方巽科,吳映棟,王玉松,戚向明

(1.浙江綠城建筑設計有限公司,浙江 杭州 310007；2.浙江省天正設計工程有限公司,浙江 杭州 310005)

隨著城市化進程的不斷發(fā)展和城市用地的日益緊張,建筑也向著高空和地下不斷發(fā)展。在東南沿海經(jīng)濟發(fā)達的城市里,在用地愈發(fā)緊張的密集城市中心,結合城市建設和改造開發(fā)大型地下空間已成為一種必然趨勢,大量的地下多層大底盤地下室不斷地涌現(xiàn)。另一方面,在我國的東南沿海地區(qū),軟土分布廣泛,地下水位普遍處于高位。對于地下水問題帶來的若干新課題,在工程實踐中不斷被提了出來。

在實際工程中,因地下水浮力作用、抗浮措施不當以及在設計施工過程中對地表水和地下水作用估計不足等原因,經(jīng)常造成地下室結構工程的破壞,使整個建筑物在浮力作用下可能整體或局部浮起,地下水外墻和底板的內(nèi)應力重新分布,致使底板、梁柱節(jié)點或外墻開裂,嚴重時可能使底板斷裂,地下室外墻產(chǎn)生位移。

由于地下室上浮的意外事件大量發(fā)生以及大底盤深層地下室的不斷涌現(xiàn),要有效解決地下室結構的抗浮問題,首先必須要對其上浮的各種原因進行全面正確分析,其次是采取針對性的抗浮加固可行措施,所以既有地下室結構的抗浮加固設計及施工問題的研究也就有了現(xiàn)實意義。本文從分析地下室上浮受損機理入手,結合實際工程案例,最終尋求出合理可行的處理措施以及既有結構基礎底板的抗浮加固方法,既能提高既有地下室結構的整體抗浮能力,又能提高加固處理的經(jīng)濟性。

1 地下室結構上浮受損機理分析

按地下室抗浮失效機理和破壞形態(tài)的不同,將地下室上浮問題分為局部上浮及整體上浮兩大類。所謂局部上浮是指建筑結構的總重量大于水浮力,但局部直接承受水浮力部位的自重小于浮力,會造成抗浮承載力不均衡,出現(xiàn)部分結構發(fā)生上浮位移；所謂整體上浮是指當?shù)叵滤×Υ笥诮ㄖ锏淖灾?建筑物有可能整體發(fā)生向上的位移。

地下室結構上浮引起的受損,主要是因為抗浮承載力不滿足要求所致,現(xiàn)對結構的受損機理進行分析如下[1]：

1)對于中間為汽車庫兩側為高層住宅的大底盤地下室,底板上浮變形通常表現(xiàn)為：向上隆起的變形中間較大,然后向兩側逐漸減小,板面裂縫多為受拉裂縫。主要原因是因為中間部位豎向荷載較小,當水位達到一定程度的時候,中部某個或多個基礎局部范圍內(nèi)抗浮承載力不足,導致該基礎上浮,基礎的上浮將導致板變形。而這個基礎的上浮,將逐漸形成解扣效應,導致相鄰基礎上浮,進而造成大面積的底板上浮。而兩側長向上部荷載較大,板向上變形較??；中間荷載較小,板的變形較大；進而形成了板中間變形大,向兩側逐漸減小的趨勢,當混凝土變形達到一定程度,板頂受拉開裂。

2)從柱受損破壞形態(tài)來看,柱的破壞應為受剪、受壓共同作用形成的破壞。因為底板和基礎上浮,將導致柱上浮,這種情況勢必導致頂板也向上變形,而頂板和底板的變形不協(xié)調(diào)將導致柱受較大的豎向荷載,地下室兩邊上部住宅荷載的約束使得頂板和底板中間部位變形較大,向兩側逐漸減小,這導致柱受到剪切作用,兩個荷載共同作用,導致柱子壓、剪破壞。

3)從梁的破壞形態(tài)來看,梁的破壞為剪切破壞?；驹谏喜坑凶≌呐c沒有住宅的上部的交接部位的剪切破壞。因為當柱子上移導致的梁向上部移動,而上部有住宅的部分豎向荷載較大,這就限制了梁的變形,導致梁剪切破壞。

