近年来, 随着城镇化进程的发展, 带有地下室的高层建筑物、地下商场和地下车库等地下建 (构) 筑物大量涌现。在地下水作用下, 结构局部抗浮、整体抗浮不足导致结构出现工程事故^[1]。常用的抗浮加固设计方法为:增加结构抗力法、排水减压法^[2,3]。增加结构抗力法一般采用设置抗拔锚杆, 通过地下室底板上布置的锚杆来抵抗水浮力, 其施工周期长、难度大, 并不能完全保证建筑结构的安全;排水减压法通过排水降低水位, 减小作用在结构底板上的水荷载, 排水减压法在一定程度上克服了前述方法的缺点, 其工期短、难度小。

结构出现抗浮破坏时, 首先需要在地下室底板隆起较高的部位布置一定数量的泄水孔, 及时有效对底板泄压, 使隆起的底板复位, 避免结构继续开裂^[4,5,6]。排水减压的具体方法有: (1) 方法1恢复原有的抗浮能力, 室外排水盲沟和降水井抽排水^[5]; (2) 方法2改造底板集水坑, 增设导流管道疏导地下水进入集水坑, 集水坑抽水^[6]; (3) 方法3底板增设室内降水井, 在底板新增面层内铺设一定数量的排水管网, 使底板隆起较高部位泄水孔的水自流到室内降水井, 然后将地下水抽排至室外;在基坑支护结构与地下室外墙间的间隙, 布置排水盲沟, 经盲沟管道排入室外集水井, 最终排入市政管网^[7]。方法1适用于原结构破坏不严重或原结构加固代价不大的情况, 同时要求室外盲沟和降水井的抽排水可以使地下水水头高度不超过原设计水头高度。方法2适用于底板下出水点靠近集水坑, 或底板下的蓄水连通性较好情况, 若出水量较大, 需要加大原有集水坑内径。方法3思路新颖, 底板排水管网及降水井的布置需要考虑底板下出水点、排水路径等诸多因素, 若地下室底板面积较大, 需要布置较多室内降水井及水泵。

由于强降雨及基坑的“盆池”效应, 某老年中心改扩建工程结构地下室发生了结构抗浮工程事故。底板下的回填层较密实, 而且地框梁隔断了水流的通道, 使底板下的水连通性较差。泄水减压的应急措施没有有效及时地对底板泄压, 使地下结构的梁、板破坏严重, 抗浮加固的处理延缓至枯水期。前述方法1, 2已不适用于本工程的枯水期抗浮加固。本文在方法3的基础上, 提出如下排水减压措施: (1) 室外盲沟自流排水, 降水井作为强降雨时的预留抽排水使用; (2) 原有底板布置较多的排水孔 (由于排水孔较多, 底板类似于筛子, 本文将这些排水孔简称为筛孔) , 通过底板新增垫层内的排水管网使地下水自流到地下室底板的原有排水沟、集水井; (3) 对底板积水仍然较多的部位, 为保持底板干燥及新增垫层的耐久性, 采用原底板开槽设盲沟的方法使积水自流到原有排水结构, 然后抽排水到室外。在完成排水减压后, 采用裂缝修补材料及碳纤维加固地下室结构的梁、板等破坏构件。丰水期的工程实践表明, 本抗浮加固措施能有效降低底板下的地下水水位, 底板能保持干燥;该抗浮加固方法对枯水期的抗浮处理具有参考意义。

本工程为某老年中心改扩建工程, 如图1所示。项目总用地面积4 529m², 总建筑面积28 670m², 其中, 地上19 628m²、地下9 042m²。工程位于喀斯特溶蚀地貌区, 地势西高东低。根据地质勘察报告, 其地层为第四系及三叠系安顺组地层, 场地土层为杂填土、红黏土、三叠系安顺白云岩;场地地下水为第四系松散层孔隙水和碳酸盐岩岩溶裂隙水, 水量随季节变化而变化, 受季节影响大。场地范围无崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、土洞、液化土体等不良地质现象。持力层为中风化白云岩, 持力层地基承载力特征值f_ak≥3 500k Pa。

