關(guān)于基礎(chǔ)抗浮問題

關(guān)于基礎(chǔ)抗浮問題中國建筑科學(xué)研究院錢力航2013年7月30日2024/10/151

建筑物地下室、地下車厙、水池等由于水浮力的作用，發(fā)生整體上浮和造成結(jié)構(gòu)破壞的事故常有發(fā)生。因此，當(dāng)筏形和箱形基礎(chǔ)或地下室部分或全部在地下水位以下時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性分析驗(yàn)算，以確保工程的安全。2024/10/152一工程實(shí)例1

某地下車厙[1]。

某車庫建于1996年3月，僅地下一層、上部無建筑物，竣工后車庫頂面將作為小區(qū)花園使用。該車庫占地面積1488.0m2，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，車庫側(cè)壁為250㎜厚的鋼筋混凝土墻，層高3.3m?；A(chǔ)采用筏基，埋深1.9m。車庫頂板平面及剖面見圖1~2。2024/10/1532024/10/154圖1車庫頂板平面示意圖及上浮標(biāo)高變化觀測(cè)點(diǎn)布置圖圖2車庫剖面圖

2024/10/1551996年3月車庫結(jié)構(gòu)主體封頂后，車庫周邊施工單位未按施工圖要求及時(shí)回填處理。1996年5月27日傍晚突降暴雨，車庫產(chǎn)生不均勻上浮，其中：A軸處上浮約100㎜，G軸處上浮約300㎜。因上浮不均，車庫整體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和傾斜，框架梁端、柱頂、側(cè)墻頂、側(cè)墻根及頂板、底板部分邊緣產(chǎn)生剪切或拉裂，結(jié)構(gòu)受損，從而導(dǎo)致車庫進(jìn)水，嚴(yán)重影響車庫的安全和今后的正常使用。有關(guān)車庫梁板出現(xiàn)裂縫詳見圖3~6。2024/10/156圖3車庫上浮頂板裂縫示意圖2024/10/157圖4車庫上浮梁柱開裂示意圖2024/10/158圖5車庫上浮外墻開裂示意圖2024/10/159圖6車庫上浮底板開裂示意圖

2024/10/15102某地下停車場[2]

該停車場地下二層，建筑面積6400m2，每層3200m2，長寬均為60m，二層均為無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力無梁樓蓋，底板為500mm厚伐片基礎(chǔ)，反梁高1000mm，持力層為天然地基巖層。頂板頂標(biāo)高-0.80m，底板底標(biāo)高-8.70m，柱網(wǎng)尺寸7m×7m。底板有四個(gè)800mm深的集水井，一個(gè)1800mm深電梯井坑。抗浮設(shè)計(jì)考慮由結(jié)構(gòu)自重、四周基坑回填土、板頂綠化覆土、負(fù)一層負(fù)二層地面爐渣砼找平層的自重來平衡。地下停車場三邊臨近建筑物，一邊臨近城市道路。

2024/10/1511地下停車場整體上浮時(shí)四周基坑砂石回填已完成（約3400m3），主體結(jié)構(gòu)已驗(yàn)收，未完工程含負(fù)一負(fù)二層地面爐渣找平層、板頂綠化覆土、室內(nèi)粉刷、水電安裝工程。該停車場建設(shè)位置地下水非常豐富，在結(jié)構(gòu)施工過程中，基坑四角設(shè)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質(zhì)層大量滲水，原有地下管道漏水。在基坑砂石回填過程中和回填完后沒有再采取降水措施。2024/10/1512圖7上浮前結(jié)構(gòu)位置（東向）2024/10/1513原設(shè)計(jì)基坑采用粘土回填，后來為了趕進(jìn)度改為砂卵石回填。由于回填的砂卵石空隙率和存水量大，透水性強(qiáng)，在不下雨時(shí)基坑水位可達(dá)2m左右，上浮前幾天連降暴雨時(shí)，基坑水位在回填的砂卵石中迅速上升，經(jīng)局部開挖基坑回填砂石查明，基坑水位達(dá)到-3.30m，此時(shí)地下停車場自重為12000t，浮力約為15500t，浮力大于自重，致使其整體傾斜上浮。西北角上浮約1.40m，西南角上浮0.80，東南角上浮0.60m，東北角上浮0.50m。四周基坑回填砂石下陷，并進(jìn)入四周底板下。2024/10/1514上浮后結(jié)構(gòu)情況是負(fù)一層北向柱，在柱與柱帽水平施工縫處開裂，頂板局部產(chǎn)生裂紋，其它部位未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋。之后為裂紋產(chǎn)生高峰期，結(jié)構(gòu)每天都有新裂紋產(chǎn)生，主要部位是頂板局部、附一附二層柱與柱帽原水平施工縫處，裂紋寬度在0.1mm左右。在臨近降水下沉復(fù)位之前結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，裂紋很少產(chǎn)生。2024/10/1515圖8上浮后結(jié)構(gòu)位置（西向）

