株洲某安置房地下室局部抗浮失效案例浅析

文／程鹏 湖南中南水电水利工程建设有限公司 湖南长沙 410014

郭风云 湖南省工程地质矿山地质调查监测所 湖南长沙 410000

1、工程背景

该项目拟建场地位于株洲市芦淞区五里墩中学西南侧1.2km 处，规划用地面积为95164.92m2，此次勘察场地规划总建筑面积33962.50m2，为道田安置房一期建筑面积，该场地地势较低洼，为农田改造鱼塘，建筑物层高为1+6F，拟建建筑物平面布置沿航工路呈矩形排列。预整平至架空层底板地坪标高，填土6-7m。建筑物具体情况见下表1：

表1 建(构)筑物结构一览表

根据项目原勘察报告资料可知，该项目2014年8月进行了地质勘察工作，原始地形标高介于52.31-55.59m。地下水位标高约54.0m 左右。场地地层自上而下分别为耕植土、粉质粘土、粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩。

各地层特征如下：

（1）填筑土：黄褐色、褐色，可塑-软塑，湿-饱和，可见植物根系及腐植物，含有机质。层厚为0.60-1.90m，平均1.28m，层底高程50.86-54.75m；（2）淤泥：黄色、黄褐色，可塑，湿，刀切面较光滑，干强度中等，韧性中等，无摇震反应。厚度为0.70-2.40m，平均1.62m，层底高程49.31-53.35m；（3）粉砂：黄色、褐黄色、灰黄色，湿-稍湿，可塑-硬塑，由花岗岩风化残积而成，一般不含大于2mm 颗粒，夹砂质粘性土团块，矿物基本风化成土状。厚度为3.20-9.00m，平均5.83m，层底高程41.99-49.35m；（4）全风化花岗岩：黄褐色、灰白色，硬塑-坚硬，岩芯呈硬砂土块状，组织结构已基本破坏，但尚可辨认，可见长石粉晶粒，云母碎屑及少量黑色风化矿物，该层遇水易软化、崩解，且随深度增加，风化程度逐渐减弱。厚度为1.10-6.00m，平均2.85m，层底高程38.69-45.25m；（5）强风化花岗岩：黄褐色、灰白色、麻灰色，坚硬，岩芯以硬土块状、砂粒状为主，组织结构已大部分破坏，矿物成分已显著变化，岩芯遇水易软化，裂隙发育，岩体破碎，可用手折断，干钻不易钻进，岩体基本质量等级为Ⅴ类。层底高程23.99-38.02m；（6）弱风化花岗岩：麻灰色、灰白色、杂色，岩芯呈中-长柱状，节长一般10-30cm，细粒花岗结构，岩石质量指标RQD ≥80%，较完整，岩体基本质量等级为Ⅲ类，属较硬岩。层底高程23.82-33.86m。

2、工程区水文地质条件

据勘察报告结论，在组成场地的各岩土层中，耕植土①含较多上层滞水、粉质粘土②含少量的孔隙水，为相对隔水层；粘性土③全风化花岗岩④强风化花岗岩⑤含孔隙水，为中-弱含水层；中风化花岗岩⑥含少量的基岩裂隙水。勘察过程中各钻孔均见初见水位，初见水位埋深在3.0m 左右，勘察结束后统一对各钻孔进行了水位观测，各孔静止水位与孔口持平，稳定水位标高为54.00m 左右，为长期水文地质条件形成的结果。

由此可知，场地中对工程有影响的主要地下水仍为覆盖层中的孔隙水，勘察期间地形标高介于52-55m，地下水标高约为54.0m，水位埋深很浅。附近有溪沟作为最低排泄基准面，标高约为53.0m，水位降幅空间不大，但一旦填土，却极有可能大幅上升，这是本工程水文地质的一个典型特征——埋深浅，降幅少。

3、地形边界变化

原始地形标高介于52.31-55.59m，多为鱼塘。目前工程区正负零标高已达到60.50m 左右，西侧路面标高60.60m，东侧道路标高61.00m。地下室底板面高程55.50m，车库基础结构底板标高55.08m，结构梁底高程54.70m。与原始地形相比，整体填筑厚度达6m 左右，现状地形边界已经大为改变。简图如下图1所示。