4)頂板的破壞應為受彎破壞。當柱上浮,導致板變形,當頂板變形達到一定程度,使得頂板上部混凝土受拉開裂。

2 地下室結構上浮破壞處理措施探討

當建筑物發(fā)生上浮破壞后,首先應采取措施降低地下水位以控制破壞進一步發(fā)展,然后進行復位及加固,恢復結構的安全性和耐久性。處理方法很多,如增加自重法(加載)、下拉法(抗拔樁或錨桿)等。這些方案各有利弊,選擇的原則是安全可靠、經(jīng)濟合理、技術先進和施工方便,還應根據(jù)工程特點、地質(zhì)情況、場地條件和環(huán)境等因素綜合考慮,選擇最佳的抗浮方案。

2.1 整體復位技術探討

地下結構上浮后,經(jīng)加固處理使結構構件達到承載能力的要求,但結構還存在傾斜或殘存位移,為保證結構穩(wěn)定和施工順利,須采取措施使上浮結構復位。目前常用的復位技術主要有加載、抽水、解壓、洗砂等。

2.1.1 加載

地下結構上浮是由于結構自重和各種豎向荷載之和小于地下水浮力而引起的,因此迅速增加結構自重可有效控制結構上浮并使結構沉回原位。辦法是通過在上浮結構上放置砂包、鐵砂、鋼板等密度較大的重物使其下沉復位,此時應注意校核結構的承載力；另一種快速加載的方法是直接往地下室灌水,利用水重加壓。

2.1.2 抽水

當結構發(fā)生上浮事故后,可采用抽水的方法降低地下水水位,控制結構進一步上浮。立即啟動原有降水設備開始降水,并密切關注水位變化,若發(fā)現(xiàn)地下水水位未降低或降低不明顯,說明原設備降水能力不足,應啟用大功率降水設備降水。一般情況下僅靠抽水降低地下水的方法不能使地下室完全復位,需配合加載和洗砂等措施方能奏效。

2.1.3 解壓

當由于地質(zhì)條件、場地或設備原因等無法采用抽水措施降低地下水水位時,可采用解壓措施降低地下水水位,即通過在上浮結構底板上鑿孔,使底板下的地下水經(jīng)孔排出,從而解除地下水壓力,此時應及時排出匯集于底板上的水。

2.1.4 洗砂

若采用上述三種措施無法達到理想的復位效果時,應考慮采用洗砂作業(yè),即借助高壓水沖散阻礙上浮結構下沉的側壁土和淤積泥沙,并通過污水處理設備將洗砂產(chǎn)生的污水排出。洗砂方法一種是利用高壓水擾動地下室側墻邊的土壤,以降低摩擦阻力；另一種是利用高壓水經(jīng)由洗砂孔沖散并洗出基礎底板下的泥砂,使地下室順利下沉復位。

2.2 采用靜壓H型鋼樁技術的探討

關于地下室結構的抗浮設計思路,主要有釆用抗拔樁和地下室配重平衡法兩種方法。然而,對于既有結構地下室而言,采取抗浮預應力管樁、鉆孔樁以及壓重的措施來提高整體抗浮能力,由于受地下室空間的限制,顯然是不現(xiàn)實的。從目前常規(guī)有效采用的技術來看,主要為靜壓錨桿的方式,但是出現(xiàn)的問題也是很多。

2.2.1 H型鋼樁的特點

樁在無地震作用下,只需滿足抗壓要求,即通常說的單樁承載力,但在有地震條件下,還要滿足抗拔要求(上下震動時)及抗剪要求(水平震動時),而只有鋼類樁能滿足后兩種要求,比如H型鋼樁具有良好的抗震性能。H型鋼是鋼結構工程中最常用的一種經(jīng)濟斷面鋼材,其腹板與兩翼緣相垂直,翼緣內(nèi)外兩側相互平行,棱角分明,故又被稱為“平行腿工字鋼”,型鋼樁具有如下特點：

