西北地区某大底盘地下室结构抗浮损伤事故分析与处理

牛彦俊，刘新文，胥 军，倪慧敏

（1、甘肃建投科技研发有限公司 兰州 730050；2、甘肃建投区域经济事业部 兰州 730050）

0 引言

近30 年来，随着国民经济的快速发展，城市建设日新月异，大中型城市建设用地日益紧张，高层及超高层建筑如雨后春笋般不断涌现，同时，城市地下空间开发的规模和强度越来越大，基础埋置越来越深，作为车库功能的裙房等地下结构物的开发和利用越来越广泛。由于土体的空隙及岩体的裂隙赋存大量的地下水，地下水对埋置于岩土体之中或之上的地下结构或洼式结构会产生浮力，若结构的自重小于浮力时将发生上拱或上浮失稳破坏，影响结构的正常使用［1］。因此，地下结构物的防水和抗浮问题日益突出。特别是近年来，随着西部生态环境的持续改善，地下水日益丰富，设计施工过程中往往忽视地下水对结构抗浮的重要影响，给在建工程造成严重的工程质量事故［2］，影响结构安全。

本文针对具体案例在此类事故发生后，根据现场实际情况进行结构构件的详细调查、检测鉴定，并对地下室2种不同工况下的整体抗浮及地下防水板承载能力和变形进行计算复核，由此综合判断确定其事故主要原因，并给出处理意见与建议。

1 工程概况

某项目位于西北某地级市，北临滨河大道，总建筑面积121 974.04 m2，地下建筑面积为25 150.26 m2，地下室层高5.1 m。建筑抗震设防烈度7度，设计使用年限50 年，结构形式为框架结构，结构布置如图1 所示，AD～BB×1～21 轴线为事故发生区域，车库剖面如图2所示。

图1 地下车库结构布置（AD～BB×1～21）Fig.1 Structural Layout of Underground Garage（AD～BB×1～21）

图2 地下车库剖面示意图Fig.2 Diagram of Underground Garage Section （m）

拟建建筑场地区域地貌单元上处于泾河南岸Ⅱ级阶地，地势不平，场地相对高差为1.82 m。场地类别为Ⅱ类，场地属于对建筑抗震一般地段，标准冻深为0.80 m，场地无滑坡、崩塌、泥石流等不良地质作用及沙土液化现象。场地地层分布自上而下依次如表1所示。

表1 场地土层分布情况Tab.1 The Distribution of Soil Layer

整个场地地下水埋藏于圆砾层中，属第四系孔隙型潜水，水位随季节变化较大，水量较小。地下水水位变幅约为1.5 m。主要受大气降水南侧山体裂隙水及农田灌溉水补给，自西南向东北方向径流。地下水埋深在6.50～8.10 m之间。设计抗浮水位为1 345.93 m；场地为Ⅰ级（轻微）非自重湿陷性黄土场地；主楼基础采用平板式筏形基础，基础顶标高为-6.900 m，持力层为处理后的复合地基（地基承载力特征值为500 kPa）；地下车库及商业裙房采用独立基础+250 mm 厚防水底板，持力层选用第二层圆砾层，地基承载力特征值为350 kPa，基坑采用大开挖，挖深至基础底标高及第二层圆砾层，整平夯实后，对主楼采用振冲碎石桩进行地基处理，处理后的地基承载力特征值不小于500 kPa，筏板混凝土强度等级均为C35，垫层混凝土强度等级为C15，筏板厚度为600 mm，垫层厚度为150 mm。

