关于基础抗浮问题

关于基础抗浮问题中国建筑科学研究院钱力航2013年7月30日 2020 4 20 1 建筑物地下室 地下车厍 水池等由于水浮力的作用 发生整体上浮和造成结构破坏的事故常有发生 因此 当筏形和箱形基础或地下室部分或全部在地下水位以下时 应进行抗浮稳定性分析验算 以确保工程的安全 2020 4 20 2 一工程实例1某地下车厍 1 某车库建于1996年3月 仅地下一层 上部无建筑物 竣工后车库顶面将作为小区花园使用 该车库占地面积1488 0m2 采用钢筋混凝土框架结构 车库侧壁为250 厚的钢筋混凝土墙 层高3 3m 基础采用筏基 埋深1 9m 车库顶板平面及剖面见图1 2 2020 4 20 3 2020 4 20 4 图1车库顶板平面示意图及上浮标高变化观测点布置图 图2车库剖面图 2020 4 20 5 1996年3月车库结构主体封顶后 车库周边施工单位未按施工图要求及时回填处理 1996年5月27日傍晚突降暴雨 车库产生不均匀上浮 其中 A轴处上浮约100 G轴处上浮约300 因上浮不均 车库整体产生扭转和倾斜 框架梁端 柱顶 侧墙顶 侧墙根及顶板 底板部分边缘产生剪切或拉裂 结构受损 从而导致车库进水 严重影响车库的安全和今后的正常使用 有关车库梁板出现裂缝详见图3 6 2020 4 20 6 图3车库上浮顶板裂缝示意图 2020 4 20 7 图4车库上浮梁柱开裂示意图 2020 4 20 8 图5车库上浮外墙开裂示意图 2020 4 20 9 图6车库上浮底板开裂示意图 2020 4 20 10 2某地下停车场 2 该停车场地下二层 建筑面积6400m 每层3200m 长宽均为60m 二层均为无粘结预应力无梁楼盖 底板为500mm厚伐片基础 反梁高1000mm 持力层为天然地基岩层 顶板顶标高 0 80m 底板底标高 8 70m 柱网尺寸7m 7m 底板有四个800mm深的集水井 一个1800mm深电梯井坑 抗浮设计考虑由结构自重 四周基坑回填土 板顶绿化覆土 负一层负二层地面炉渣砼找平层的自重来平衡 地下停车场三边临近建筑物 一边临近城市道路 2020 4 20 11 地下停车场整体上浮时四周基坑砂石回填已完成 约3400m 主体结构已验收 未完工程含负一负二层地面炉渣找平层 板顶绿化覆土 室内粉刷 水电安装工程 该停车场建设位置地下水非常丰富 在结构施工过程中 基坑四角设有集水井抽排地下水至底板以下 水源主要是基坑壁的砂卵地质层大量渗水 原有地下管道漏水 在基坑砂石回填过程中和回填完后没有再采取降水措施 2020 4 20 12 图7上浮前结构位置 东向 2020 4 20 13 原设计基坑采用粘土回填 后来为了赶进度改为砂卵石回填 由于回填的砂卵石空隙率和存水量大 透水性强 在不下雨时基坑水位可达2m左右 上浮前几天连降暴雨时 基坑水位在回填的砂卵石中迅速上升 经局部开挖基坑回填砂石查明 基坑水位达到 3 30m 此时地下停车场自重为12000t 浮力约为15500t 浮力大于自重 致使其整体倾斜上浮 西北角上浮约1 40m 西南角上浮0 80 东南角上浮0 60m 东北角上浮0 50m 四周基坑回填砂石下陷 并进入四周底板下 2020 4 20 14 上浮后结构情况是负一层北向柱 在柱与柱帽水平施工缝处开裂 顶板局部产生裂纹 其它部位未发现明显裂纹 之后为裂纹产生高峰期 结构每天都有新裂纹产生 主要部位是顶板局部 附一附二层柱与柱帽原水平施工缝处 裂纹宽度在0 1mm左右 在临近降水下沉复位之前结构趋于稳定 裂纹很少产生 2020 4 20 15 图8上浮后结构位置 西向 2020 4 20 16 3某污水处理厂 3 某污水处理厂二沉池 作为污水经氧化处理后再次沉淀 除渣 出清之用 该池面积3300m3 直径34m 池高4m 埋深4 7m 池底为现浇钢筋混凝土结构 呈锅底状 池壁为筒状装配式钢筋混凝土壁板缠绕预应力钢丝喷浆结构 该池地处河边 2003年6月 因暴雨导致河水回灌 地下水急剧上涨 使已竣工正待验收的水池倾斜上浮 最高处上浮80cm 水池底板连垫层一起上跷 2020 4 20 17 4某地600m3水池 4 某地600m3水池 尺寸为11 8 15 6 4 4m 1997年10月 在建成进行满水试验后 将池内3m多深的水抽到池外基坑中 导致池外水位升高 浮力超过重量 池体上浮15 144mm 2020 4 20 18 5青岛某高层建筑 5 该工程地下3 4层 地上2个塔楼分别为22层 28层 地下面积27433 底板结构面积7716 08 基坑的上口面积12731 85 