2024/10/15163某污水處理廠[3]

某污水處理廠二沉池，作為污水經(jīng)氧化處理后再次沉淀、除渣、出清之用。該池面積3300m3,直徑34m,池高4m,埋深4-7m。池底為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，呈鍋底狀；池壁為筒狀裝配式鋼筋混凝土壁板纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲噴漿結(jié)構(gòu)。該池地處河邊,2003年6月,因暴雨導(dǎo)致河水回灌，地下水急劇上漲,使已竣工正待驗(yàn)收的水池傾斜上浮,最高處上浮80cm，水池底板連墊層一起上蹺。2024/10/15174某地600m3水池[4]

某地600m3水池,尺寸為11.8×15.6×4.4m,1997年10月,在建成進(jìn)行滿水試驗(yàn)后,將池內(nèi)3m多深的水抽到池外基坑中,導(dǎo)致池外水位升高,浮力超過重量,池體上浮15~144mm.2024/10/15185青島某高層建筑[5]

該工程地下3～4層，地上2個(gè)塔樓分別為22層、28層，地下面積27433㎡，底板結(jié)構(gòu)面積7716.08㎡，基坑的上口面積12731.85㎡，下口面積9540.04㎡。地上2個(gè)塔樓為剪力墻結(jié)構(gòu)，地下為框架結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)尺寸為8.1×8.1m，底板為上返梁式的筏板基礎(chǔ)，底板厚450㎜，上返梁高1m，柱截面為650×650㎜，底板、柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45，底板和頂板回填土的厚度分別為0.58m、0.6m，基底絕對(duì)標(biāo)高為4.5m，基坑周邊最低點(diǎn)的絕對(duì)標(biāo)高為15.6m，見圖2。2024/10/15195青島某高層建筑[5]

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基坑平均深度約17m，整個(gè)地下結(jié)構(gòu)位于中風(fēng)化或微風(fēng)化的花崗巖體中，地下水主要為巖石裂隙水，賦存于花崗巖節(jié)理密集發(fā)育地帶，大氣降水是場區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源。地質(zhì)報(bào)告提供的基巖裂隙水滲透速度為15.15m3/h。2007年9月，青島遇大暴雨，平均降水量為257㎜/d＝0.01m/h，降雨持續(xù)時(shí)間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。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)3～4層地下結(jié)構(gòu)均有不同程度的開裂和混凝土局部破碎，尤其以負(fù)3層最為嚴(yán)重。主要表現(xiàn)為：柱上下對(duì)角部位、底板上返梁節(jié)點(diǎn)的混凝土破碎，梁、板、墻體的開裂，其中與主樓接近的結(jié)構(gòu)部位損壞較為嚴(yán)重。2024/10/15216青島某大型商場[5]該工程建筑面積約為4萬㎡，地下1層、地上3層，單層面積約為1萬㎡，±0.0絕對(duì)標(biāo)高為10.5m，整平后的室外場區(qū)絕對(duì)標(biāo)高為10.85m，底板下的絕對(duì)標(biāo)高5.63m；地下室結(jié)構(gòu)平面尺寸為148.3×69.6m，獨(dú)立柱基，底板為無縫結(jié)構(gòu)，設(shè)2道后澆式加強(qiáng)帶和1道連續(xù)式加強(qiáng)帶，底板之上的墻、板設(shè)置了2條變形縫。底板厚度為350mm，φ12@150雙層雙向配筋，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，柱截面為700×700mm，剪力墻截面為300mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，見圖4。2024/10/1522工程場區(qū)平坦，地面標(biāo)高12.31～12.46m，土層依次為素填土、粉質(zhì)粘土，厚約為1.5m；下部為強(qiáng)、中風(fēng)化花崗巖；地下水屬孔隙潛水和基巖裂隙水，主要分布于土層和強(qiáng)風(fēng)化巖中，穩(wěn)定水位的絕對(duì)標(biāo)高9.58～11.15m。該工程地下結(jié)構(gòu)于04年10月開始，主體結(jié)構(gòu)于05年8月完成，05年11月完成地下室外側(cè)回填土并停止降水，05年12月發(fā)現(xiàn)地下室底板出現(xiàn)裂縫，此時(shí)地下水位距底板下的高度約為4m。底板的裂縫分布均勻，大部分為板中裂縫，柱根部位有少量斜裂縫，裂縫的寬度為0.3㎜左右，部分裂縫已發(fā)生滲漏，底板有積水，開裂情況見圖4。2024/10/15232024/10/1524