建筑平面呈矩形, 从西到东依次分为A, B 2区, 地下2层, 车库车位共计235个, 层高均为3.9m;地上5层, 建筑高度36.7m。地下结构采用框架结构, B2层底板面标高为-7.840m, 底板板厚300mm, B2层结构如图2所示。B2, B1层顶板面标高分别为-3.940, -0.040m, 顶板厚度分别为100, 160mm, 其结构布置与图2类似。柱下采用独立柱基础, 钢筋混凝土挡土墙下采用条形基础。地下结构的柱网尺寸多为7.8m×7.8m, 大部分柱截面尺寸为600mm×600mm, 少部分柱截面尺寸为800mm×1 000mm, 地框梁截面尺寸为450mm×800mm, 其余框梁主要截面尺寸为400mm×600mm。地上结构主要采用大跨度钢筋混凝土空腹夹层板结构, 结构的主要跨度为15.64, 23.4, 31.0, 39.0m;屋面为正放四角锥钢网壳。1层顶板面标高为6.960m, A区的结构跨度为23.4m, B区的结构跨度为15.64m, 如图3所示。抗震设防烈度为6度, 丙类建筑, 设计分组为第1组, ±0.000相当于绝对标高1 088.080m, 勘察设计抗浮水位绝对标高为1 083.100m, 地下室底板底绝对标高为1 079.940m, 抗浮水头高度为3.2m。

本工程2016年12月完成基坑回填, 回填期间预留3处水位观测点, 经过长期观测南侧预留井口水位标高, 在雨量较少时段, 水位标高平均值为1 083.820m, 超出设计水位标高0.720m, 地下室水位无明显变化。2017年6月初该地区逐步进入雨季, 在巡查中发现建筑周围3处预留水位观测井始终保持最高水位, 且有溢出现象。2017年6月15日监理单位检查时发现地下室底板拱起开裂, B1, B2层部分顶板出现规则裂纹;?轴交 (2) ~ (6) 轴、?轴交 (2) ~ (6) 轴的-3.940, -0.040m标高区域, 梁底面出现自下向上延伸裂缝。B2层的结构底板、抹灰墙面渗水严重。

观察现场得知, 由于结构上部为大跨度空间结构, 如图3所示, 在-0.040m标高的抽柱使地下室中部柱较少, 形成了抽柱效应, 其导致地下室结构在高水头作用下, 底板带动受荷载较小的柱上浮, 越靠近抽柱中心, 底板拱起越明显, 最大处拱起约160mm。?轴的柱通顶, ?轴的柱延伸到标高17.160m, 受荷载较大, 无拱起。上部抽柱部位的下部框架柱受荷载较小, 随着底板拱起, 该柱基本无裂缝发展。这些框架柱的拱起使?轴交 (2) ~ (6) 轴的梁、?轴交 (2) ~ (6) 轴的梁承受较大正弯矩, 梁裂缝为典型的下宽上窄式受弯开裂, 裂缝宽度均值为0.2mm, 少数构件裂缝达0.3mm。部分地下室底板、顶板的跨中、支座处存在开裂现象, 裂缝沿45°角或平行于支座方向发展且贯穿, 其裂缝宽度均值为0.2mm。

经各单位紧急商议后, 为减轻对原有底板防水层的破坏, 在地下室底板东、西2个集水井的4个侧壁分别开50泄水孔, 进行底板下蓄水层泄压。对泄水孔涌出水量及南北两侧未回填塔式起重机坑水位进行持续观测。在泄压或降水变化过程中, 不间断持续观察梁、板、柱的裂缝发展情况。持续观测2个月后, 本地区已进入枯水期, 强降雨过后的“盆池”效应依然存在, 导致地下室泛水严重, 结构构件裂缝开展增大。梁裂缝开展宽度最大为2.68mm;B1, B2层大部分顶板都出现裂缝, 板裂缝开展宽度为0.45mm。

