地下室抗浮失效的三种形态及其上浮特征

地下室抗浮失效的三种形态及其上浮特征 张同波刘汉进 青建集团股份会司，青岛266071 【一蔓】本文结合工程宴倒对地下室结构抗浮同最进行了研究．提出了地下室抗浮问照中存在着局部抗浮失教、 局部整体抗浮失效丑整体抗浮失效三种形态。通过肘三种抗浮失效形志I程宴啻I中上浮羲据和损坏特征的统计分析， 并运用有甩元法所徽的理论分析，得出了=种不同抗浮失散形志的上浮特征，为正确分折和处理抗浮失薮的I程事 故提供了依据。 ‘关健司】地下室结构：局部抗浮失裁；局挪整体抗浮失散；整件抗浮失效 ThreediZfer*mtmm-neeeng■nured柏andfu]areth出d甜a计besement■邶d埘F●ancl-fleatlng衄哦 2h姐gTc啦，LiuH血jm 0Q岫血00印Co^垃Qbgd∞266071．cK血) Aheerad=Cm'iedomthestudy∞nd-tickingofIheb—㈣∞叫血血日withseveral咖ecIS，p,um∞d ￡岫mⅡ目鼬tanti-flowingf蛆m'es∽oflocalaad-floadngfailm-．,loll-inter'a1mti-floulngfail砒andhkml鲥m幽gfailure,inthispa孵Bymes嘶sd酬∞m蜘softhed嘏andf础l】∞dⅢ∞b嘶s妇ofthn!em∞砌c 血dm碰雌failmesinesinthepmjects血dm∞硎曲l姐aI珂sof碰-floatlngf叫l矸throughthe6nbdan∞tⅢHbo也 obtainedthebnumcharactensd∞oftheediffe删an6doad坤f缸u∞statB,providedtheba出fur—dy丑Ⅱmy面zmd pm∞ssmgm。Ⅲ∞whichoccurred“-floatingfal]Ⅲcaccldem_ Keyw讪：h∞B咖￡s口udmlocal枷-fioetlng伍Iure,local·integralmfi-floulngfail峨,integtal枷-ftoatlngfailum 随着地下空间的开发利用，地下混凝土结构的埋置深度和体量不断增加，地下水对建筑物施工、 使用过程的影响也不断加大。由于对地下室抗浮问题缺乏系统的研究．我国现行的混凝土结构与施 工规范中也没有地下室抗浮设计与施工的专项规定．因而遗成一些工程因抗浮不足引起的地下结构 开裂甚至破坏，井严重影响了丁期，造成了根大的经济损失。如：深圳某大酒店地下室最大隆起 160mm，青岛某住宅小区发生了严重的局部整体上{孚．最大上浮位移达15188衄，地F室的部分培 柱被严重损坏(见图1)，国内某人型仓储水池最大上浮一 达1．8m。为了减少地下室上浮问韪，或在问题发生后，能 准确判别井做出正确的处理方案，笔者对国内十多个工程 的地f宣抗浮事故进行了研究。研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明：地下室抗浮问 题中存在着局部扰浮火效、局部整体抗浮失效及整体抗浮 失效二种形态。 1局部抗浮失效 局部上浮是指建筑结构每个单元的质量都大于水浮 力，而地F室底板抗浮承载力不足。这种情况一般出现在 建筑结构质量分布均匀，且建筑高度较高、层数较多，但 底板较薄、配筋较少时。该上浮形态．结构整体投 有位形变化．仅地下室底板因抗弯承载力币足，而 出现开裂和渗漏。 1)青岛某犬型商场工程建筑面积约为4万口， 地下1层、地上3层，单层面积约为l万mI，±00m 绝对标高为10．5m。整平后的室外场区绝对标高为 1085m．底扳下的绝对标高563m；地下室结构平 面尺寸为1483x696m，独立柱基，底板为无缝结 构，设2道后桡式加强带和1道连续式加强带．底 板之上的墙、板设置了2条变形缝。底板厚度为 350mm，Q12@150双层双向配筋，混凝土强度等级 为C30，柱截面为700哪×700mm．剪力墙截面为 300：rim．混凝土强度等级为C40，结构平面见图l。 圈i严重捌坏的地下室墙体 固2底扳结构及裂缝分布 工程场区平坦，地面标高1231～12．46m，土层依次为素填土、耪质粘土．厚约为1．