2 事故概述与调查

2.1 概述与结构构件损伤调查

经调查，本车库于2019 年4 月主体完工，2019 年7月塔楼主体完工，因整个场地主体完工，施工单位考虑到即将进入冬季，故对整个场地停止了降水，此阶段施工单位亦未对车库顶覆土进行回填，在12 月底检查地下室时，建设单位发现地下车库部分梁柱节点出现大面积裂缝，疏松、露筋，防水板与柱根连接处出现损伤，混凝土出现剥离损伤，特别是框柱之间的填充墙出现大面积斜向裂缝，且一部分已坍塌，部分防水板在跨中位置隆起现象非常明显，特别是在四框柱中间单元凸起更加严重。通过详细调查，事故主要出现在车库AD～BB×1～21 轴线范围内，此范围内，塔楼下的主体结构构件未出现任何异常，只有单层地下车库梁柱节点、防水板与柱根、框柱之间填充墙出现裂缝、露筋、疏松、剥蚀等质量问题且地下室底板出现裂缝并有大量地下水渗出（见图3）。

图3 地下车库结构构件损伤Fig.3 Structural Component Damage of Underground Garage

2.2 地下车库使用条件调查

2.2.1 地下车库结构构件作用调查

通过详细调查，该车库正在建设当中，其车库顶覆土未完全施工完毕，从设计图纸查阅看AD～BB×1～21轴线范围内车库顶覆土厚度在1.5～1.7 m之间，永久作用基本未发生变化，偶然作用未发生；可变作用：主要为施工建设过程中因停止降水后引起的地下水位的升高，从现场检测数据看，地下水位在车库地板标高下1.8～2.2 m 之间浮动，即地下水位标高在1 344.9～1 345.7 之间。从原设计图纸可知，抗浮设计水位为1 345.9 m。

2.2.2 地下车库使用环境及历史调查

该地下车库结构构件属于严寒地区的室内环境，结构工作环境为一类或二b类。主体结构完成于2019 年4 月，安装工程正在建设当中，未投入使用，未对主体结构进行过任何较大规模的改造等。

3 事故检测

3.1 地下车库框柱沉降倾斜观测

对AD～BB×1～21轴线范围内的200 根框柱进行了相对沉降与倾斜观测，观测时间从1 月13 日延续至4 月10 日，从观测记录看，上浮值在-40～+347 mm 之间（负值表示沉降，正值表示上浮），在观测的时间段前期上浮最大，最大值为10×AV 轴线框柱，为+347 mm，后期逐渐恢复平稳，从上述规律看，在停止降水的阶段地下水位迅速升高，地下车库框柱与防水板在浮力作用下抬升较大，在1 月重新进行降水后，地下车库主体结构又重新趋于平缓。

3.2 地下车库混凝土构件截面尺寸、强度、钢筋配置检测

根据《建筑结构检测技术标准：GB 50344—2019》［3］、《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程：JGJ/T 23—2011》要求，对车库混凝土构件截面尺寸、强度、钢筋配置进行抽样检测，从检测结果看，所抽检地下车库混凝土构件截面尺寸均满足《混凝土结构工程施工质量验收规范：GB/T 50007—2015》［4］的要求，所抽检构件混凝土强度推定值基本满足原设计C40 要求，所有抽检混凝土构件钢筋数量及位置均满足原设计要求。

3.3 地下车库混凝土构件外观质量检测

对该地下车库所有混凝土梁、板、柱混凝土外观质量进行全面检查、测量，从检查结果看，多数混凝土构件外观良好，少数混凝土表面存在破损、裂缝、空隙、孔洞、蜂窝麻面，浇筑不密实、漏筋等现象（见图4）。

图4 混凝土构件外观质量缺陷Fig.4 Appearance Quality Defects of Concrete Members

3.4 地下车库混凝土构件裂缝检测

采用裂缝测宽仪对地下车库所有混凝土结构构件裂缝进行全数检测，从检测结果看，混凝土框柱裂缝主要出现在框柱底部，裂缝沿柱多面呈环斜向出现，如图5⒜所示，此类在AD～BB×1～21 轴线范围中占60%。梁柱节点处裂缝主要在柱顶沿柱延伸至框梁，且混凝土呈疏松状开裂。

