如何应对”水盆效应“的发生

知名工程专家学者

魏利金

教授级高级工程师(2001年晋升）

国家首批一级注册结构工程师

住建部正高级（教授级）任职资格七评委之一

北京勘察设计协会注册师培训教授

哈尔滨工业大学客座教授 

《建筑结构》特邀审稿专家 

《地基基础技术创新联盟》咨询专家 

 

如何应对”水盆效应“的发生

由近期几起因抗浮事故判罚引起的一些思考及建议

作者声明：以下观点仅代表作者观点，不代表任何单位和机构。

    近期法院宣判了几起地下结构因抗浮引起的工程事故，对相关单位尤其是设计院进行了处罚，引起了社会特别是业界的强烈反响。抗浮设计即是技术问题，同时又是经济合理性问题，工程设计如何寻找到二者的平衡点，是个综合性及其复杂的问题。近年由抗浮引发的问题时有发生。如何做到抗浮设计安全可靠，经济合理是个非常难以把握的尺度！！！

一  事件简要回顾

【案例1】  山东某工程

    山东省高级人民法院民 事 判 决 书（2020）鲁民终2572号

     法院认为 ：勘察单位应当掌握下列水文地质条件：1.地下水类型和赋存状态；2.主要含水层的分布规律3.区域性气候资料，如降水量、蒸发量及其变化对地下水位的影响；4.地下水的补给排泄条件、地表水与地、地表水与地下水的补排关系及其对地下水位的影响的地下水位、历史最高地下水位、近3～5年最高地下水位、水位变化趋势和主要影响因素。” 作为勘察单位未按照上述勘察规范要求，掌握水文信息，在勘察报告中未提供地下水位变化幅度，补充说明提供的地下水位建议值不准确 ，后设计单位依据该勘察报告对地下室未作出相应的抗浮设计，最终导致地下室底板破裂，是造成本案建设工程质量问题的主要原因，应当承担相应的责任。

     法院认为 ：设计院以勘察单位出具的勘察报告为据，抗辩因案涉场地未见地下水，故无需对案涉工程地下室进行抗浮设计的理由并不充分。第一，根据检验报告，发生工程质量问题的主要原因是勘察单位未提供地下水变化幅度及建议值。虽然在此情况下，尚无强制性规范要求必须进行抗浮设计， 但设计公司作为专业的设计机构，其履行合同不仅应当符合国家法律、法规，符合工程行业的标准和规范，还应当秉持专业的精神，最大限度的尽到专业机构的注意义务 ，提供合理可使用的设计方案，保证工程按照设计方案施工后能够正常投入使用。

     作者认为上述对设计院说法也有点牵强。

    法院最终判罚结果：

     勘察单位： 未提供地下水位变化幅度，补充说明提供的地下水位建议值不准确。勘察判赔1730万！

     设计单位： 设计因案涉场地未见地下水，故无需对案涉工程地下室进行抗浮设计的理由并不充分。还应当秉持专业的精神，最大限度的尽到专业机构的注意义务。设计判赔692万。

    施工单位： 防水混凝土结构厚度不应小于250mm，其允许偏差应为+8mm、-5mm要求，是施工偏差造成的，施工单位判赔692万。

    【案例2】 浙江某工程

     浙江省高级人民法院民事判决书 （2013）浙民提字第133号

     法院认为 ，抗浮设计分两种情况，即地下水的渗出和地表水流入对地下室的抗浮的设计。 对地表水的抗浮本身就不属于勘察的范围 ，对于地下水是否要进行勘察的问题，勘察公司根据建设方提供的规划图纸（无地下室部分的规划）进行了勘察是合法合理的，且其出具的勘察报告，各方均无异议。

    地下室局部起拱及部分结构构件受损主要是由于 地表水渗入基坑四周 ，使地下水位上升，导致地下室底板受水浮力，而地下室自重不足以抵抗水浮力所致，鉴定结论为应对地下室采取有效的抗浮措施，对地下室受损构件采取有效的处理措施。

