西北地區(qū)某大底盤地下室結(jié)構(gòu)抗浮損傷事故分析與處理

牛彥俊，劉新文，胥 軍，倪慧敏

（1、甘肅建投科技研發(fā)有限公司 蘭州 730050；2、甘肅建投區(qū)域經(jīng)濟事業(yè)部 蘭州 730050）

0 引言

近30 年來，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市建設(shè)日新月異，大中型城市建設(shè)用地日益緊張，高層及超高層建筑如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，同時，城市地下空間開發(fā)的規(guī)模和強度越來越大，基礎(chǔ)埋置越來越深，作為車庫功能的裙房等地下結(jié)構(gòu)物的開發(fā)和利用越來越廣泛。由于土體的空隙及巖體的裂隙賦存大量的地下水，地下水對埋置于巖土體之中或之上的地下結(jié)構(gòu)或洼式結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生浮力，若結(jié)構(gòu)的自重小于浮力時將發(fā)生上拱或上浮失穩(wěn)破壞，影響結(jié)構(gòu)的正常使用［1］。因此，地下結(jié)構(gòu)物的防水和抗浮問題日益突出。特別是近年來，隨著西部生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善，地下水日益豐富，設(shè)計施工過程中往往忽視地下水對結(jié)構(gòu)抗浮的重要影響，給在建工程造成嚴(yán)重的工程質(zhì)量事故［2］，影響結(jié)構(gòu)安全。

本文針對具體案例在此類事故發(fā)生后，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的詳細(xì)調(diào)查、檢測鑒定，并對地下室2種不同工況下的整體抗浮及地下防水板承載能力和變形進行計算復(fù)核，由此綜合判斷確定其事故主要原因，并給出處理意見與建議。

1 工程概況

某項目位于西北某地級市，北臨濱河大道，總建筑面積121 974.04 m2，地下建筑面積為25 150.26 m2，地下室層高5.1 m。建筑抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計使用年限50 年，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示，AD～BB×1～21 軸線為事故發(fā)生區(qū)域，車庫剖面如圖2所示。

圖1 地下車庫結(jié)構(gòu)布置（AD～BB×1～21）Fig.1 Structural Layout of Underground Garage（AD～BB×1～21）

圖2 地下車庫剖面示意圖Fig.2 Diagram of Underground Garage Section （m）

擬建建筑場地區(qū)域地貌單元上處于涇河南岸Ⅱ級階地，地勢不平，場地相對高差為1.82 m。場地類別為Ⅱ類，場地屬于對建筑抗震一般地段，標(biāo)準(zhǔn)凍深為0.80 m，場地?zé)o滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)作用及沙土液化現(xiàn)象。場地地層分布自上而下依次如表1所示。

表1 場地土層分布情況Tab.1 The Distribution of Soil Layer

整個場地地下水埋藏于圓礫層中，屬第四系孔隙型潛水，水位隨季節(jié)變化較大，水量較小。地下水水位變幅約為1.5 m。主要受大氣降水南側(cè)山體裂隙水及農(nóng)田灌溉水補給，自西南向東北方向徑流。地下水埋深在6.50～8.10 m之間。設(shè)計抗浮水位為1 345.93 m；場地為Ⅰ級（輕微）非自重濕陷性黃土場地；主樓基礎(chǔ)采用平板式筏形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂標(biāo)高為-6.900 m，持力層為處理后的復(fù)合地基（地基承載力特征值為500 kPa）；地下車庫及商業(yè)裙房采用獨立基礎(chǔ)+250 mm 厚防水底板，持力層選用第二層圓礫層，地基承載力特征值為350 kPa，基坑采用大開挖，挖深至基礎(chǔ)底標(biāo)高及第二層圓礫層，整平夯實后，對主樓采用振沖碎石樁進行地基處理，處理后的地基承載力特征值不小于500 kPa，筏板混凝土強度等級均為C35，墊層混凝土強度等級為C15，筏板厚度為600 mm，墊層厚度為150 mm。