3.5 地下车库混凝土构件耐久性检测

3.5.1 混凝土构件碳化检测

混凝土构件的中碳化检测是在混凝土构件上钻孔或局部破损，用1%浓度的酚酞试液滴在混凝土受检部位，根据颜色变化来测定混凝土构件碳化深度，从检测结果看，所抽检的所有混凝土构件碳化实测值在0.5～1.0 mm 之间。如图5⒝所示，碳化未接近钢筋保护层厚度。

图5 框柱底环部斜向裂缝及框架柱碳化深度测试Fig.5 Diagonal Cracks and Carbonation Depth Test

3.5.2 车库结构构件耐久性分析

对地下车库结构构件钢筋保护层厚度进行了检测，从检测结果看，所抽检结构构件钢筋的混凝土保护层厚度大小不一，框架柱钢筋的混凝土保护层厚度未超出规范要求的正误差，不影响建筑物耐久性。该车库所在的本地区气候干燥相对湿度较低，影响混凝土胶凝材料稳定性的化学物质含量极少，构件的碳化深度小于钢筋保护层厚度，钢筋锈蚀轻微，对构件的耐久性能影响较小。故该车库混凝土构件总体耐久性能良好，但应对已损伤且个别长期受力性能和耐久性能有影响的构件采取有效的耐久性修复措施。

3.6 地下车库混凝土构件变形检测

按照《建筑变形测量规范：JGJ 8—2016》［5］的要求，对该车库部分大跨度框架梁及次梁挠度变形进行抽检，抽检结果如表2 所示（因篇幅省略部分满足要求的数据）。由表2可知，所抽检框架梁挠度变形有2道大于l0/250 的要求，不满足文献［3］及文献［5］的相关要求，其余梁挠度变形均小于l0/250，满足文献［5］相关要求。

表2 框架梁挠度Tab.2 Deflection Calculation of Frame Beam

4 地下车库抗浮复核验算

4.1 计算简图（见图6）

4.2 A工况考虑顶板1.8 m覆土荷载

4.2.1 整体抗浮验算

在原设计条件下，对地下车库整体抗浮进行复核验算。计算简图如6⒜所示，根据原设计抗浮水位标高为1 345.93 m（相对±0.000 m 为-3.37 m），±0.000 m绝对高程为1 349.3 m，防水底板底标高为1 342.05 m，防水底板浸水最大深度为3.78 m。

则防水板标准水浮力：Nw，k=γw×A×hw

式中：γw为水自重，取值为10 kN/m³；A为地下室底面积；hw为地下室防水底板浸水深度［6］。

建筑物自重及配重之和：Gk=地下室防水底板自重+地下室顶板自重+顶板覆土重

根据《建筑地基基础设计规范：GB 50007—2011》［7］第5.4.3 条Gk/Nw，k≥KW（KW为抗浮稳定安全系数，一般情 况 下 可 取1.05）。Gk/Nw，k=（0.35×25+0.25×25+1.5×18）/（10×3.78）=1.111>1.05。

由上述计算可知：该地下车库在原设计抗浮水位和施工降水措施保证及顶板覆土回填完成的情况下（原设计要求施工降水必须在后浇带达到设计强度和顶板覆土完成后方可停止），其整体抗浮满足要求。

4.2.2 A工况地下室防水底板承载力、变形计算

根据原设计图纸本次计算取地下车库具有代表性的跨度进行核算，根据《建筑结构荷载规范：GB 50009—2012》地下室防水底板在承载力计算时，水浮力分项系数取1.0；根据《地下工程防水技术规范：GB 50108—2008》［8］第4.1.7.2 条防水底板裂缝按0.2 mm控制；挠度限值按《混凝土结构设计规范（2015年版）：GB 50010—2010》［9］表3.4.3控制。