     法院认为 “设计院对设计失误造成的工程质量事故损失需要承担赔偿责任是知情和明确的，其有关承担90%质量事故损失超出合同订立时预期及设计单位最多在设计费范围内承担责任的理由，均无法律和事实依据。”设计院应承担90%的工程加固费用。

     关键词：地表水抗浮不属于勘察范围。作者认为这种说法不尽合理：请看现行规范

《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)(2009版)

 《建筑工程抗浮设计标准》JGJ476-2019

【案例2】 贵州某工程

    案涉鉴定意见书已然明确，本案事故的发生系勘察单位错误确定抗浮水位、施工单位的不作为行为所致。

    北京建研院【2018】建鉴字第162号（BBFAC-2018-162）司法鉴定意见书述及“本案工程部分墙、柱、梁裂开是由于建筑物上浮导致，建筑物上浮是由于建筑物实际承受的地下水位高于抗浮设计水位，该工程设计中直接采用勘察报告中的建议抗浮水位，未对工程进行抗浮设计，在地下水位高于抗浮水位的情况下，出现结构变形开裂等现象。

    ”鉴定人员出庭接受质询时对此作出说明“从工程角度来说，只要底板的设计标高高于抗浮水位，就不必要做抗浮设计。

   前已述及，贵州地质勘察院提供的地勘报告数据不具真实性准确性，以致同盛公司未对本案工程进行抗浮水位设计，责任在于贵州地质勘察院，同盛公司的工程设计行为符合规范，对本案事故的发生无过错，不应对本案事故承担赔偿责任

     作者认为：这个判罚比较合理，抗浮设计依据是地勘报告提供的抗浮水位。

     对以上三案例小结：

    出现事故的这几个建筑，出事均在发在暴雨之后，地表水下渗在基坑肥槽积水并渗入基础底板形成“水盆效应”，导致地下室底板反拱及开裂，地下室填充墙开裂，甚至梁柱节点开裂等事故。

    大家也能看出，三个案例基本出现的问题差不多，但各地判罚的情况确具有较大差异。我想作为设计单位都会对其判罚结果感觉有点”冤枉“吧。但无论如何出现工程安全事故总是我们大家不愿意看到的。为了尽可能避免类似问题再发生，这就需要工程建设的甲方，勘察、设计、施工、监理等由这些工程事故中总吸取到各自的经验及教训，让我们共同携手，事先尽力做好自己专业领域的事，同时也需要尽力结合自己的专业知识和经验，对相关资料的合理性进行分析判断，必要是建议进行专项论证，以确保我们的工程安全可靠，经济性合理。

    二 如何避免肥槽水盆效应

     1 我们先看看相关规范、标准对肥槽回填的要求

    （1）《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）12.2.6高层建筑地下外围回填土应采用  级配砂石 、砂土或灰土，并分层夯实。

     注：作者认为这个要求可解决结构地下侧限问题，但阻止不了地表水浸入形成的水盆效应。

    另外还需注意，有的工程为了解决结构侧向需要，又为了解决肥槽发生“水盆”效应，采用低标号混凝土回填，这种情况在某些情况也是不合适的：

    如《高规》 12.3.2高层建筑结构基础嵌入硬质岩石时，可在基础周边及底面设置砂质或其他材质褥垫层，垫层厚度可取50～100mm;不宜采用肥槽填充混凝土做法。

    （2） 《高层筏形与箱形基础技术规范》（JGJ6-2011）

6.1.2  地下施工完应及时进行回填，回填土应按设计要求选料，回填分层夯实，压实系数不应小于0.94.