Sm；下部 ·214· 为强、中风化花岗岩；地下水属孔隙潜水和基岩裂隙水，主要分布于土层和强风化岩中，稳定水位 的绝对标高9．58～“．15m。 该工程地下结构于04年10月开始，主体结构于05年8月完成，05年11月完成地下室J'bO啊回 填土并停止降水，05年12月发现地下室底板出现裂缝，此时地。!--水位距底板下的高度约为4m。底 板的裂缝分布均匀，大部分为板中裂缝，柱根部位有少量斜裂缝，裂缝的宽度为0．3衄左右，部分 裂缝已发生渗漏，底板有积水，开裂情况见图2。 2)由于在墙体和其他部位未发现裂缝，仅从底板裂缝的形态和分布特征看，不是混凝士收缩产 生的裂缝，应属于比较典型的混凝土双向板受力裂缝。据了解地下室原设计的抗浮水头为1．5m，而 实际的水头可达到5．22m，又根据裂缝出现的时间恰是停止排水之后来判断，出现裂缝的主要原因 应是底板的抗浮承载力不足。取4m的水头高度，选取中间8．4mx8．1m板带作为计算模型，按长方 向以倒楼盖方法，对该工程结构的抗浮强度和裂缝进行了验算，计算结果见表l。 表1某工程抗浮设计验算 裂缝宽度 规范限值 抵抗弯距 弯距 验算项目 mm mm N．m N·m 长边8．4m方向 0．4l 柱上板带 2．06x106 0．46×106 翘边8．1m万向 0．38 O．2 长边8．4m方向 O．32 跨中板带 1．88x106 0．53x106 短边8．Im方向 0．26 可见，原设计底板满足抗弯承载力要求，但裂缝宽度均超过了规范限值，且与实际裂缝宽度接 近，证明设计水头压力取值偏小是导致底板产生裂缝的原因。 3)取结构的任意单元按5．22m的抗浮水头计算，结构的总质量均大于地下水的浮力，建筑物不 会发生整体上浮。实测结果也证明，在停止基坑周边的排水后，建筑物各观测点的标高没有变化。 以上分析表明：该工程是一个局部抗浮失效的典型 案例 全员育人导师制案例信息技术应用案例心得信息技术教学案例综合实践活动案例我余额宝案例 ，其抗浮失效的主要特征是地下室底板 沿跨中部位出现开裂，而建筑物的标高无任何变化。 2局部整体抗浮失效 局部整体上浮是指建筑结构部分区域的质量大于水浮力，而部分区域的质量小于水浮力，自重 小于水浮力的区域所发生的整体竖向位移现象。这种情况一般发生在多栋塔楼下部为连体地下室的 形式，当非主楼区域地下室抗浮能力不足时，主楼区域结构没有位形变化和损坏现象，而非主楼区 域会有较大的上浮位移和部分竖向构件的严重损坏现象。局部抗浮失效是三种形态中最复杂、最难 以判别的一种。 1)青岛某住宅小区工程，上部有三栋六层砖混结构的住 宅楼，下部为一层连体的地下车库。车库基底局部为沼泽化 粉质粘土，主楼部位采用粉喷桩做了地基处理，非主楼部位 的车库座落于粗砂层上。地下室结构平面(见图3)尺寸约 为101．4×92．4m，底板为上返梁式筏板基础，绝对标高4．43m， 底板厚度350mm，上返梁断面为450rmxlOO(hnm，混凝土强 度等级为C35。场区主要土层分布为耕土、粉质粘土～粉土、 粗砂层、粉质粘土层、粗砂层。场区地下水为第四系孔隙潜 水～弱承压水，主要含水层为中、粗砂层，稳定水位埋深 0．3m---1．8m，绝对标高为8．78m"--11．25m，场区地下水补给 来源主要为大气降水，受季节变化水位年变幅一般小于2m。 设计确定的抗浮水头高度为6．7m。 该工程主体结构完成后因故停工，时间为2007年6月～ 2008年11月，共计17个月。停工时，车库周边回填土已完 成，但项板和底板的回填土尚未施工，且停止了降排水。期 间该地区又遭遇了台风，大量降雨使得基坑内水位不断增加， 薯 荐r1 6-9楼 蜢 箸 = 誓譬譬 图3结构平面与观测点示意 复工时地下水水位高度(绝对标高)约7．51m。2009年4月，在对地下车库内抽水时，发现车库的个别 剪力墙、框架柱及上返梁存在明显的裂缝。随后对车库结构进行了全面的检测，结果显示：部分剪 力墙和框架柱存在不同程度的开裂和损坏。其中，墙体裂缝15处，框架柱37处，裂缝多为斜向裂 ·215· 翟r缸]lJl 譬簟 0～▲ 譬譬～o A霉譬譬譬．～。¨ 誓_J』 霉 ．_ 1誓誓一开楼一肇孑，一”．瞄一 缝，还有少量水平裂缝。最大裂缝宽度为10mm。