竖向向上荷载作用引起的地下室构件损伤及防治探析

翟光南 （铜陵市建筑工程管理局，安徽 铜陵 244000）

1 引言

钢筋混凝土结构建筑的承载功能及混凝土中掺入相应外加剂后自防水性能，使得设计师们普遍将地下室设计为钢筋混凝土结构，结构形式一般为一～二层框架结构，基础为整体式筏板基础，采用明控法施工。近几年来，由于多种原因，地下室混凝土构件承受竖向向上荷载而受损的情况屡有发生。2014 年10月1 日实施的《建筑工程裂缝防治技术规程》（JGJ/T317-2014）第4.3.3条明确规定：复杂条件下的建筑物抗浮设计，应进行专项论证确定抗浮设防水位；合肥市于2011 年1 月30 日印发实施《合肥市地下建（构）筑物抗浮设防管理规定》。

2 竖向向上荷载种类

除地震作用外，竖向向上荷载作用主要有水浮力作用和地基土膨胀作用。水浮力作用致地下室构件受损必须同时具备三个条件：其一是有水源且水源使地下水水位足够高；其二是水已渗流至地下室底板底部和地下室外墙四周；其三是作用于地下室结构上的由上向下的静荷载、活荷载小于作用于地下室结构上的水浮力。地基土膨胀作用致地下室构件受损也必须同时满足三个条件：其一地基土具有弱膨胀潜势；其二地基土受水浸泡；其三地下室顶板静荷载工程未施工。相较于水浮力作用引起的损伤，地基土膨胀作用引起的损伤频次少，损伤程度也较轻。

3 水浮力作用

水浮力作用可引起地下室柱、墙、梁、板（底板、顶板）构件不同程度开裂甚至混凝土或砌墙砖碎裂、剥落。水浮力作用可通过钻穿地下室底板有水喷涌进行验证，水浮力较大时呈水柱状喷出，喷出的水柱见图1。

图1 底板钻穿喷出的水柱

3.1 框架柱

因水浮力作用受损较重的框架柱上均分布有多条裂缝。大部分柱裂缝分布于柱头和柱根部位，也有少数柱裂缝几乎沿柱全高分布。若柱根处裂缝由西侧沿南、北侧面往东伸展，缝宽逐渐变细，西侧面裂缝深度即南、北侧裂缝伸展长度，则柱头处裂缝由东侧沿南、北侧面往西伸展，缝宽逐渐变细，东侧面裂缝深度即南、北侧裂缝伸展长度；若柱根处裂缝由东侧沿南、北侧面往西伸展，缝宽逐渐变细，东侧面裂缝深度即南、北侧裂缝伸展长度，而柱头处裂缝由西侧沿南、北侧面往东伸展，缝宽逐渐变细，西侧面裂缝深度即南、北侧裂缝伸展长度。柱裂缝最大缝宽较大，有时可达5mm以上。有代表性的柱根裂缝见图2，有代表性的柱头裂缝见图3。

图2 柱根裂缝图

图3 柱头裂缝

伴随裂缝损伤，损伤程度严重的柱倾斜严重。

某住宅小区单层框架结构地下车库建筑面积10000m2以上，其四周结构构件与邻近的多层或高层住宅楼结构构件无连接，该地下车库所在小区地势较低，地下车库又处于小区最洼处。地质勘察报告显示：地库场地勘察深度范围内有一层地下水，属潜水类型，勘察期间实测稳定水位埋深5.79m～7.60 m(绝对高程19.62m～17.81m)，水位升降变化受大气降水影响。估计丰水期水位可达自然地面下1.5m 左右，建议地下室抗浮设防水位为自然地面下1.5m(标高23.91m)。

设计标高±0.00 为绝对高程24.6 m，抗浮水位取建成后地表下1.5m；筏板基础，车库顶板覆土厚度1000mm；要求基槽开挖时严禁暴晒或水浸；基坑开挖前及施工期间应进行人工降低地下水位，将地下水降至基底以下不小于500mm；地下车库施工完毕后，应及时回填土，四周应用2：8 灰土在相对两侧或四周同时回填并逐层夯填密实，回填时应严格按照规范施工，回填土压实系数≥0.94。基坑开挖前及施工期间人工降低地下水位。车库顶板板面上的轻集料混凝土层和钢筋混凝土层、车库侧墙外侧的防水涂层和回填土施工完毕，车库顶1000mm覆土层尚未施工，车库所在地连降大雨甚至暴雨（最大日降水量达91.2mm），连续降雨及小区排水系统尚未形成，雨水大量涌入车库周边，致地下车库上浮而严重受损。2020 年及2021年雨季也使部分地区在建地下室及既有地下室上浮而受损。

