某在建工程的下沉广场上浮原因分析

赵宝生，彭文柏，温 强

（1.云南省建筑结构与新材料企业重点实验室，云南 昆明 650223；2.昆明市建筑工程结构安全和新技术重点实验室，云南 昆明 650223；3.云南省建筑科学研究院，云南 昆明 650223）

0 引 言

随着现代城市的快速发展，建设用地资源日趋紧张［1］，高层建筑不断兴建，地下空间技术的不断应用，埋置于地下的车库、人防工程逐渐增多，对地下空间的利用提出更高要求，大型、超深基坑层出不穷。与此同时，深埋地下水的分布情况错综复杂，地下水分布及其水位对建筑地下及地上结构的不利影响也越来越大，尤其在高水位地区，抗浮问题多种多样，底板隆起、梁柱节点破坏事故频发，结构抗浮成为建筑行业研究的重点问题之一。本文介绍某在建工程项目地下室上浮问题分析研究，并对上浮的部分原因进行分析，为同类型的工程项目提供参考。

1 工程概况

某在建工程项目包括地下室、5 栋高层建筑、多层商业街建筑及幼儿园，整个场地为Ⅱ类建筑场地，±0.000 m 相当于绝对高程 1 632.200 m，地下室底板板面标高为 -11.200 m，相当于绝对高程 1 621.000 m，地下 2 层顶板板面（下沉广场楼面板）标高 -7.45 m，相当于绝对高程 1 624.750 m，设计抗浮最高水位相当于绝对高程 1 628.800 m。

地下室部分采用独立承台下长螺旋钻孔灌注桩（抗拔）基础，另做防水底板，防水板混凝土垫层下设150 mm 厚松散材料。长螺旋钻孔灌注桩设计有效桩长16 m，实际施工时变更为 12 m，桩尖进入第⑤层砾砂层，且进入持力层深度不小于 1.5 m。单桩抗压承载力极限值为 1 600 kN，单桩抗拔承载力极限值为1 300 kN。

该工程于 2011 年 10 月 20 日开工，2014 年 2 月停工，停工时地下室主体结构已施工完毕，上部建筑结构主体施工完成，部分上部建筑填充墙已经完成砌筑，2017 年 3 月 28 日工程正式复工，2017 年 5 月开始进行地下室顶板防水层施工，2017 年 11 月开始土方回填，2018 年 4 月完成地下室顶板土方回填工作。

2018 年 8 月现场工作人员发现下沉广场部分墙体、梁柱等出现损伤现象，并进行了一系列观测等工作，为充分掌握此次损伤现象的原因及后续处理措施，技术人员于 2018 年 8 月 19 日～ 2018 年 8 月 26 日现场进行构件损伤检测，检测时大部分室外工程完成碎石垫层（厚度约 200 mm）和土夹石回填（厚度约 300 mm），厚度约 300 mm 的种植土未回填。

2 现场检测

2.1 构件损伤变化过程

2018 年 8 月 4 日上午 9 时发现下沉广场地下 1 层9-13/a-b 轴区域内的墙体出现开裂情况，多处墙体出现呈 45 °裂缝。

2018 年 8 月 5 日上午 8 时 30 分，发现 2018 年 8 月 4 日出现的墙体开裂的裂缝宽度继续扩大，同时发现地下 2 层 b 轴、c 轴的框架柱柱脚处出现了挤压性破坏。

2018 年 8 月 6 日上午 8 时 30 分，下沉广场区域地下 1 层结构板出现明显凸起，经现场测量该区域楼面板最大凸起量已达 500 mm，该区域填充墙出现裂缝及抹灰层脱落现象，地下 1 层结构柱局部出现肉眼可见裂缝；此时地下 2 层地下室底板也存在凸起，同时发现地下 1 层结构梁板已出现不同程度的裂缝，并在下沉广场以西的部位在同一条轴线上发现框架柱在梁底下位置出现剪切破坏。截止下午 17 时，结构上浮量最大值达到730 mm，局部框架柱及框架梁已出现破坏。

2018 年 8 月 7 日安装水泵对地下 2 层8/X 柱边防水底板剪切破坏地方涌出的水进行抽排。

2018 年 8 月 8 日凌晨开始至下午 15 时共完成下沉广场周边 8 个泄压排水孔开孔工作。开孔过程中在靠近某栋高层的 4 个排水孔成孔完成后从孔内涌出 1.3 m 高的水柱。本次开孔泄压只是钻透防水板，未穿透垫层混凝土，泄压过程中未出现泥砂涌出现象。开孔泄压工作完成后，下沉广场结构上浮情况得到有效控制和好转，结构上浮量由 730 mm 恢复到 470 mm，结构损伤也未继续加重。