下口面积9540 04 地上2个塔楼为剪力墙结构 地下为框架结构 柱网尺寸为8 1 8 1m 底板为上返梁式的筏板基础 底板厚450 上返梁高1m 柱截面为650 650 底板 柱的混凝土强度等级为C45 底板和顶板回填土的厚度分别为0 58m 0 6m 基底绝对标高为4 5m 基坑周边最低点的绝对标高为15 6m 见图2 2020 4 20 19 5青岛某高层建筑 5 2020 4 20 20 基坑平均深度约17m 整个地下结构位于中风化或微风化的花岗岩体中 地下水主要为岩石裂隙水 赋存于花岗岩节理密集发育地带 大气降水是场区地下水的主要补给来源 地质报告提供的基岩裂隙水渗透速度为15 15m3 h 2007年9月 青岛遇大暴雨 平均降水量为257 d 0 01m h 降雨持续时间48h 降雨前基坑的水位高5 7m 暴雨后 地下水位由5 6m升至10 5m 同时 发现3 4层地下结构均有不同程度的开裂和混凝土局部破碎 尤其以负3层最为严重 主要表现为 柱上下对角部位 底板上返梁节点的混凝土破碎 梁 板 墙体的开裂 其中与主楼接近的结构部位损坏较为严重 2020 4 20 21 6青岛某大型商场 5 该工程建筑面积约为4万 地下1层 地上3层 单层面积约为1万 0 0绝对标高为10 5m 整平后的室外场区绝对标高为10 85m 底板下的绝对标高5 63m 地下室结构平面尺寸为148 3 69 6m 独立柱基 底板为无缝结构 设2道后浇式加强带和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 12 150双层双向配筋 混凝土强度等级为C30 柱截面为700 700mm 剪力墙截面为300mm 混凝土强度等级为C40 见图4 2020 4 20 22 工程场区平坦 地面标高12 31 12 46m 土层依次为素填土 粉质粘土 厚约为1 5m 下部为强 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 11 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月完成地下室外侧回填土并停止降水 05年12月发现地下室底板出现裂缝 此时地下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 左右 部分裂缝已发生渗漏 底板有积水 开裂情况见图4 2020 4 20 23 2020 4 20 24 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 不是混凝土收缩产生的裂缝 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 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 2020 4 20 25 因为室外场区由12 4m清理至10 85m标高后 基岩上已无土层 全岩体基坑的抗浮水头应取10 85 5 63 5 22m 大于1 5m的原设计抗浮水头 按5 22m的抗浮水头计算 虽然因建筑的层数较多 其总质量大于地下水的浮力 不会发生整体上浮 但底板局部抗浮承载力却不能满足要求 从该工程的教训看 为了保证结构的局部抗浮承载力 应正确认识岩体基坑中地下水的来源 以选择合理的抗浮设计水头高度 对地上层数较多的建筑 除满足结构整体抗浮承载力外 还应重点验算结构的局部抗浮承载力 2020 4 20 26 二发生事故的原因无论是地下建筑物发生整体上浮或是局部上浮 还是虽未上浮 但地下室底板发生破坏 都是未能正确估计水浮力的大小造成的 1没有应对暴雨造成地下水位上涨的措施由于暴雨造成地下水位上涨 有时水位甚至超过室外地面 如实例1某地下车厍和实例3某污水处理厂的情况 施工过程中没有估计到暴雨的因素 基坑没有及时回填 因水浮力超过地下建筑物的重量而上浮 2020 4 20 27 2没有正确认识地质情况例如实例5青岛某高层建筑和实例6青岛某大型商场的事故 反映了设计或施工单位对工程地质情况的研究不够 青岛地处崂山山麓 属花岗岩地区 地下室大都直接落在花岗岩上 由于中风化及其以下的花岗岩不透水 而地下室外侧与基坑之间的回填土又多为透水性强的风化砂 因此 岩体中虽然无地下水或地下水较少 但大气降水 岩石裂隙水 施工用水 地下管道渗漏水等水源很容易汇集于基坑中 滞留于地下室周围 2020 4 20 28 在地下结构施工期间 这些水源被及时排出基坑 待地下结构完成且其外侧的土回填并停止排水后 