3.2 混凝土墙体

地下室中部上浮程度高于其四周的外墙；混凝土外墙裂缝主要分布于外墙内侧面顶部（见图4）和外墙外侧面根部呈水平向伸展，裂缝数量较多时，裂缝间彼此几乎平行，裂缝间间距较小，墙体顶部裂缝宽度由内往外逐渐变窄，墙体根部裂缝宽度由外往内逐渐变窄。地下室四周上浮高度高于其中部的外墙和地下室上浮高度高于其四周的内墙：由于其同片墙体上浮高度差异及受相邻混凝土构件约束，其裂缝主要呈斜向、水平向分布于墙体根部，也有部分裂缝分布于墙体全高，同一片墙体上分布的裂缝数量较多，彼此间几乎平行，裂缝在墙体的两侧对称。有代表性的裂缝见图4、图5。

图4 外墙内侧面顶部裂缝

图5 分布于墙体根部的多条斜向裂缝

3.3 框架梁

由于框架柱的上浮高度和同跨框架柱上浮高度的差异，致每跨框架梁上裂缝数量不等；裂缝分布位置也不一样，部分梁裂缝分布于梁支座处，部分梁裂缝沿梁跨度全跨分布；大部分梁裂缝呈竖向或斜向，极少数呈水平向；部分裂缝由梁底向梁两侧面伸展，部分裂缝只分布于梁的两侧；分布于梁两侧的裂缝有部分两侧对称，部分两侧不对称。上浮开裂损伤严重的梁甚至在支座部位出现混凝土碎裂、剥落，有代表性的梁裂缝见图6。

图6 框架梁裂缝

3.4 地下室顶板、底板

框架结构地下室顶板、底板裂缝分布特征随着其上浮高度及不同部位上浮高度差异而略有差异，大部分裂缝与纵、横向轴线呈一定的夹角伸展，其中部分裂缝沿对角线或与对角线平行伸展，同一条裂缝的同一部位板底和板面缝宽差异较大，裂缝缝宽沿板截面高度由上而下或由下而上逐渐变窄，其中部分裂缝贯穿板截面。由于上浮，地下室底板与其底板素混凝土垫层、及素混凝土垫层与其底部地基持力层间还有间隙。有代表性的顶板板底裂缝见图7，底板板面裂缝见图8。

图7 地下室顶板板底裂缝

图8 地下室底板板面裂缝

4 地基土膨胀作用

地基土膨胀作用引起地下室柱、墙、梁、板（底板、顶板）构件开裂的裂缝特征和底板与持力层等间的间隙同水浮力作用，但其裂缝程度相对较轻。地基土具有膨胀或弱膨胀潜势时，长期停工的地下室顶板填土等荷载未施工，长期积水的地下室底板后浇带、四周邻近部位混凝土构件极易产生裂缝等损伤。

某单层框架结构地下室部分区域顶板混凝土浇筑后停工3 年多，已施工的部分区域后浇带混凝土未有浇筑，后浇带及已施工底板外侧长期积水，是烂尾工程，如图9所示。

图9 长期停工的某地下室

该地下室地质勘察报告显示：场地内地下水较贫乏，主要为赋存于素填土中的上层滞水，水量较贫乏，主要补给来源为大气降水。场地土构成层序自上而下依次为：①层杂填土：杂色、灰色，层厚0.20～2.30m，主要成分为粘性土及植物根系，夹杂碎石、砖块等，松散～稍密，稍湿，该层分布广泛。②层粘土：灰褐、黄褐色，层厚2.00～3.70m，层顶埋深0.20～2.30m，层 顶 高 程 21.10～23.41m，呈硬塑状态，含铁、锰质结核，夹灰白色粘土团块，光泽反映有光泽，无摇振反应，干强度高，韧性高，地基承载力特征值fak=280kPa，压缩模量Es=16.48MPa，该层分布广泛；②层粘土自由膨胀率59～60%，平均值为59.5%，具弱膨胀潜势。③层粘土：褐黄色、黄色，揭露层厚25.50m，层顶埋深3.30～5.80m，层顶高程18.00～21.17m，呈硬塑～坚硬状态，含铁、锰质结核，夹灰白色粘土团块，光泽反映有光泽，无摇振反应，干强度高，韧性高，该层分布广泛，地基承载力特征值fak=320kPa，压缩模量Es=19.35MPa；③层粘土夹灰白色粘土团块，具弱膨胀潜势。