图1 地下室结构地形示意图

4、裂缝变形特征

2017年6月3-4#楼区间地下车库找平层施工完毕，7月底板即开始出现微裂缝。裂缝自地下室中心向四周发展，跨度较大的柱子中部变形也特别明显，排柱之间甚至已经贯通，局部渗水，裂缝大的找平层甚至出现明显扰动迹象。

柱间发育，排柱之间已经贯通。裂缝分布见下图2。

图2 底板裂缝图

5、水位监测简介

裂缝产生后，施工立即委托专业队伍开展了地下水水位监测工作，地下水位监测孔位于事故地下室四周，自2018年5月至2018年6月，进行了连续一个月的水位监测。水位监测钻孔孔径110mm，水位监测孔孔深8.0m，钻孔完成后进行清洗钻孔，钻孔清洗完毕后放入直径65mm 的PVC 塑料管，水位管底部设置1m 的沉淀段，沉淀段以上为滤水段，滤水段管壁设6～8 列6mm 孔径的滤水孔，滤水段外壁用3～5 层纱网包裹，绑扎牢固，钻孔与管间用砂回填至孔口以下200mm，以上用粘性土回填压实。监测孔平面分布位置见下图3：

图3 监测孔平面分布示意图

地下水监测情况主要如下：

（1）SW01 孔最高稳定水位出现在6月24日，水位深度2.65m，标高57.57m；SW02 孔最高水位出现在6月24日，水位深度2.55m，标高57.92m；SW03孔最高水位出现在6月23日，水位深度2.14m，标高59.09m；SW04 孔最高水位出现在5月28日和6月12日，水位深度1.81m，标高59.80m；（2）SW01 孔稳定水位变化范围2.65m～4.83m（5.45m 为初见水位），相对应标高55.39m～57.57m；SW02 孔稳定水位变化范围2.55m～3.53m（5.52m 为初见水位），相对应标高56.94m～57.92m；SW03 孔稳定水位变化范围2.14m～2.66m（2.68m 为初见水位），相对应标高58.57m～59.09m；SW04 孔稳定水位变化范围1.81m～3.84m，相对应标高57.77m～59.80m；（3）监测周期内大致出现三次降雨过程，第一次出现在5月30日～6月5日，第二次出现在6月13日，第三次出现在6月19日～6月22日，附图中水位变化曲线也能大致反映此情况，从图中可以看出水位变化有时有延迟情况；（4）整个监测周期内SW01 孔～SW03 孔水位较为稳定，SW04 孔受降雨影响较大，表现为水位升的快降得也快。分析其原因为：SW04 孔受地势影响，东侧靠近挡墙，高度落差达5.0m 多，降雨时受挡墙阻隔的影响排水通道不完全，不能短期内形成排水通道，水位急剧上升，但是当通道一旦形成，受高差的影响，水位就能迅速降低；SW01 孔～SW03 孔，有完善的排水通道，水位变化平缓。

6、设计参数简介

按结构设计图纸，本工程框架结构，柱网间距6-8m，事故区正负零标高60.50m，地下室顶板高程59.60m，地下室面底板面部标高55.50m，底板底部标高55.08m,基础结构梁底高程54.70m，地下室梁板混凝土标号C35，底板厚250mm，配置双向双层钢筋12@150钢筋二级筋，防渗等级P6，地下室底板迎水面保护层50mm，背水侧保护层25mm，设计抗浮水位为57.00m，实际覆土标高61.10m，原勘察报告测量水位标高最高为54.00m，地形改变后，水位标高已经随地形改变，标高介于57.57-59.80m，高出原勘察水位约3m，高出设计抗浮水位约0.7-2.0m。

7、验算前提

经现场监测数据及结构总体验算，柱垂直度、高程均未见异常，本工程3-4 号栋整体抗浮应该说是满足设计要求的。所以本工程主要验算局部抗浮。主要验算过程见下节。

8、底板变形及裂缝验算

按混凝土结构设计规范第7.2.2 条，考虑到地下水头梯度变化，以58m 标高水位（2.5m 高水头）进行底板变形验算，具体如下：

水头荷载为25kpa，以单位宽度进行板挠度计算，原12@150 钢筋单位宽度钢筋面积为754mm2，Es=2.0×105N/mm，Ec=3.15×104N/mm，h0=200mm。