由于岩体基坑的透水性很小 后来汇集于其中的大气降水 岩石裂隙水 施工用水 地下管道渗漏水等无法消散 这些水大量汇集 造成基坑内的水位升高 当水浮力大于地下建筑物重量时 必然会发生地下建筑物整体上浮或因抗浮承载力不足而造成结构破坏 类似事故在其它地方也多有发生 必须引起重视 2020 4 20 29 停止排水后 由于岩体基坑的透水性很小 后来汇集于其中的大气降水 岩石裂隙水 施工用水 地下管道渗漏水等无法消散 这些水大量汇集 造成基坑内的水位升高 当水浮力大于地下建筑物重量时 必然会发生地下建筑物整体上浮或因抗浮承载力不足而造成结构破坏 类似事故在其它地方也多有发生 必须引起重视 2020 4 20 30 3施工不当例如实例4的某地水池 在进行满水试验后 将池内的水抽到池外基坑中 导致池外水位升高 浮力超过重量 造成池体上浮 4没有正确预估地下水位保证地下建筑物抗浮稳定性和抗浮承载力的关键是正确确定抗浮设防水位 在使用阶段 应分析使用期间可能出现的最高水位 在施工阶段则应在分析地质状况 施工季节 施工方法 施工荷载等因素后确定抗浮设防水位 许多工程事故都是因为抗浮设防水位确定不当造成的 2020 4 20 31 规范关于抗浮问题的规定高层建筑筏形与箱形基础技术规范JGJ6 2011 2020 4 20 32 4 4地下水4 4 1应根据场地特点和工程需要 查明下列水文地质状况 并提出相应的工程建议 1地下水类型和赋存状态 2主要含水层的分布规律及岩性特征 3年降水量 蒸发量及其变化规律和对地下水的影响等区域性资料 4地下水的补给排泄条件 地表水与地下水的补排关系及其对地下水位的影响 5勘察时的地下水位 历史最高水位 近 3 5 年最高水位 常年水位变化幅度或水位变化趋势及其主要影响因素 2020 4 20 33 6当场地内存在对工程有影响的多层地下水时 应分别查明每层地下水的类型 水位和年变化规律 以及地下水分布特征对地基和基础施工可能造成的影响 7当地下水可能对地基或基坑开挖造成影响时 应根据地基基础形式或基坑支护方案对地下水控制措施提出建议 8当地下水位可能高于基础埋深并存在基础抗浮问题时 应提出与建筑物抗浮有关的建议 9应查明场区是否存在对地下水和地表水的污染源及其可能的污染程度 提出相应工程措施的建议 2020 4 20 34 4 4 2当场地水文地质条件对地基评价和地下室抗浮以及施工降水有重大影响时 或对重大及特殊工程 除应进行专门的水文地质勘察外 对缺少地下水位相关资料的地区尚宜设置地下水位长期观测孔 2020 4 20 35 5 5 4当建筑物地下室的一部分或全部在地下水位以下时 应进行抗浮稳定性验算 抗浮稳定性验算应符合下式的要求 5 5 4 式中 F k 上部结构传至基础顶面的竖向永久荷载 kN Gk 基础自重和基础上的土重之和 kN 2020 4 20 36 FK 水浮力 kN 在建筑物使用阶段按与设计使用年限相应的最高水位计算 在施工阶段 按分析地质状况 施工季节 施工方法 施工荷载等因素后确定的水位计算 Kf 抗浮稳定安全系数 可根据工程重要性和确定水位时统计数据的完整性取1 0 1 1 2020 4 20 37 7 2 14在施工阶段应根据地下水位和基础施工的实际情况按本规范第5 5 4条进行抗浮稳定验算 在确定抗浮验算水位时 尚应考虑岩石裂隙水积聚等因素的影响 7 2 15可采取延长降水井抽水时间或在基底设置倒滤层等措施减小基底水压力 防止地下室上浮 2020 4 20 38 建筑地基基础设计规范GB50007 3 0 2根据建筑物地基基础设计等级及长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度 地基基础设计应符合下列规定 1 2 6建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时 尚应进行抗浮验算 2020 4 20 39 抗浮验算的关键是地下水位的确定 抗浮验算用的地下水位应由勘察单位提供 软土地区岩土工程勘察规程JGJ83 2010关于抗浮验算用的地下水位的规定可以参考 2020 4 20 40 软土地区岩土工程勘察规程JGJ83 20106 0 9评价地下水对结构的上浮作用时 宜通过专项研究确定抗浮设防水位 在研究场区各层地下水的赋存条件 场区地下水与区域性水文地质条件之间的关系 各层地下水的变化趋势以及引起这种变化的客观条件的基础上 可按以下原则对建筑物运营期间内各层地下水位的最高水位作出预测和估计 2020 4 20 41 1当有长期水位观测资料时 抗