个别柱端、剪力墙上端与根部出现了较为严重的 混凝土脱落和露箭现象。 2)抗浮验算 问题出现后测得的地下水水位高度约7．51m(绝对标高)，车库底扳标崭443m(绝对标高)， 抗浮计算水头为7．51--443=3．08m，取I／'23轴线处框架为计算单元对非主桂部位的车库进行抗浮验 算，该都位的结构质量1217881c3q小于其浮力1721．4KH．可见在地下室底板和顶板来回填土时，非 主楼部位地下车库不能满足整体抗浮要求。而主棱部位的结构质量远大于该部位的浮力·满足整体 抗浮要求。抗浮验算表明：该工程地下车库上浮问题属于典型的局部整体抗浮失效案例。 3)位形变化特征分析 问题发现盖．立即对地下车库的位形变化进行了测量，翻3为测点布置情况，表2为降承前地 下车库37个测点(第∞、25、”、携号测点记录缺失)位移的情况，最丈位移达到151．88mm，擐 小位移为0．47ram。位移变化的基本规律为-主楼投影面积外的地下车库不同部位的上浮量不同，距 离主接近的部位位移小，距离主楼远的位移相对较大：车库周边位移小t车库范围内相对较大。通 过对基坑周围设井降水后发现．37个测点均随着降水过程，位移连渐变小，也证明地下车库随水位 降低逐渐回落。 表2降水前各测点位移 咎值fm 测点． 位移值，m 测点 位移值^Ⅱm 1 2 23．0930．13 12 l” 821283．89 24 26 115．髓l67．88 3 4 I 5 6 I 7 5．173l82I4lB7l孤23I48．】 “l 15 I 16l 17 18 5102114“l367917067l109．4 29 l 30I 3l I 32 33 266l 0胛12411140．16139．： 朗4地下车库的整体变形位移 8 他巧 19 10915 4276 9 3519 21 35 3075 10 1817 22 L5182 36 *T$$女№#∞■mh#＆#比较口 ■■^ 圈5实爵世穆和模描计算位移比较示意 洲■■^*‘ 为了研究结构局部整体上浮时的拉形变化规律和 结构损坏特征，采用驰P2肿0对地下水位达到751m时， 地下车库上浮状态进行了分析计算，该状态下车库的位 形见圈4。通过对比可知：理论分析的位移与实际观测 位移的毁值基本吻音，见圈氩 宴际观涮和理论分析均证明，局部整体抗浮失效后 地下结构位形的变化与主楼的距离有关，高主楼近的部 位受主楼约束较大、变形小．反之则变形大；接近地下 室周边时．由于车库周边填土摩阻力的影响，其位移又 逐渐变小。但周边填主对车库的约束力较主楼对其约束 力要小．两个主楼中间部位上浮的位移最大。由图6可 以看出：随着测点与主棱距离的增大，测点的位咎增大， ·216· ：= l_ {： 11 71．19 23 130盘1 37 圈6位移与主接距高的关秉 当测点与钟主楼的距高为28m时位移选到最大，之后随着测点与车库 周边距离的减小．测点位移也逐渐变小。 4)结椅损坏特征丹析从现场的观测可以看出，车库结构的损坏 主要表现为以下特征： (I往楼厦主楼下的地下车库采出现构件破坏、位移和拆高变化． 主楼投影面积外的地下车库出现明显的位移、挪分框架柱和剪力墙出 现严重损坏。 (2)主棱边畀第二跨外，离三个主接距离均等的区域内，车库的 剪力墙出现45·斜裂缝(见图7)，裂缝宽度5～lOmm，剪力墙根部 严重受掼．混凝土剥落，出现露筋现象。 (3)主楼边界第二跨井，离三个主楼距离均等的区域内，地下车 库框架柱柱头部位出现斜向裂缝、混凝土剥落，个别框架柱中部和根部 出现水平裂缝(见圈8)。 (4)底板多处出现水平裂缝，裂缝分布和走向比较规则，多为沿 扳宽度方向|j奇受弯裂缝。底袄裂缝主要集中在塔楼附近板块、轴线B～ 0和轴线埒～哿之间的板块区域。 肌模拟分析结果来看．离三个主楼距离均等的区域，由于同时受三 千主楼曲绮柬，使该酲域由上稃引起舯结构冉方黯大，超与她下车库中 损坏较为严重的区域相吻合。该区域内的剪力墙．由于主楼和周边回填 ±对车库上浮变形的约束作用．在其墙体内产生较大的剪应力，因此出 现45。的斜裂缝，该裂缝舶形状和走向与地下车库剪力墙实际裂缝的状 态相吻台。 盥8框颦柱＆缝示意 距主楼边界两跨以内的柱子，在浮力和约束力的作用下产生了轴向 的拉力，从而使该区域柱子的中部、底部形成了水平裂缝。