地下室防水底板在承载力、裂缝、变形计算结果（按原设计最高抗浮水位计算），均满足文献［7-9］要求。

根据文献［9］第8.5.2 条卧置于地基上的混凝土板，板中受拉钢筋的最小配筋率可适当降低，但不应小于0.15%。

由于原设计防水底板厚250 mm，防水底板最小配筋率为0.15%×250×1 000=375 mm²。

原设计防水底板配筋为φ14@150 mm（面积为1 026 mm²），大于计算配筋，所以地下车库防水底板配筋均满足受弯构件最小配筋率要求和计算结果。

根据上述计算结果原设计地下室防水底板裂缝宽度未超过0.2 mm 的文献［7-9］要求，原设计挠度及冲切均满足文献［7-9］要求。

4.3 B工况不考虑顶板1.8 m覆土荷载

对地下车库整体抗浮进行复核计算。计算简图如图6⒝所示。

图6 车库整体抗浮计算简图Fig.6 Overall Anti-floating Calculation Diagram （mm）

建筑物自重及配重之和：Gk=地下室防水底板自重+地下室顶板自重

则Gk/Nw，k=（0.35×25+0.25×25）/（10×3.78）=0.397<1.05

由上述计算可知：该地下车库在原设计抗浮水位下，顶板覆土回填未及时完成的情况下，其整体抗浮不满足要求。

5 地下车库结构构件损伤原因分析鉴定与处理建议

通过上述事故调查、检测、计算复核，经综合分析：该地下车库AD～BB×1～21 出现结构构件损伤的主要原因是建设过程中停止降水后，地下水位急剧升高，在地下室顶板覆土未及时回填的情况下，地下水浮力大于结构重力及配重，加之当水浮力大于防水板及防水板上建筑自重时，防水板对独立基础底面的地基反力起一定的分担作用，使独立基础底面的部分地基反力转移至防水板，并以水浮力的形式直接作用在防水板底面，这种地基反力的转移，对独立基础底部弯矩及剪力有加大作用，并且随水浮力的加大而增加［10］，这样会出现两种情况，第一种情况是当防水板与独立基础连接非常可靠时，随着水浮力的增大，框柱与防水板同时上升变形造成地下室顶部梁柱节点的破坏与损伤；第二种情况时当防水板与独立基础连接因施工等因素不可靠时，会造成防水板与框柱连接处的环形损伤及破坏。根据上述原因，建议对该地下车库进行以下几个方面的处理：①立即采取有效降水措施，保证地下水位低于基础500 mm，然后进行基坑回填和地下车库顶板覆土回填；②对框架梁及框架柱上存在的混凝土裂缝进行封闭修复加固处理；③对混凝土强度不满足设计要求及损伤严重的混凝土构件及节点进行加固补强处理；④对出现露筋、蜂窝麻面、孔洞、剥蚀、疏松的框架柱进行修补处理；⑤对出现因框架变形导致的填充墙，在沉降趋于最终稳定后重新砌筑；⑥对因抗浮问题导致的地下室防水底板裂缝进行注浆修复处理。

6 结语

从本事故发生的整个过程总结出，地下水浮力造成的地下室破坏主要有2类：①地下室底板隆起，导致底板破坏，这种破坏多发生在高层建筑的地下室中；②地下建筑整体浮起，导致梁柱结点处开裂，同时底板也破坏，这种破坏多发生在高层建筑地下室施工期间或地下构筑物使用期间。而本案例事故的发生主要为后者，其诱因有2点：①对地下水浮力的认识不重视，按当地施工经验，认为冬季地下水位不高，故停止了施工降水，导致水位上升，诱发事故；②单层地下室顶管道安装后未及时进行覆土回填施工，导致地下室配重不足，抗浮失效。

所以地下水对建筑而言，有时，水浮力对结构起有利作用，其他时间水浮力对结构又起不利作用，甚至产生损害和破坏［11］。工程设计和建设中，应充分利用水浮力的有利作用，降低抗浮措施的造价。消除和抑制地下水浮力的不利作用，将结构上浮、建筑物裂缝和损害的概率降为0。