2018 年 8 月 9 日，根据第三方观测数据显示，下沉广场结构上浮量恢复到 257.1 mm。

2018 年 8 月 10 日，泄压孔仍有大量地下水涌出，地下室积水抽排工作仍在继续；下沉广场结构上浮量趋于稳定。当天下午勘察单位人员从基准控制点引测的当天水位高度绝对高程为 1 629.82 mm。

2018 年 8 月 11 日，第三方观测数据显示无变形和复位，现场抽水工作还在继续。当天下午 15 时引测水位绝对高程为 1 629.61 m。

2018 年 8 月 12 日，型钢支撑的制作和安装工作仍在继续，第三方观测数据显示无变形和复位，当天下午 15 时对地下水位进行引测的水位绝对高程为 1 629.39 m。

2018 年 8 月 13 日和 8 月 14 日，玉溪通海县发生两次 5.0 级地震，当天地下水位观测点的实测水位为1 629.28 m。

2018 年 8 月 15 日～ 8 月 26 日，型钢支撑和抽排水工作仍在继续，大部分泄压孔仍有水流出。

2.2 构件损伤检测结果

以下沉广场对应区域为中心，受影响程度由中心区域向外逐渐减弱，主要损伤表现为梁柱节点（柱头、柱脚与梁交接部位）开裂、混凝土压剪、拉压、挤压损伤和破坏，大部分严重损伤的柱头柱脚保护层范围内的混凝土脱落。

地下 2 层共 57 根柱存在损伤，地下 1 层共 43 根柱存在损伤，地下 2 层局部梁损伤严重、地下 1 层梁损伤轻微，大部分梁存在竖向及梁底 U 型裂缝，地下 2 层底板开裂严重，地下 2 层、地下 1 层影响范围内填充墙存在裂缝，损伤严重，地下 2 层剪力墙损伤严重。

1）地下 2 层 6 根柱混凝土压裂、压碎、竖向钢筋弯曲和外露、横截面错位 30～200 mm，已丧失承载能力，破损如图1～2 所示。

图1 柱头开裂

图2 柱脚开裂

2）地下 2 层其余柱及地下 1 层柱普遍存在柱头、柱脚水平及斜裂缝，部分柱头柱脚保护层混凝土开裂、脱落。

3）局部地下 2 层梁梁底及侧面存在竖向及斜裂缝、混凝土保护层开裂、脱落，裂缝最大宽度 2 mm，已严重影响承载能力，其余对应柱、梁影响区域内的梁均存在竖向 U 型裂缝（两个侧面及底面），如图3～4 所示，裂缝数量多，裂缝宽度小，大多数裂缝宽度小于0.3 mm，U 型裂缝数量多、大多数宽度在 0.05 mm。总体上地下 2 层影响程度大于地下 1 层。

图3 全梁 U 型开裂

图4 梁跨中 U 型开裂

4）影响区域内的 3 面剪力墙均存在斜裂缝，局部混凝土压碎、钢筋弯曲和外露，已严重影响承载能力；与柱头交接处混凝土压碎、钢筋弯曲、外露，严重影响局部承载能力，破损如图5 所示。

图5 剪力墙及柱头破损严重

5）地下 2 层底板在经历上浮及恢复变形后，混凝土板面呈网格状裂缝，纵向、横向、斜向裂缝均有，最大裂缝宽度 2.0 mm，裂缝宽度在沿轴线字母方向裂缝宽度较大；地下 2 层底板已施工完找平层的板面同样存在大量不规则裂纹；裂纹与混凝土面裂缝不一定对应。

6）地下 2 层顶板板底在柱梁影响区范围内均存在裂缝，呈不规则形状，裂缝最大宽度 1.2 mm。裂缝出现的数量与底板相比较少。

7）柱影响区域内的填充墙存在竖向、水平、斜裂缝、交叉裂缝，部分填充墙已严重损坏；破损如图6 所示。

图6 剪力墙斜向开裂

2.3 损伤区域梁板柱变形检测

1）损伤区域沉降检测。地下 2 层底板以距离下沉广场较远点为基准点，12-13/X-Y 区域的中点位置附近为凸起最高点，相比基准点高差为 +261 mm，以此点为最高点向周边逐渐降低。地下 1 层以下沉广场边缘为基准点，则 11/Y 柱相应位置为凸起最高点，相比基准点高差为 +267 mm，以此点为最高点向周边逐渐降低。