1)沉樁貫入能力強：H型鋼樁斷面小,具有擠壓土體積小、穿透力強的特點；

2)價格便宜：鋼管樁的生產(chǎn)時由鋼板卷焊而成的,而H型鋼樁可一次軋制而成,在價格上約低40%；

3)易拼接：H型鋼樁的拼接,可采用兩面焊接,既可提高接頭施工效率,又可保證接頭強度不低于樁身強度。

2.2.2 H型鋼樁的施工技術探討

H型鋼樁通常是寬翼緣截面且翼緣與腹板是同厚的,這種特殊的截面是專門為承受劇烈的打入應力而設計的,H型鋼樁在打入過程中可能會出現(xiàn)繞其弱軸彎曲的問題。這就要求在沉樁過程中,嚴密監(jiān)測,嚴格控制質(zhì)量[2]。

鋼樁的對接通?？刹捎煤附?最普遍)或螺栓連接。除了僅涉及少數(shù)樁的小工程外,大部分拼接都是通過預制拼接連接件來完成。對于H型鋼樁,接頭處應連接加強板,將2個足夠長度的槽鋼背對背放置與樁腹板焊接,然后將樁翼緣與端面焊在一起以完成拼接。通常,為滿足大部分建筑規(guī)范的需要,這些拼接需增加樁的壓、拉、彎和剪的強度。

2.2.3 H型鋼樁與既有結構基礎底板的連接探討

在設計樁與基礎底板的連接節(jié)點時,應根據(jù)地基條件、結構形式、基礎形狀大小及樁的種類選用可靠的連接方式,在進行結構計算時,還要對細部構造做慎重處理。在確定連接方式及細部構造前,設計人員應假定出樁頭的連接條件,樁頭的連接條件一般有固定(剛性節(jié)點)和鉸接(鉸接節(jié)點)兩種。樁與基礎底板連接類型的特點如下所示[3-4]。

1)固定樁頭的特點：與鉸接樁頭相比,超靜定次數(shù)高,增大了抗震安全度；與鉸接樁頭相比,由于水平外荷載引起的樁頂水平變位較小,在承臺不出現(xiàn)轉角的情況下,僅為鉸接接頭的1/2；樁身的最大彎矩比鉸接大,但產(chǎn)生的彎矩的范圍小。在相同水平力作用下,承臺不出現(xiàn)轉角時,樁身應力約為鉸接的1.55倍；細部結構易使樁頭達到剛接固定要求,故實際工程中應用較多。

2)鉸接樁頭的特點：與固定樁頭相比,超靜定次數(shù)少；水平荷載下,樁頭的水平位移比剛接大,約為剛接的2倍。樁的水平位移受到限制時,容許荷載約為剛接的1/2；樁身最大彎矩較固定樁頭小,接頭部位一般不產(chǎn)生彎矩。

根據(jù)樁頭的連接特點,采用何種連接方式可由設計人員視情況而定。例如在公路橋等構筑物中,一般對水平變位控制較嚴,故多采用剛接；而一般建筑物對控制水平變位要求不嚴,通常用鉸接。本項目研究采用靜壓H型鋼技術,主要是為了增加結構地下室的整體抗浮能力,以承受豎向拉力為主,故采用鉸接樁頭較為經(jīng)濟合理。

3 工程案例實施

3.1 工程概況

本工程位于臺州市學院路,由18層左右的主樓和單層地下室構成,主樓以外的地下室上部為綠化場地,由于地下室本身荷重較輕,考慮頂板1.5 m覆土后,設計上仍采取了相應的抗浮設計。截至2015年7月份,主樓已經(jīng)結頂,地下室的所有后澆帶均已封閉完畢,但A-H～A-P軸/A-41～A-46軸區(qū)域尚未完成地下室頂板上的覆土回填。