2 事故概述與調(diào)查

2.1 概述與結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷調(diào)查

經(jīng)調(diào)查，本車庫于2019 年4 月主體完工，2019 年7月塔樓主體完工，因整個場地主體完工，施工單位考慮到即將進入冬季，故對整個場地停止了降水，此階段施工單位亦未對車庫頂覆土進行回填，在12 月底檢查地下室時，建設(shè)單位發(fā)現(xiàn)地下車庫部分梁柱節(jié)點出現(xiàn)大面積裂縫，疏松、露筋，防水板與柱根連接處出現(xiàn)損傷，混凝土出現(xiàn)剝離損傷，特別是框柱之間的填充墻出現(xiàn)大面積斜向裂縫，且一部分已坍塌，部分防水板在跨中位置隆起現(xiàn)象非常明顯，特別是在四框柱中間單元凸起更加嚴(yán)重。通過詳細(xì)調(diào)查，事故主要出現(xiàn)在車庫AD～BB×1～21 軸線范圍內(nèi)，此范圍內(nèi)，塔樓下的主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件未出現(xiàn)任何異常，只有單層地下車庫梁柱節(jié)點、防水板與柱根、框柱之間填充墻出現(xiàn)裂縫、露筋、疏松、剝蝕等質(zhì)量問題且地下室底板出現(xiàn)裂縫并有大量地下水滲出（見圖3）。

圖3 地下車庫結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷Fig.3 Structural Component Damage of Underground Garage

2.2 地下車庫使用條件調(diào)查

2.2.1 地下車庫結(jié)構(gòu)構(gòu)件作用調(diào)查

通過詳細(xì)調(diào)查，該車庫正在建設(shè)當(dāng)中，其車庫頂覆土未完全施工完畢，從設(shè)計圖紙查閱看AD～BB×1～21軸線范圍內(nèi)車庫頂覆土厚度在1.5～1.7 m之間，永久作用基本未發(fā)生變化，偶然作用未發(fā)生；可變作用：主要為施工建設(shè)過程中因停止降水后引起的地下水位的升高，從現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)看，地下水位在車庫地板標(biāo)高下1.8～2.2 m 之間浮動，即地下水位標(biāo)高在1 344.9～1 345.7 之間。從原設(shè)計圖紙可知，抗浮設(shè)計水位為1 345.9 m。

2.2.2 地下車庫使用環(huán)境及歷史調(diào)查

該地下車庫結(jié)構(gòu)構(gòu)件屬于嚴(yán)寒地區(qū)的室內(nèi)環(huán)境，結(jié)構(gòu)工作環(huán)境為一類或二b類。主體結(jié)構(gòu)完成于2019 年4 月，安裝工程正在建設(shè)當(dāng)中，未投入使用，未對主體結(jié)構(gòu)進行過任何較大規(guī)模的改造等。

3 事故檢測

3.1 地下車庫框柱沉降傾斜觀測

對AD～BB×1～21軸線范圍內(nèi)的200 根框柱進行了相對沉降與傾斜觀測，觀測時間從1 月13 日延續(xù)至4 月10 日，從觀測記錄看，上浮值在-40～+347 mm 之間（負(fù)值表示沉降，正值表示上?。谟^測的時間段前期上浮最大，最大值為10×AV 軸線框柱，為+347 mm，后期逐漸恢復(fù)平穩(wěn)，從上述規(guī)律看，在停止降水的階段地下水位迅速升高，地下車庫框柱與防水板在浮力作用下抬升較大，在1 月重新進行降水后，地下車庫主體結(jié)構(gòu)又重新趨于平緩。

3.2 地下車庫混凝土構(gòu)件截面尺寸、強度、鋼筋配置檢測

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50344—2019》［3］、《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程：JGJ/T 23—2011》要求，對車庫混凝土構(gòu)件截面尺寸、強度、鋼筋配置進行抽樣檢測，從檢測結(jié)果看，所抽檢地下車庫混凝土構(gòu)件截面尺寸均滿足《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范：GB/T 50007—2015》［4］的要求，所抽檢構(gòu)件混凝土強度推定值基本滿足原設(shè)計C40 要求，所有抽檢混凝土構(gòu)件鋼筋數(shù)量及位置均滿足原設(shè)計要求。

3.3 地下車庫混凝土構(gòu)件外觀質(zhì)量檢測

對該地下車庫所有混凝土梁、板、柱混凝土外觀質(zhì)量進行全面檢查、測量，從檢查結(jié)果看，多數(shù)混凝土構(gòu)件外觀良好，少數(shù)混凝土表面存在破損、裂縫、空隙、孔洞、蜂窩麻面，澆筑不密實、漏筋等現(xiàn)象（見圖4）。

圖4 混凝土構(gòu)件外觀質(zhì)量缺陷Fig.4 Appearance Quality Defects of Concrete Members

3.4 地下車庫混凝土構(gòu)件裂縫檢測

采用裂縫測寬儀對地下車庫所有混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫進行全數(shù)檢測，從檢測結(jié)果看，混凝土框柱裂縫主要出現(xiàn)在框柱底部，裂縫沿柱多面呈環(huán)斜向出現(xiàn)，如圖5?所示，此類在AD～BB×1～21 軸線范圍中占60%。梁柱節(jié)點處裂縫主要在柱頂沿柱延伸至框梁，且混凝土呈疏松狀開裂。