2）竖直构件垂直度偏差检测。采用 2 m 靠尺和全站仪对框架柱的垂直度进行量测，发现下沉广场及周边的区域垂直偏差方向突变比较严重，说明该区域已发生严重不均匀变形，地下 1 层框架柱垂直度偏差最大值 35 mm。

3）水平构件挠度检测。采用全站仪对地下 2 层框架梁的挠度进行检测，发现 9-10/Y 梁的 9 轴线端的变形值最大，为 -145 mm。

2.4 地下水位查勘及观测

2018 年 8 月 8 日在地下室外墙侧壁外开挖地下水位观测点，8 月 10 日引测地下水位高程为 1 629.82 m，8 月11 日引测地下水位高程为 1 629.61 m，8 月 12 日引测地下水位高程为 1 629.39 m，8 月 14 日引测地下水位高程为 1 629.28 m。2018 年 8 月 24 日在地下水位观测点实测地下水位高程为 1 629.28 m。

查气象网，该地区 2018 年度累计降水量为610.8 mm，自 5 月进入雨季开始，每月有 15 d 以上降雨，7 月份降水量为 188 mm，截至 8 月 29 日 8 月份降水量为188.3 mm。即 7 月、8 月两月降水超过 2018 年累计降水量的 61.6 % 以上。

2018 年 8 月 3～5 日持续出现较大降水，发生大雨、暴雨现象，中国气象网发出该地区暴雨蓝色预警，24 h 内出现超过 50 mm、局部超过 80 mm 的降水。

综上，地下水位提升与下沉广场上浮破坏的时间较为契合，需进行抗浮验算分析。

3 抗浮验算分析

3.1 抗浮验算方法

抽取具有代表性的地下室地下 2 层 3 个框架柱及附属区域进行抗浮计算，分别选取 12/Y 柱、9/X 柱和13/b 柱，其中 12/Y 柱大致位于下沉广场中心，承担荷载主要为地下 2 层及地下荷载；9/X 柱大致位于下沉广场边缘，承担荷载主要为部分地面荷载、地下 1 层荷载、地下 2 层荷载及地下荷载；13/b 柱距离下沉广场边缘水平距离 8.4 m。

3.2 验算结果分析

各柱的有效承载范围内的荷载主要为地面填土恒荷载、地下 1 层和地下 2 层结构自重（包括相应的梁板柱等结构构件）；抗拔桩的承载力采用承载力极限值 1 300 kN 计算，各柱的荷载及承载力如表1 所示。

浮力作用下，结构发生破坏，抗浮桩应已达到或接近其极限承载力，本项目在设防水位和实测最高水位下的验算结果与实际破坏现象基本一致，即验算不符合规范要求的部位在实际中也发生了破坏，而且破坏现象较为明显，说明该项目抗拔桩已达到或接近其极限承载力，进而说明抗拔承载力极限值取值不当，原因如下。

1）该项目基桩抗压承载力极限值为 1 600 kN，抗拔承载力极限值为 1 300 kN，为抗压承载力极限值的81.25 %，根据 JGJ 94－2008《建筑桩基技术规范》［2］第5.4.III 节相关内容可知，桩抗拔承载力极限值约为抗压承载力极限值的 0.50～0.80，即抗拔承载力极限值需根据不同土质类型进行相应的折减，但其抗拔承载力极限值不可能高于抗压承载力极限值的 80 %。

2）桩侧表面第 i 层土的抗压极限侧阻力标准值 qsik的本质是土体与桩身表面的摩阻力，因此可采用式（1）进行分析。

式中：γj为第 j 层土的有效重度，kN/m3；hj为第 j 层土的厚度，m；φi为第 i 层土的内摩擦角，°。

在无水时约为 16～20 kN/m3，在有水条件下约为 6～10 kN/m3，降低幅度不低于 50 %，抗拔桩承载力检测时因基坑降水或处于非雨季等因素，地下水位较低，但实际使用中地下水位升高，导致桩身周边土体的有效重度下降进而引起 qsik降低，最终使得桩抗拔承载力极限值随之等幅下降。