按混凝土结构设计规范第7.2.5 条，θ 取值1.6，将以上参数代入上述公式，用倒梁法计算，按两端铰接支座计算跨中挠度可达到72mm,按固定端支座跨中挠度为24mm。远大于规范允许值。当然值得说明的是，这只是理想弹性状态下的分析，实际工况中如果达到如此变形，早已进入裂缝工况，本计算只是做校核之用。

同时，以结构整体计算程序采用盈建科系列软件,版本号4.0，以新的地下水水头作用下进行了结构重新配筋计算，结果如下图4所示：

图4 新水头作用下地下室底板（局部）配筋计算值

12@150 单位延米筋量753mm2（上图图面中间配筋单位为cm2），14@150 单位延米筋量1026mm2，18@150 单位延米筋量1696mm2。按新的水头值设计，双层钢筋大多要设计为16@150 甚至18@150,才能满足设计要求。很显然，原设计所配钢筋是偏少的。虽然钢筋可能对板体刚度贡献值不一定明显，但对裂缝控制应该是有积极作用的。

9、事故原因分析

（1）地形条件，本工程周边市政道路普遍与小区正负零齐平或者略高，西侧路面标高60.30m，东侧小区正负零标高62.50m，西北侧道路交点标高61.5m，北侧道路标高62.5m，南侧稍低，也可达到58.76m 左右，然而南侧道路离4 号栋地下室仍有相当距离，排泄条件很差。可以总体认为该项目地下室占据了一较为低洼空间，恰好是集水的有利场所，地形上来讲具备地下水长期汇聚的基本条件；（2）场地地下水随地势改变，已经明显高于原设计抗浮水位值约1～2m 不等；（3）场地回填土质多为黏土，透水性差，又未设置专门的集排水构造及措施，地下水有汇聚的可能，但排泄条件很差，即使单位时间入渗量极小，在足够长时间作用下可以产生相当的水量，另外，从物理的角度看，即使水量总体不大，只要充满了地下室外侧土体孔隙，即可产生相当的浮力效应。放大效应尤其明显；（4）地下水的季节性变化。地下水是一种流体，不像岩土体随时间变化其特性改变较为有限，地下水季节性变化尤为明显，雨季和旱季差别很大。往往某些项目在旱季可能是稳定的，雨季后经常发生事故；（5）结构构件工作工况考虑不足。以上节计算数据可知，在新的地下水水头作用下，地下室底板抗裂和变形数据不能满足要求；（6）设计对地形边界条件改变后的地下水随之改变的情况预计不足，或者说勘察单位没有作相应的声明，导致地下室底板基本就是没有考虑高水头工况。事后再看，从严格意义上来说，即使勘察单位未提供地形改变后的抗浮水位，设计也应对抗浮工况有足够的重视。完全割裂各专业之间的紧密联系，以避责来推脱设计缺陷，是不负责任和不专业的体现。优秀或者有经验的设计者，应对此类工程有足够的敏感度和控制意识，在设计图纸交付前可以委托相关单位进行地下水专题研究；（7）行业积累欠缺，地区性经验没有总结。从全国范围看，其实多省已经发生多起因抗浮产生的官司纠纷，部分项目处罚金额还比较巨大。从技术角度不太好分析，因为事故相关方因各种原因不会随意公开工程资料，部分项目的事故原因有时候会简单或者无脑到让人咂舌。但是有一点是毋容置疑的，地区性经验亟待总结形成规范，某种地质条件，某种边界条件，某种结构形式可以适应哪些变形要求，都宜有具体的数据支撑。以期可以警惕后人，枉走弯路。

结语：

本工程因建筑规划需要进行了大面积填土作业，场地标高改变较大，整体填高约6m。地下水随之上升约2～3m。本文以新的地下水头进行了地下室部分的局部抗浮验算，结论说明，原设计不满足局部抗浮工况要求。地下水头上升对板体挠度和裂缝有非常敏感、迅速的影响。从工程施工完毕尚未验收的情况看，地下水边界条件的改变导致的浮力效应很快体现出来，地下室底板变形过大继而开裂渗水，给项目交付带来较大的负面影响。经验算可知，采用概念设计，适当考虑周边条件改变后可能引起的水位变化，调整设计参数，是完全可以避免这类事故的。此类工程事故不涉及到主体结构安全，但是非常影响设计口碑和工程交付，况且安置房项目性质较为特殊，经济、安全、科学、合理的设计显得尤为敏感和重要，当然，这也应该是广大勘察设计从业者一直应该努力的方向。