3.5 地下車庫混凝土構(gòu)件耐久性檢測

3.5.1 混凝土構(gòu)件碳化檢測

混凝土構(gòu)件的中碳化檢測是在混凝土構(gòu)件上鉆孔或局部破損，用1%濃度的酚酞試液滴在混凝土受檢部位，根據(jù)顏色變化來測定混凝土構(gòu)件碳化深度，從檢測結(jié)果看，所抽檢的所有混凝土構(gòu)件碳化實測值在0.5～1.0 mm 之間。如圖5?所示，碳化未接近鋼筋保護層厚度。

圖5 框柱底環(huán)部斜向裂縫及框架柱碳化深度測試Fig.5 Diagonal Cracks and Carbonation Depth Test

3.5.2 車庫結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性分析

對地下車庫結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋保護層厚度進行了檢測，從檢測結(jié)果看，所抽檢結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋的混凝土保護層厚度大小不一，框架柱鋼筋的混凝土保護層厚度未超出規(guī)范要求的正誤差，不影響建筑物耐久性。該車庫所在的本地區(qū)氣候干燥相對濕度較低，影響混凝土膠凝材料穩(wěn)定性的化學(xué)物質(zhì)含量極少，構(gòu)件的碳化深度小于鋼筋保護層厚度，鋼筋銹蝕輕微，對構(gòu)件的耐久性能影響較小。故該車庫混凝土構(gòu)件總體耐久性能良好，但應(yīng)對已損傷且個別長期受力性能和耐久性能有影響的構(gòu)件采取有效的耐久性修復(fù)措施。

3.6 地下車庫混凝土構(gòu)件變形檢測

按照《建筑變形測量規(guī)范：JGJ 8—2016》［5］的要求，對該車庫部分大跨度框架梁及次梁撓度變形進行抽檢，抽檢結(jié)果如表2 所示（因篇幅省略部分滿足要求的數(shù)據(jù)）。由表2可知，所抽檢框架梁撓度變形有2道大于l0/250 的要求，不滿足文獻［3］及文獻［5］的相關(guān)要求，其余梁撓度變形均小于l0/250，滿足文獻［5］相關(guān)要求。

表2 框架梁撓度Tab.2 Deflection Calculation of Frame Beam

4 地下車庫抗浮復(fù)核驗算

4.1 計算簡圖（見圖6）

4.2 A工況考慮頂板1.8 m覆土荷載

4.2.1 整體抗浮驗算

在原設(shè)計條件下，對地下車庫整體抗浮進行復(fù)核驗算。計算簡圖如6?所示，根據(jù)原設(shè)計抗浮水位標(biāo)高為1 345.93 m（相對±0.000 m 為-3.37 m），±0.000 m絕對高程為1 349.3 m，防水底板底標(biāo)高為1 342.05 m，防水底板浸水最大深度為3.78 m。

則防水板標(biāo)準(zhǔn)水浮力：Nw，k=γw×A×hw

式中：γw為水自重，取值為10 kN/m3；A為地下室底面積；hw為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+地下室頂板自重+頂板覆土重

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范：GB 50007—2011》［7］第5.4.3 條Gk/Nw，k≥KW（KW為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般情 況 下 可 取1.05）。Gk/Nw，k=（0.35×25+0.25×25+1.5×18）/（10×3.78）=1.111>1.05。

由上述計算可知：該地下車庫在原設(shè)計抗浮水位和施工降水措施保證及頂板覆土回填完成的情況下（原設(shè)計要求施工降水必須在后澆帶達到設(shè)計強度和頂板覆土完成后方可停止），其整體抗浮滿足要求。

4.2.2 A工況地下室防水底板承載力、變形計算

根據(jù)原設(shè)計圖紙本次計算取地下車庫具有代表性的跨度進行核算，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》地下室防水底板在承載力計算時，水浮力分項系數(shù)取1.0；根據(jù)《地下工程防水技術(shù)規(guī)范：GB 50108—2008》［8］第4.1.7.2 條防水底板裂縫按0.2 mm控制；撓度限值按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（2015年版）：GB 50010—2010》［9］表3.4.3控制。