2015年7月11日,9號超強臺風“燦鴻”在浙江省舟山朱家尖登陸,致使臺州連降大雨,地下水位驟升,從而導致了尚未完成頂板覆土回填的A-H～A-P軸/A-41～A-46軸區(qū)域地下室上浮變形,最大的上浮值超過了200 mm。事故發(fā)生后,業(yè)主方與監(jiān)理方緊急召集施工方商討處理對策,采取了底板開孔降水及車庫頂板回填部分土的措施,完成了降水和土方回填工作,實現(xiàn)了地下室的迫降糾偏,最大迫降值達140 mm左右,表明取得了顯著的“糾偏”效果；但是,相應的地下室結構也明顯受損,尤其是發(fā)現(xiàn)柱子開裂較多、地下室底板起拱明顯、地下室底板的滲漏點增加等等。鑒于上浮變形引發(fā)的一系列工程問題,故必須對此施行綜合處理,消除工程隱患,確保地下室的結構安全和正常使用。

3.2 工程現(xiàn)狀特點分析

1)本次工程事故主要原因:施工期間在地下室抗浮措施未按設計要求采取的情況下,遭遇連降大雨而發(fā)生部分結構上浮受損。總體看來,變形受損的構件尚處于可加固修復階段,在結構上拱變形方面表現(xiàn)出地下室良好的整體性能和空間作用。

2)本區(qū)域工程樁均為既抗拔又抗拉的雙向受力樁,其抗拔特征值基本取決于豎向配筋量,故初步認為,在上浮變形中,樁體不會發(fā)生整體上拔破壞,而是推斷為樁與承臺的連接鋼筋屈服或者斷裂,包括引起樁上端局部混凝土樁體開裂破壞。

3)本區(qū)域的地下室結構經(jīng)歷了多次上浮和迫降交替變形歷程,使部分梁、柱、底板構件有一定程度的開裂,底板滲漏點較多,需采取相應有效的加固措施。

3.3 既有結構基礎底板上增補抗拔H型鋼樁的技術方案實施

考慮到施工可行性及現(xiàn)場進度要求,本工程基礎抗浮加固采取了增補抗拔H型鋼樁技術,見圖1、圖2。最終效果良好,贏得了建設單位的充分認可,具體實施如下：

圖1 壓樁孔定位示意圖

圖2 剖面詳圖

1)既有結構基礎底板上開壓樁孔,通過壓樁孔,把H型鋼樁壓入既有結構基礎底板下的地基土內(nèi),壓樁完成后通過壓樁孔進行封樁施工。

2)H型鋼樁頂部焊接樁頂連接鋼筋, 以保證H型鋼樁與既有結構基礎底板之間的有效傳力。

3)開孔后的既有結構基礎底板與后澆混凝土墩在新老混凝土交界面處進行鑿毛和套漿,去除原有混凝土中的疏松、破損及表面碳化層,并種植界面構造鋼筋,以保證新老混凝土的有效連接。

4)后澆混凝土墩與既有結構基礎底板底部的地基土接觸部位設置磚胎膜,并采用微膨脹早強混凝土進行澆筑,以保證后澆混凝土墩的澆筑質(zhì)量。

5)截斷后的既有結構基礎底板底筋上焊接底板底部補強鋼筋,截斷后的既有結構基礎底板頂筋上焊接底板頂部補強鋼筋,以保證既有結構基礎底板的承載力不降低。

6)H型鋼樁在節(jié)間連接時,翼緣直接進行焊接,腹板采用連接板進行焊接連接,以保證H型鋼樁在節(jié)間的有效連接強度。

4 結 語

本文探討的在既有結構基礎底板上增補抗拔H型鋼樁的方法,與傳統(tǒng)技術相比,具有如下有益效果：

1)H型鋼樁斷面小,擠壓土體積小,沉樁貫入能力強,承載力高,易拼接。H型鋼樁與傳統(tǒng)樁基相比,具有輕質(zhì)、抗震延性好、高強度、能耗低、取材便捷等諸多優(yōu)點；

2)無須對既有結構進行構件拆除,對既有結構損傷少,并且無須中斷既有建筑的正常功能使用；

3)充分利用既有結構具備一定承載能力的特點,無須進行臨時性的施工安全支撐措施,不僅降低了施工成本,還提高了施工效率；

4)通過新老混凝土交界面處理,并設置界面構造鋼筋,保證了新老混凝土的有效連接。