    （3） 《地下防水工程技术规范》GB50108-2008

    10.0.6 明挖地下工程的混凝土和防水层的保护层验收合格后，应及时回填，并应符合下列要求：

    1 基坑内杂物应清理干净、无积水

    2 工程周围800mm以内宜采用灰土，粘土回填，其中不得含有块石、碎砖、灰渣、有机杂物以及冻土。

    3 回填施工应均匀对称进行，并应分层夯实。人工夯实每层厚度不应大于250mm,机械夯实每层厚度不应大于300mm,并应采取保护措施；

    （4） 《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011

    8.4.24  筏形基础地下施工完毕后，应及时进行地坑回填工作，填土应按设计要求选料，回填时应先清理地坑中的杂物，在其两侧或四周同时回填并分层夯实，回填土的压实系数不应小于0.94‘

    （5）《建筑桩基础技术规范》JGJ94-2008

     4.2.7 承台和地下室外墙与即可侧壁间隙应灌注素混凝土或搅拌流动性水泥土，或采用灰土、级配砂石、压实性较好的素土分层夯实，其压实系数不应小于0.94；

    （6）《建筑工程抗浮设计标准》JGJ476-2019

     6.5.5-3 基坑肥槽回填应采用分层夯实的粘性土、灰土或 浇筑预拌流态固化土 、素混凝土等弱透水材料.

     本部分小结：

      1  由以上诸多规范、标准来看，都提到了基坑肥槽回填问题，但各规范都仅基于本规范的要求对回填土提出要求，基本都没有综合考虑地下结构侧限及肥槽水盆效应问题，只有颇受业界“争议”的《建筑工程抗浮设计标准》提出的回填材料兼顾到了侧限及避免水盆效应的材料要求。 话 外音：作者一直认为各种规范、标准、技术措施、专家书籍等资料，我们拜读之后只要吸取其“精华”就够了。

    2  从工程成本角度分析，采用素土、灰土和砂石、预拌流态固化土、素混凝土回填,单方回填综合单价分别约为30~50元、130~150元和150~180元，200~300元 ,500~600元，可以看出素土与灰土、砂石回填成本相差悬殊,采用素混凝土价格更无法接受，由于肥槽回填土方量较大，实际工程中往往仅肥槽回填一项工程成本就可相差几十万甚至上百万元乃至上千万。

    这就需要我们设计选材料时，必须结合工程各种边界条件，选择安全可靠经济合理的材料；以下对几种常用采用简要进行说明：

    1）如基坑采用天然放坡，肥槽范围比较宽大（图1） ，可以考虑采用黏土分层夯实回填，但施工对黏土土质要求较高，可能一般施工难易达到；一般要求土中有机质含量不得超过5%，且不得含有冻土、土中不得夹有砖、瓦、石等。

且分层夯实，每一层均需要进行检测，施工周期长。

图1  自然放坡肥槽示意 

    2）对于图1也可采用灰土回填，但灰土回填对回填质量要求也比较高，如石灰宜选用新鲜的消石灰，其最大粒径不得大于5mm.土料宜选用粉质黏土，不宜使用快状黏土，且不得含有松软杂质，土料应过筛且最大粒径不得大于15mm.

    另外地下水具有酸性腐蚀及地下水位较高时也不应采用灰土回填，同时也应注意灰土搅拌对环境的影响。目前很多城市已经禁止使用灰土回填。

    3）对于采用边坡支护的肥槽，由于工程为了节约投资，往往地下室外墙与竖向围护结构（排桩或帷幕）之间的空间（0.8-1.5m）（图2）

 图2  支护直立狭窄肥槽

    对于这样的肥槽，如果采用素土或灰土，尽管设计要求分层夯实，夯实系数不小于0.94.实际上施工单位是很难满足这个要求的，如果遇到对工程负责任的施工及甲方，过去往往就直接采用素混凝土填充了。

    4）采用素混凝土，最大的问题是造价高，且今后维修管道及防水层等都非常困难。

    5） 采用近几年研发的 预拌流态固化土 填筑，应该说目前是比较好的选择。

     由于作者先后参加过这个材料研发及其工程应用的多次评审，且是《预拌流态固化土填筑工程技术标准》T/BGEA001-2019唯一一个结构评审专家，对这项技术有所了解。以下简要介绍一下：

     这个新技术实际最早是针对北京通州副中心地下管廊肥槽进行的研究，当作者看到这个新技术之后，立刻就想到这个技术今后必须推广到民用建筑地坑肥槽回填中，可以解决设计师多年对肥槽回填材料选择的困惑。