3）上述分析未考虑桩抗压承载力极限值中桩端阻力的贡献，若考虑桩端阻力的贡献，则抗拔承载力极限值还应更低。

综上所述，该工程的抗拔承载力极限值取值不当且偏高。

4 上浮及构件损伤原因分析

4.1 上浮原因分析

该场地地下水属潜水类型，地下水具微承压性，地下水来源主要靠大气降雨及地表水补给。场地表层为第四系人类活动层，主要为①杂填土、②耕土，其结构松散，孔隙较大，土层赋存有少量孔隙水。下部的粗颗粒砂土层④层中砂、⑤层砾砂、⑤1层卵石、⑦层砾砂、⑨层砾砂、11层砾砂、⑤4层中砂等为场区内主要含水层，其分布范围广，厚度大，整个场地为中等富水场地。

表1 验算柱的荷载及承载力统计表

地下室底板底面和抗浮桩均位于⑤层砾砂含水层，大底板开挖后整个场地开敞，基础底部和场地四周局部或全部连通，地下水又主要靠大气降雨及地表水补给，因此，在极端天气地表水大量聚积时，地下水快速得到补给，短时间内提升地下水所产生的的水压力，迅速提高对底板形成的浮力，当结构抗浮承载力低于浮力时，发生地下室底板上浮、拱起现象，对结构构件造成损伤。

下沉广场底板设计抗浮水位 1 628.8 m，抗浮验算显示，下沉广场底板中部的临界水位为 1 628.3 m，下沉广场边缘的临界水位为 1 628.8 m，距离下沉广场边缘 8.4 m 的部位临界水位为 1 629.7 m。计算显示的临界水位接近设计抗浮水位。近期检测期间实测水位为1 629.28 ～1 629.82 m。而 2018 年 8 月 3 日～8 月 5 日暴雨期间，实际最大水位还可能高于实测水位，故短时间内大暴雨造成场地内外大量地表水下渗，进而提高了地下水位，致使实际浮力作用超出抗浮水位确定的抗浮承载能力。

综合而言，本工程地下室上浮主要是基于下列两点原因。

1）桩抗拔承载力极限值取值偏高，导致基础的抗浮承载力储备值较低，应对偶然高水位或大概率高水位时的抗浮可靠性较低。

2）施工期间面临暴雨季节时的降排水措施不力，导致暴雨季节时地下水位骤升，浮力大幅增加。

4.2 构件损伤原因分析

地下室结构构件由于下沉广场上浮引起构件产生裂缝和变形。

1）浮力导致框架梁梁端产生较大的剪切变形，梁端出现因剪切变形产生的斜裂缝和竖向 U 型裂缝，裂缝沿梁高下宽上窄。

2）浮力在柱端产生水平作用力，上下柱端产生剪切裂缝，因此造成柱端产生斜向剪切裂缝，混凝土剪切破坏，横截面错位（最大错位近 200 mm），混凝土压碎，钢筋屈服、弯折。

5 结论与建议

5.1 结 论

针对该工程上浮及结构构件损伤经过现场检测与理论分析可得以下几条主要结论 。

1）该工程在确定抗浮桩的抗浮承载力极限值时取值偏高，进而导致该工程的抗浮安全度较低，在遭遇高于抗浮设计水位约 1.0 m 左右的水位时即严重破坏。

2）该工程的设计抗浮水位取值时未考虑极端气候下的地下水位上升，导致工程在本地雨季地下水位上升时，抗浮承载力不足而出现破坏。

5.2 建 议

针对该工程的破损及相应问题，提出如下几条建议以供类似工程项目参考。

1）抗拔桩承载力极限值的确定应综合考虑试桩方式、地下水位变化、施工工艺等条件，不可仅按照试桩报告提供的极限值进行确定。

2）设计抗浮水位应结合当地气候条件、地下水的赋存条件、地下水的补给条件等综合确定，不应按照勘察时的最高水位确定。

3）若考虑桩基的变刚度调平设计等因素而不能增加相应抗拔桩的数量，可考虑抗拔桩与抗拔锚杆综合布置的抗浮措施，在不过多增加桩基抗压承载力的前提下增加桩基的抗拔承载力。

6 结 语

本文通过某在建工程的下沉广场抗浮破坏的调查、损伤检测及地下水位的观测等，针对上浮原因进行了鉴定分析，指出现有抗浮设计中存在的不足。抗浮水位的取值、抗浮桩抗浮承载力的试验方法、抗浮措施的优化选择等都需要进一步的研究。