可见, 本应急处理措施并没有及时有效地对底板下的蓄水层泄压, 高水头作用下的水浮力仍然存在, 其导致地下室结构的裂缝继续开展。这主要是由于底板下的回填层较密实, 地框梁隔断了水流通道, 使底板下的水连通性较差;东、西2个集水坑开孔仅能对其周边的蓄水层泄压, 无法覆盖到4 521m²底板下的蓄水层。

本工程已进入枯水期, 项目工期短、时间紧, 需要在枯水期对该地下室上浮拱起事故予以处理。由于在枯水期的地下水水位较低, 不具有代表性及典型性, 要求处理措施有效而且留有一定余量。采取相应措施, 释放水浮力和对受损构件进行修复, 以满足结构在丰水期的正常使用要求。

对事故现场认真勘察全面分析后, 认为地下室上浮、结构构件开裂的主要原因如下。

1) 该场区地下部分常年未经扰动, 已形成自有体系, 开挖时破坏了原有体系, 地下水无法正常沿原有场地裂隙通行;该区域地质条件较好, 地下室周边围岩较紧密, 基坑边壁土层进行了喷锚封闭, 渗透系数较低;本项目地势较低, 开挖后形成明显的“盆池”, 周边地下裂隙水均涌入基坑底部, 且无法及时流出, 形成“盆池”效应。基坑回填完成后, 从2017年6月初起进入连续性大暴雨期, 日降雨量>200mm, 地下水充裕, 该处处于“盆池”中, 大量水涌入此处, 导致地下室水位在短时间内迅速升高, 严重超出抗浮设计水位, 致使地下室底板、B1层、B2层梁板开裂。

2) 通过持续观测预留的塔式起重机基坑集水面, 发现北侧集水面始终比南侧的高, 可基本说明北侧地势较高、土壤蓄水位也较高, 且不能较迅速地与南侧塔式起重机基坑的集水面连通泄水, 从而导致地下水滞留。其对地下室底板形成较大的水压力, 一旦超过抗浮水位的设防, 对结构将产生破环性影响。

3) 观察结果表明, 因强降雨导致的“盆池”效应, 使“盆池”的水面标高始终高于原抗浮设计水位, 原抗浮水头已不满足实际情况;施工期间没有在底板下设置碎石透水层及暗沟等排水措施, 使底板下水的连通性差, 地下水的滞留增大了结构上浮效应。

本文按照文献[8-9]进行抗浮设计复核, 模型如图4所示。原地质勘察报告抗浮水头高度为3.2m, 新抗浮水头高度为6.79m, 采用PKPM系列软件SATWE (2010版) 对底板结构和整体结构进行抗浮验算。根据局部抗浮复核, 原抗浮设计地下室底板配筋比新抗浮设计低13%, 越靠近抽柱中心板挠度越大, 拱起效应越明显, 呈碗状式上拱;在上拱较为严重的部位, 主次梁配筋不满足要求, 仅少部分远离抽柱中心的梁能满足现有抗浮设计。典型区域的局部抗浮计算结果如表1所示。根据整体抗浮复核, 取单根最不利柱轴力进行验算;在浮力标准值作用下柱的轴力N_{w, k}=4 182k N, 在结构自重标准值作用下柱的轴力G_k=1 479k N, G_k/N_{w, k}=0.35<1.05, 表明此时结构已不满足整体抗浮要求。