地下室防水底板在承載力、裂縫、變形計算結(jié)果（按原設(shè)計最高抗浮水位計算），均滿足文獻［7-9］要求。

根據(jù)文獻［9］第8.5.2 條臥置于地基上的混凝土板，板中受拉鋼筋的最小配筋率可適當(dāng)降低，但不應(yīng)小于0.15%。

由于原設(shè)計防水底板厚250 mm，防水底板最小配筋率為0.15%×250×1 000=375 mm2。

原設(shè)計防水底板配筋為φ14@150 mm（面積為1 026 mm2），大于計算配筋，所以地下車庫防水底板配筋均滿足受彎構(gòu)件最小配筋率要求和計算結(jié)果。

根據(jù)上述計算結(jié)果原設(shè)計地下室防水底板裂縫寬度未超過0.2 mm 的文獻［7-9］要求，原設(shè)計撓度及沖切均滿足文獻［7-9］要求。

4.3 B工況不考慮頂板1.8 m覆土荷載

對地下車庫整體抗浮進行復(fù)核計算。計算簡圖如圖6?所示。

圖6 車庫整體抗浮計算簡圖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+地下室頂板自重

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

由上述計算可知：該地下車庫在原設(shè)計抗浮水位下，頂板覆土回填未及時完成的情況下，其整體抗浮不滿足要求。

5 地下車庫結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷原因分析鑒定與處理建議

通過上述事故調(diào)查、檢測、計算復(fù)核，經(jīng)綜合分析：該地下車庫AD～BB×1～21 出現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷的主要原因是建設(shè)過程中停止降水后，地下水位急劇升高，在地下室頂板覆土未及時回填的情況下，地下水浮力大于結(jié)構(gòu)重力及配重，加之當(dāng)水浮力大于防水板及防水板上建筑自重時，防水板對獨立基礎(chǔ)底面的地基反力起一定的分擔(dān)作用，使獨立基礎(chǔ)底面的部分地基反力轉(zhuǎn)移至防水板，并以水浮力的形式直接作用在防水板底面，這種地基反力的轉(zhuǎn)移，對獨立基礎(chǔ)底部彎矩及剪力有加大作用，并且隨水浮力的加大而增加［10］，這樣會出現(xiàn)兩種情況，第一種情況是當(dāng)防水板與獨立基礎(chǔ)連接非?？煽繒r，隨著水浮力的增大，框柱與防水板同時上升變形造成地下室頂部梁柱節(jié)點的破壞與損傷；第二種情況時當(dāng)防水板與獨立基礎(chǔ)連接因施工等因素不可靠時，會造成防水板與框柱連接處的環(huán)形損傷及破壞。根據(jù)上述原因，建議對該地下車庫進行以下幾個方面的處理：①立即采取有效降水措施，保證地下水位低于基礎(chǔ)500 mm，然后進行基坑回填和地下車庫頂板覆土回填；②對框架梁及框架柱上存在的混凝土裂縫進行封閉修復(fù)加固處理；③對混凝土強度不滿足設(shè)計要求及損傷嚴(yán)重的混凝土構(gòu)件及節(jié)點進行加固補強處理；④對出現(xiàn)露筋、蜂窩麻面、孔洞、剝蝕、疏松的框架柱進行修補處理；⑤對出現(xiàn)因框架變形導(dǎo)致的填充墻，在沉降趨于最終穩(wěn)定后重新砌筑；⑥對因抗浮問題導(dǎo)致的地下室防水底板裂縫進行注漿修復(fù)處理。

6 結(jié)語

從本事故發(fā)生的整個過程總結(jié)出，地下水浮力造成的地下室破壞主要有2類：①地下室底板隆起，導(dǎo)致底板破壞，這種破壞多發(fā)生在高層建筑的地下室中；②地下建筑整體浮起，導(dǎo)致梁柱結(jié)點處開裂，同時底板也破壞，這種破壞多發(fā)生在高層建筑地下室施工期間或地下構(gòu)筑物使用期間。而本案例事故的發(fā)生主要為后者，其誘因有2點：①對地下水浮力的認(rèn)識不重視，按當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗，認(rèn)為冬季地下水位不高，故停止了施工降水，導(dǎo)致水位上升，誘發(fā)事故；②單層地下室頂管道安裝后未及時進行覆土回填施工，導(dǎo)致地下室配重不足，抗浮失效。

所以地下水對建筑而言，有時，水浮力對結(jié)構(gòu)起有利作用，其他時間水浮力對結(jié)構(gòu)又起不利作用，甚至產(chǎn)生損害和破壞［11］。工程設(shè)計和建設(shè)中，應(yīng)充分利用水浮力的有利作用，降低抗浮措施的造價。消除和抑制地下水浮力的不利作用，將結(jié)構(gòu)上浮、建筑物裂縫和損害的概率降為0。