距主楼边界两跨以外，离三个主棱距离 均等的区域内的柱子，受到较太的弯矩和剪力的作用．出现柱顶的剪压破坏，桂顶受拉侧出现水平 裂缝后，裂缝先沿水平方向发展一段．然后迅速发展成斜裂缝。由于梁柱节点受力复杂，混凝土超 过其极限承载力，所以出现粱柱节点混凝土压碎破坏。 从底板的应力云母来看，席板腐面大韶升区域在地下承作用下受压，竖向位移较大的区域所受 的压力相对较大，与塔棱相连的部位受拉且内力相对更大；底板顶面受拉．竖向位移较大的区域内 力也相对较大。上述分析与实际情况相符。但底板裂缝宽度较柱裂缝宽度要小的多，破坏也较轻。 底板雇面和顶面舶应力云图分别见周9，圈lo。 图9底扳雇醯太主应力云图 图lo庸板疆商量大主应力i圉 3整体抗浮失效 整体上浮是指当建(构)筑物任一单元的质量都小于地下承浮力时 217· 用下所表现出来的整体位移现象。这种情况一般发生在仅有地下结构或有较少层数的地上结构时。 地下结构刚度较大的整体上浮，一般仅表现为结构整体的上浮位移，没有结构严重损坏的现象。整 体上浮失效是三种形态中最简单的一种。 1)国内某2层地下停车场，建筑面积6800m2，单层建筑面积3400m2，楼盖为无粘结预应力无 梁楼盖。柱网尺寸为7m×7m，底板为500mm厚筏板基础，上返梁高1000ram，顶板板顶标高为-0．8m， 底板板底标高为．8．7m，基坑周边回填土为高透水性的砂卵石。由于砂卵石填土不能有效的阻隔地下 水，当地下水水位上升时，地下水很容易透过砂卵石层渗入基坑内使基坑内水位上升。 该场地地下水丰富，水源主要来自基坑壁渗水和地下管道的漏水，正常情况下基坑内地下水位 约2m。事故发生前，接连几天暴雨使基坑内水位迅速上升达到3．4m，超过抗浮设计水位，经计算 此时地下水浮力为1．55×10SkN，而地下停车场自重为1．2x105k_N，浮力大于自重，最终引起地下车 库的整体上浮。 2)上浮情况该地下车库为整体倾斜上浮，其西北角、西南角、东北角和东南角分别上浮1．4m、 0．8m、0．5m和0．6m。在地下一、二层柱与柱帽水平施工缝处及顶板局部范围内出现大量裂缝，裂缝 宽度在0．Imm左右。 3)上浮特征分析该工程属于典型的整体上浮失效案例，其上浮特征主要为：结构整体的位移 变化，结构各部位之间的相互位移很小，可以忽略；结构构件出现较多的无害裂缝，无破坏性损害。 4结语 1)建筑工程的地下室结构因抗浮承载力不足时，表现出局部抗浮失效、局部整体抗浮失效、整 体抗浮失效三种状态。 2)局部抗浮失效时，建筑物没有整体位形变化，仅表现为地下室底板沿跨中方向的开裂和渗漏。 当地下室上部全部设有地上结构，且上部结构层数较多，而地下室底板设计较为薄弱时，容易出现 局部抗浮失效的问题。 3)局部整体抗浮失效是三种形态中最为复杂的一种，主要表现为地下结构局部的位形变化和结 构损坏，即：非主楼区域地下室的上浮位移，及相应区域地下室墙、柱的严重开裂和混凝土破碎等 现象。局部整体抗浮失效的形态，一般出现在地上为多栋高层建筑，其下部为连体的大面积地下室 的情况下。 4)整体抗浮失效是三种形态中最简单的一种，主要表现为结构整体的上浮位移，一般发生在仅 有地下结构或有较少层数的地上结构时。 【参考文献】 【1】张同波，于德湖，王胜，程道军．岩体基坑地下室抗浮问题分析叨．施工技术，2008，37(9)：19-22． 【2】于德湖，程道军，张同波，张明禄．某工程地下室底板裂缝原因分析及处理阴．施工技术，2007，36(II)． 【31刘汉进，张同波，于德湖．某地下车库局部整体上浮位形变化与损坏特征分析叨．青岛理工大学学报，2010， 31(5)：119．124． 【4】郭秋菊，黄友汉．某地下停车场整体上浮复位处理．叨．施工技术，2008，37(10)：87-90． 张同波，山东青岛人，青建集团股份公司总工程师，教授级高工，山东省青岛市南海支路5号266071，Email-- zhtb@cnqc．com ·218· 地下室抗浮失效的三种形态及其上浮特征 作者： 张同波， 刘汉进 作者单位： 青建集团股份公司,青岛 266071 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7555032.aspx