由于该工程已处于枯水期, 底板下的出水点不明确, 地下水水位不具有代表性及典型性, 在枯水期无法有效评价、调整处理效果, 因而要求处理方案有效, 同时留有余量, 以确保丰水期结构安全。本方案在地下室底板上布置大面积的排水孔, 即筛孔;在底板新做面层内架设排水管, 使筛孔内的水自流到底板的排水沟、集水井, 然后抽排水至室外。在原有底板开槽设盲沟的方法, 使原底板的积水自流到底板的排水结构;室外盲沟自流排水到城市管网系统, 降水井作为强降雨时的预留抽排水使用。本地区强降雨季节一般在6—8月, 平时抽排水成本低, 对周围水土环境影响不大, 具体方案实施如下。

1) 根据该工程的地势特点, 沿场地的绝对标高最高点到绝对标高最低点, 在基坑与地下室外墙间的间隙布置排水盲沟;为了使盲沟的最低点能重力自流排水到高差达5.0m的城市管网系统, 盲沟最低点的底标高为1 084.256m。该盲沟沿建筑四周闭合, 其排水坡度为0.5%。沿着盲沟, 在建筑角点或隔50m设置检查井, 在场地的绝对标高最低点设置降水井。整个盲沟由高至低, 通过重力自流排水至最低点的降水井, 再由此处自流到城市管网系统。盲沟、检查井、降水井的平面布置如图5所示。

盲沟剖面如图6所示。盲沟由土工布外包200透水管, 管外填料为碎石, 侧边砌筑开孔砖, 以定位碎石层及透水;外层设置外包土工布的中砂反滤层, 以提高渗水能力, 同时防止泥土堵塞盲沟;在碎石层底部铺设1层HDPE土工膜作为隔水层。

盲沟的设置主要是为了减小建筑西侧、北侧来水汇集到建筑基坑的水量, 也可以减小由于“盆池”效应汇集到基坑内的水量, 从而减缓地下室室内筛孔排水的水量;在遭遇特大暴雨袭击时, 若盲沟排水不通畅, 可以通过预留的降水井抽排水, 以减缓盲沟的排水量。降水井的设置主要是考虑以后可能会遇到比现阶段观测的更严峻的降水情况, 其抽排水量可以作为降低水位的储备能力。

2) 在地下室底板东、西2个集水井开孔泄压后, 随着本地区从丰水期进入枯水期, 地下室底板、抹灰墙面仍大量渗水, 此时无法判断确切的出水点和室外具体的水位高度。为尽快排水泄压, 在地下室底板渗水较多的部位以及室内排水沟钻孔, 孔径100mm并以外包土工布的中砂紧裹, 密切观察底板渗水变化。

开孔后发现某些渗水不严重的底板在开孔后冒水严重, 反之某些渗水严重的底板在开孔后孔内水位较低。开孔后整个底板仍上浮严重, 拱起高度最大均值120mm, 底板回落并不明显。通过分析观测结果可知是由于开孔数目有限, 开孔位置不适宜所致;底板下水流连通性较差, 板下水位高低不均, 底板下水的憋压仍然存在。

经各单位进一步磋商, 决定在4个框架柱间的底板上布置1个排水孔, 在孔面用50 PPR管将地下水导流入底板的排水沟。排水孔 (即筛孔) 、PPR管的平面布置如图7所示, 排水孔开孔大样如图8所示。在排水管伸出排水孔的转弯部分, 漏水的薄弱部位需要采用M15水泥砂浆及密封材料仔细封堵。底板开孔及布管原则为: (1) 方便施工, 排水管走向自然, 相互之间不交叉; (2) 节约资金, 开孔位置不宜离底板排水沟较远; (3) 避免在梁上开孔造成主要承重结构破坏。为避免底板新浇筑面层后的车辆碾压破坏, 在排水管处增设100mm间距的横向马凳钢筋以及3根纵向钢筋, 以提高排水管的使用寿命。该方案实施以后继续进行观测, 发现底板已无明显上拱趋势, 且拱起高度均值回落至70mm, 取得了良好的排水减压效果。