     什么是预拌流态固化土？

    根据工程需要和岩土特性，利用当地的开挖余土、废弃渣土、建筑固废处理还原土等，加入固化剂和水，搅拌成具有一定流动性的混合料；通过浇筑和养护，硬化后形成具有强度的工程材料。

    固化剂：是用少量无机胶结料胶结土粒，并激发土粒活性，促进固化反应，提高和改善了土体性能

     预拌流态固化土的性能

    工作性：固化土拌合物坍落度可控制在80～250mm，可泵送也可溜槽施工，流动性强，浇筑时无需振捣；

    强度：根据需要和经济成本，强度可以在0.5MPa-10MPa之间调整，满足路基、地基、基坑回填的基本要求；强度发展快，只需24小时即可达到上人进行下一步施工的强度。

    体积稳定性：硬化后，体积稳定性好，干缩小，水稳性好。

    抗渗性：与天然土壤相比，抗渗性大幅度提升。

    总之，预拌固化土，施工速度快，固化土强度高，匀质性好，质量可控，成本低，还有抗渗性，适用范围广泛，是一种非常好的工程材料。

技术优势

典型工程应用案例

【案例1】 北京城市副中心地下管廊基槽回填

    北京城市副中心综合管廊基坑深18m，基槽宽度分为3.5m和1m两种。基槽回填存在以下问题：

    空间狭小   异形空间   回填要求高  材料运输难  施工速度慢 

       北京副中心地下管廊肥槽回填

    【案例2】 中国历史档案馆肥槽回填

    基槽回填作业宽度 基槽设计预留宽度1200mm，根据实际作业情况，扣除25b/28b组合钢腰梁、锚具及钢绞线预留长度外，肥槽实际剩余作业空间约600mm，不具备打夯设备作业条件，有限作业空间安全隐患大。

国家历史档案馆肥槽回填论证会

【案例3】成都天府国际机场航站区综合管廊

【工程案例4】 西安幸福林带项目项目

 

     目前此项新技术新材料已经在北京、深圳、西安、重庆，成都、广东、苏州 等地有所应用。

    四 通过这些案例 ，作者提醒各位设计师朋友，今后必须注意的几个问题

    1）作为设计师一定要对接受各方的资料进行必要的评估、咨询，在自己单位的能力范围内确认其无误、有效后方可用于工程设计。比如:抗浮设防水位问题，大家一定要求注意现在地勘单位一般都给抗浮水位，同时后面紧接着会说：如需准确数据，应进行专门的水文地质评价。

    【工程案例】 地下水水位埋深，经勘察初步查明场区浅层地下水为第四系松散层孔隙潜水，勘察期间稳定水位埋深5.70~7.20米，标高4.58~6.22米，高差1.64米。水位埋深受季节、气侯、降水等因素影响而有所变化。地下水年变幅约1.5米。抗浮设防水位按近年最高水位按地表以下3.0米考虑。如需准确数据，应进行专门的水文地质评价。 

    2）对施工单位施工期间及甲方今后使用维护提出必要的说明。

    3）肥槽回填必须重视，仅仅满足理论设计要求不一定合适，必须结合工程各种边界条件提出切实可行的回填方案；

    4）同时也应提出对降雨预防措施

     （1） 地下结构外围周边地表应设置混凝土等弱透水材料封闭带，范围宜扩至地坑肥槽边缘以外不小于1.0m

     (2) 场地应设置与渗水井、排水盲沟及泄水沟水沟等形成有组织排水系统的截水沟、排水沟；

    （3）基础底不得设置透水性较强的材料垫层，超挖土方宜采用混凝土或预拌流态固化土等回填

    （4）给排水管道的接口、沟、涵等应采取防渗漏措施。

    五 结语

    作者再次提醒工程参与各方，工程质量无小事，每起工程质量安全事故，往往都不是单一原因造成，基本都是各种综合不利要素的积累所致。为此 衷心希望我们工程各参与方，尽心尽力，全力以赴做好自己应做的工作及应承担的责任，确保我们的工程安全可靠，经济合理。