设计为筏板基础，持力层为③层粘土；设计考虑地下水的浮力，采取避免基坑四周和地表水渗入地下室底板的隔水、降水措施，在基坑四周（1.0m 范围内）用3:7 灰土回填分层碾压、夯实且压实度在0.94 以上，抗浮满足要求时停止降水。

该地下室停工3 年5 个月后发现有其后浇带处和底板外侧积水处底板、柱、梁有类似于水浮力引起的损伤，后浇带处和底板外侧积水及损伤部位底板钻穿后无地下水溢出，结合持力层土具弱膨胀潜势，地下室结构构件损伤非水浮力引起，而系长期积水处邻近部位具弱膨胀潜势的持力层土吸水膨胀引起。

5 竖向向上荷载导致的损伤对结构的影响

地下室混凝土构件受竖向向上荷载而损伤系结构构件受力引起的损伤；地下室混凝土构件均处于潮湿环境；构件受竖向向上荷载裂缝等损伤主要分布于柱头（根）、梁支座处，板裂缝沿板对角线或与对角线平行伸展，同一构件局部有多条裂缝平行分布，其中有部分受拉裂缝缝宽大于0.4mm，甚至构件局部部位混凝土碎裂。因此，地下室混凝土构件受竖向向上荷载而损伤后，显著或严重影响整体承载，必须在发现后立即预估损伤程度，设置临时支架防垮塌、进行检测鉴定、设计单位出具加固方案并实施，防止受竖向向上荷载而损伤致地下室垮塌。

6 防治竖向向上荷载导致的损伤

勘察、设计是防治竖向向上荷载导致地下室结构构件损伤的源头。勘察单位应探明：与水浮力有关的地下水类型；大气降水及地表水径流对地下水水位的影响；地下水埋深及水位高程范围。探明地基粘土层及其上下土层粘土颜色形状、光泽，勘察报告中注明地基粘土层自由膨胀率和是否具有弱膨胀潜势。设计单位应慎重对待抗浮设防水位，考虑恶劣暴雨天气的抗浮设防水位，如2021年河南省暴雨波及邻近的皖北也出现地下室上浮事故；抗浮设计应包括隔水、降排水及各种平衡上浮力的措施；抗浮设计兼顾整体与局部的抗浮稳定；及时做好设计交底并参与验收工作。

防治竖向向上荷载导致地下室结构构件损伤的具体措施靠施工单位实施。施工单位明确地下室抗浮设防施工技术要求与注意事项，确保施工质量；施工期间应做好排水、降水和基坑支护工作，在回填土施工之前，确保基坑内的地下水位低于底板底面标高以下0.50m，当降雨时，应确保基坑积水及时排出；及时做好地下室四周回填土施工，回填土应分层夯实，回填质量应满足设计及相关规范要求；及时施工地下室顶覆土层等。地基持力层土具有弱膨胀潜势时采取措施避免地下室底板后浇带、四周长期积水。

地下室抗浮设计不宜采用素填土、灰土或混凝土等不透水材料作为防渗透的隔水方案，如采用上述方案，应有可靠的技术保障措施，设计及施工方案应通过市建设行政主管部门组织的专项审查。

防治竖向向上荷载导致地下室结构构件损伤主要靠勘探、设计、施工、监理、检测专业技术人员完成，要求上述五方责任主体专业技术人员应具有相应的专业知识、过硬的技术能力、一定的技术经历和负责、严谨、细致的工作态度；建设单位是工程质量第一责任人，不能因降低工程造价冒竖向向上荷载致地下室结构构件损伤的风险，以合理的技术服务或施工费用将工程依法发包给具有相应资质的服务质量佳、技术能力强、信誉好的供应商。