由于在墻體和其他部位未發(fā)現(xiàn)裂縫，僅從底板裂縫的形態(tài)和分布特征看，不是混凝土收縮產(chǎn)生的裂縫，應(yīng)屬于比較典型的混凝土雙向板受力裂縫。據(jù)了解地下室原設(shè)計(jì)的抗浮水頭為1.5m，又根據(jù)裂縫出現(xiàn)的時(shí)間恰是停止排水之后來判斷，出現(xiàn)裂縫的主要原因應(yīng)是底板的抗浮承載力不足。2024/10/1525

因?yàn)槭彝鈭鰠^(qū)由12.4m清理至10.85m標(biāo)高后，基巖上已無土層，全巖體基坑的抗浮水頭應(yīng)取10.85－5.63＝5.22m，大于1.5m的原設(shè)計(jì)抗浮水頭。按5.22m的抗浮水頭計(jì)算，雖然因建筑的層數(shù)較多，其總質(zhì)量大于地下水的浮力，不會(huì)發(fā)生整體上浮，但底板局部抗浮承載力卻不能滿足要求。從該工程的教訓(xùn)看，為了保證結(jié)構(gòu)的局部抗浮承載力，應(yīng)正確認(rèn)識(shí)巖體基坑中地下水的來源，以選擇合理的抗浮設(shè)計(jì)水頭高度；對(duì)地上層數(shù)較多的建筑，除滿足結(jié)構(gòu)整體抗浮承載力外，還應(yīng)重點(diǎn)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的局部抗浮承載力。2024/10/1526二

發(fā)生事故的原因

無論是地下建筑物發(fā)生整體上浮或是局部上浮，還是雖未上浮，但地下室底板發(fā)生破壞，都是未能正確估計(jì)水浮力的大小造成的。1沒有應(yīng)對(duì)暴雨造成地下水位上漲的措施

由于暴雨造成地下水位上漲，有時(shí)水位甚至超過室外地面。如實(shí)例1某地下車厙和實(shí)例3某污水處理廠的情況，施工過程中沒有估計(jì)到暴雨的因素，基坑沒有及時(shí)回填，因水浮力超過地下建筑物的重量而上浮。2024/10/15272沒有正確認(rèn)識(shí)地質(zhì)情況

例如實(shí)例5青島某高層建筑和實(shí)例6青島某大型商場的事故，反映了設(shè)計(jì)或施工單位對(duì)工程地質(zhì)情況的研究不夠。青島地處嶗山山麓，屬花崗巖地區(qū)，地下室大都直接落在花崗巖上。由于中風(fēng)化及其以下的花崗巖不透水，而地下室外側(cè)與基坑之間的回填土又多為透水性強(qiáng)的風(fēng)化砂。因此，巖體中雖然無地下水或地下水較少，但大氣降水、巖石裂隙水、施工用水、地下管道滲漏水等水源很容易匯集于基坑中，滯留于地下室周圍。2024/10/1528

在地下結(jié)構(gòu)施工期間，這些水源被及時(shí)排出基坑，待地下結(jié)構(gòu)完成且其外側(cè)的土回填并停止排水后，由于巖體基坑的透水性很小，后來匯集于其中的大氣降水、巖石裂隙水、施工用水、地下管道滲漏水等無法消散，這些水大量匯集，造成基坑內(nèi)的水位升高，當(dāng)水浮力大于地下建筑物重量時(shí)，必然會(huì)發(fā)生地下建筑物整體上浮或因抗浮承載力不足而造成結(jié)構(gòu)破壞。類似事故在其它地方也多有發(fā)生，必須引起重視。2024/10/1529

停止排水后，由于巖體基坑的透水性很小，后來匯集于其中的大氣降水、巖石裂隙水、施工用水、地下管道滲漏水等無法消散，這些水大量匯集，造成基坑內(nèi)的水位升高，當(dāng)水浮力大于地下建筑物重量時(shí)，必然會(huì)發(fā)生地下建筑物整體上浮或因抗浮承載力不足而造成結(jié)構(gòu)破壞。類似事故在其它地方也多有發(fā)生，必須引起重視。2024/10/15303施工不當(dāng)

例如實(shí)例4的某地水池，在進(jìn)行滿水試驗(yàn)后,將池內(nèi)的水抽到池外基坑中,導(dǎo)致池外水位升高,浮力超過重量,造成池體上浮。4沒有正確預(yù)估地下水位

保證地下建筑物抗浮穩(wěn)定性和抗浮承載力的關(guān)鍵是正確確定抗浮設(shè)防水位。在使用階段，應(yīng)分析使用期間可能出現(xiàn)的最高水位。在施工階段則應(yīng)在分析地質(zhì)狀況、施工季節(jié)、施工方法、施工荷載等因素后確定抗浮設(shè)防水位。許多工程事故都是因?yàn)榭垢≡O(shè)防水位確定不當(dāng)造成的。2024/10/1531規(guī)范關(guān)于抗浮問題的規(guī)定高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范JGJ6-20112024/10/15324.4地下水4.4.1