3) 大面积开孔排水减压后, 结构上浮趋势已被遏制, 但现场底板面大量渗水、抹灰墙面渗水高度约1.5m。底板面大量渗水是由于底板在高水压作用下已产生大小不均的裂缝, 底板下的地下水可以通过这些裂缝渗出。新做的排水管与原底板面有一定高差, 导致原底板面大量积水无法通过现有排水管排走。为处理这种情况, 在底板积水较多的地方, 在原有底板面开V形沟, V形沟连通到底板的排水沟;在V形沟内布置室内小盲沟, 如图9a所示, 引走底板面积水。将墙面20mm厚的抹灰砂浆凿开, 发现墙身并无裂缝也无渗水, 从而可判断出抹灰墙面渗水, 即泛水是典型的“虹吸效应”现象;在离原底板面120mm墙身处, 在抹灰层开U形槽, 槽口宽30mm、深25mm, 槽内嵌入止水油膏可以防止底板积水沿墙体抹灰层向上蔓延, 详细做法如图9b所示。

4) 在进行上述措施处理后, 地下室底板排水减压效果良好。原有底板破坏较严重, 底板筛孔排水减压法已使底板基本不承受水浮力, 由此对原有底板不予加固处理, 保持现状。在原有底板面新做120mm厚混凝土面层, 面层内采用冷拔丝钢筋提高面层的抗裂能力, 如图9c所示。该面层主要用于进一步阻止底板渗水, 保持地下室干燥;面层包裹原底板面的排水管网, 进一步保护排水管网, 避免其直接承受汽车的碾压荷载。由于原有底板已有部分拱起, 为释放在汽车荷载作用下新做面层的应力, 采用分隔缝分隔新做面层, 如图9d所示。

采取以上抗浮措施后, 检测机构对事故发生后裂缝开展最典型区域的楼板进行荷载试验, 加载的最不利楼板跨中挠度实测值为3.50mm, 小于文献[9]的检验允许值15.6mm;在加载过程中和卸载后, 楼板、梁构件的既有裂缝无明显发展迹象;卸载后, 楼板跨中挠度实测值为0.15mm, 其荷载-位移曲线平滑、无突变、趋于线性, 恢复变形性能较好。检测结果表明:上述楼板在试验荷载作用下处于弹性阶段, 工作性能良好, 承载力满足试验荷载作用下的正常使用要求。综合检测结果, 对B2, B1顶板的受损构件采取以下加固措施。

1) 由于受损楼板内布置有管线, 无法采用注浆加固, 采用如下方法加固楼板:对裂缝宽度<0.3mm楼板, 开V形槽, 采用裂缝修补材料补强、封闭裂缝;对裂缝宽度<0.3mm楼板, 除采用上述处理外, 在楼板板底粘贴双向单层碳纤维布1T-200mm@400mm, 碳纤维布厚度为0.167mm。

2) 对裂缝宽度<0.3mm梁构件, 开V形槽, 采用裂缝修补材料补强、封闭裂缝;对裂缝宽度>0.3mm梁构件, 除采用上述处理外, 梁底满贴单层碳纤维布, 梁侧采用单层U形箍 (宽200mm, 间距400mm) 、压条 (宽200mm) 附加锚固, 做法如图10所示。

由于在枯水期内底板下的出水点不明确, 地下水水位不具有代表性及典型性, 在枯水期无法有效评价、调整处理效果。本文采用筛孔排水减压法处理大跨度结构地下室的上浮事故, 得到以下一些结论。

1) 地下室上浮事故发生后, 应在底板上拱幅度最大、涌水最多的部位及时有效地开孔泄压, 减轻结构上浮趋势, 使底板基本有效回落, 避免结构破坏继续发展。

2) 原有底板布置较多的排水孔, 通过连接排水孔的排水管网, 将地下水自流到地下室底板的原有排水结构, 可以有效对底板减压, 使底板基本不承受水浮力。

3) 室外盲沟自流排水, 降水井作为强降雨时的预留抽排水使用, 作为降水的储备措施, 提高了抗浮设计的安全富裕度。