚴(yán)格實(shí)施。

影響建筑工程抗浮安全的因素眾多，抗浮設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“預(yù)防為主、降減優(yōu)先、阻抗結(jié)合、實(shí)用耐久、確保安全”的抗浮理念。