應(yīng)根據(jù)場地特點(diǎn)和工程需要，查明下列水文地質(zhì)狀況，并提出相應(yīng)的工程建議：1

地下水類型和賦存狀態(tài)；2

主要含水層的分布規(guī)律及巖性特征；3

年降水量、蒸發(fā)量及其變化規(guī)律和對(duì)地下水的影響等區(qū)域性資料；4

地下水的補(bǔ)給排泄條件、地表水與地下水的補(bǔ)排關(guān)系及其對(duì)地下水位的影響；5

勘察時(shí)的地下水位、歷史最高水位、近（3～5）年最高水位、常年水位變化幅度或水位變化趨勢(shì)及其主要影響因素；2024/10/15336

當(dāng)場地內(nèi)存在對(duì)工程有影響的多層地下水時(shí)，應(yīng)分別查明每層地下水的類型、水位和年變化規(guī)律，以及地下水分布特征對(duì)地基和基礎(chǔ)施工可能造成的影響；7

當(dāng)?shù)叵滤赡軐?duì)地基或基坑開挖造成影響時(shí)，應(yīng)根據(jù)地基基礎(chǔ)形式或基坑支護(hù)方案對(duì)地下水控制措施提出建議；8

當(dāng)?shù)叵滤豢赡芨哂诨A(chǔ)埋深并存在基礎(chǔ)抗浮問題時(shí)，應(yīng)提出與建筑物抗浮有關(guān)的建議；9

應(yīng)查明場區(qū)是否存在對(duì)地下水和地表水的污染源及其可能的污染程度，提出相應(yīng)工程措施的建議。2024/10/15344.4.2

當(dāng)場地水文地質(zhì)條件對(duì)地基評(píng)價(jià)和地下室抗浮以及施工降水有重大影響時(shí)，或?qū)χ卮蠹疤厥夤こ?，除?yīng)進(jìn)行專門的水文地質(zhì)勘察外，對(duì)缺少地下水位相關(guān)資料的地區(qū)尚宜設(shè)置地下水位長期觀測(cè)孔。2024/10/15355.5.4當(dāng)建筑物地下室的一部分或全部在地下水位以下時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)符合下式的要求：

（5.5.4）

式中：F’k—上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向永久荷載（kN）；

Gk—基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重之和（kN）；2024/10/1536

FK′—水浮力（kN），在建筑物使用階段按與設(shè)計(jì)使用年限相應(yīng)的最高水位計(jì)算；在施工階段，按分析地質(zhì)狀況、施工季節(jié)、施工方法、施工荷載等因素后確定的水位計(jì)算；

Kf

—抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，可根據(jù)工程重要性和確定水位時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的完整性取1.0～1.1。2024/10/15377.2.14

在施工階段應(yīng)根據(jù)地下水位和基礎(chǔ)施工的實(shí)際情況按本規(guī)范第5.5.4條進(jìn)行抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算；在確定抗浮驗(yàn)算水位時(shí)，尚應(yīng)考慮巖石裂隙水積聚等因素的影響。7.2.15

可采取延長降水井抽水時(shí)間或在基底設(shè)置倒濾層等措施減小基底水壓力，防止地下室上浮。2024/10/1538建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB500073．0．2根據(jù)建筑物地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)及長期荷載作用下地基變形對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響程度，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列規(guī)定：1……2…………6

建筑地下室或地下構(gòu)筑物存在上浮問題時(shí)，尚應(yīng)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。2024/10/1539

抗浮驗(yàn)算的關(guān)鍵是地下水位的確定。抗浮驗(yàn)算用的地下水位應(yīng)由勘察單位提供。

軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)程JGJ83-2010關(guān)于抗浮驗(yàn)算用的地下水位的規(guī)定可以參考。

2024/10/1540軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)程JGJ83-20106.0.9

評(píng)價(jià)地下水對(duì)結(jié)構(gòu)的上浮作用時(shí)，宜通過專項(xiàng)研究確定抗浮設(shè)防水位。在研究場區(qū)各層地下水的賦存條件、場區(qū)地下水與區(qū)域性水文地質(zhì)條件之間的關(guān)系、各層地下水的變化趨勢(shì)以及引起這種變化的客觀條件的基礎(chǔ)上，可按以下原則對(duì)建筑物運(yùn)營期間內(nèi)各層地下水位的最高水位作出預(yù)測(cè)和估計(jì)：

2024/10/15411

當(dāng)有長期水位觀測(cè)資料時(shí)，抗浮設(shè)防水位可根據(jù)該層地下