王珍菊

老黏性土一般都具一定膨脹性和微裂隙性,在非飽和狀態(tài)下具有較高的抗剪強度,尤其是凝聚力高。在基坑開挖過程中,如無外水浸入則土壓力較低,其土壓力呈太沙基—佩克包絡(luò)線分布,一般不出現(xiàn)朗肯土壓力破裂面,裸露邊坡因干裂出現(xiàn)剝落或坍塌,此時土壓力小于朗肯理論計算值;如果土體受外水浸入而部分飽和,其凝聚力顯著降低,此時土壓力會增大,往往大于朗肯理論計算值。進一步發(fā)展將會出現(xiàn)楔形滑裂面,并漸進式發(fā)展成為滑坡[1,2]。從武漢市來看,老黏性土主要分布在武昌、青山和漢陽市區(qū)及其以南的郊縣,漢口、東西湖的北部及其以北的郊縣。由于在武昌已興建了一批高層建筑,故老黏性土場地的深基坑工程案例已不在少數(shù),成功、失敗,經(jīng)驗、教訓(xùn)均可借鑒。

1 老黏性土場地深基坑工程設(shè)計施工中的主要問題

1)正確認識、運用老黏性土的高強度。老黏性土在未經(jīng)擾動情況下,確實具有很高的強度和很低的壓縮性,但在開挖卸荷、浸泡、干裂等外界條件改變后,其強度將急劇衰減。而在其結(jié)構(gòu)破壞、含水量反復(fù)變化后的殘余強度又將是極低的。因此,在選取利用老黏性土的力學(xué)指標時,要根據(jù)工程可能出現(xiàn)的各種情況慎重選取。

如勘察資料完整可靠,場地環(huán)境條件簡單并且充分明確,施工隊伍素質(zhì)高,施工組織合理,質(zhì)量和工期可以嚴格控制,那么我們在支護工程的設(shè)計計算中,就可以取較高的指標,以充分利用黏性土的高強度,節(jié)省工程造價;反之,就只能選取較低的指標,以保證安全。

2)老黏性土的破壞模式及支擋結(jié)構(gòu)上土壓力的分布。深基坑支擋結(jié)構(gòu)上所受側(cè)壓力,應(yīng)隨被支擋土體的性質(zhì)計算所選取的破壞模式及支擋結(jié)構(gòu)的不同而不同。老黏性土邊坡的破壞,是從表層淺部的土塊沿裂隙面的崩落、滑塌開始的。各種地質(zhì)營力是促使裂隙發(fā)育的外部原因,表層裂隙發(fā)育后,各種地質(zhì)營力又通過裂隙向深層作用,促使裂隙向深層發(fā)展。簡單的邊坡保護就可大大減小地質(zhì)營力對土體的侵蝕,一定的約束力就足以阻止淺層裂隙的發(fā)育。我們應(yīng)當在這個前提下,來討論研究老黏性土場地深基坑支擋結(jié)構(gòu)的土壓力問題。

如對懸臂式支擋而言,其變形通常認為是繞基底下某一點轉(zhuǎn)動的,而對于樁錨結(jié)構(gòu)所有的錨桿都可以看成為一個固定荷載支點,在這兩種情況下,其側(cè)向壓力分布按靜水壓力公布圖式考慮已具有足夠的工程精度。但由于老黏性土具有較高的凝聚力,在支護結(jié)構(gòu)某些部位算得土壓力可能為負值,此時考慮到老黏性土的某些特性,在其主動側(cè)凡 ea(ema)＜0.25γz處,均應(yīng)加至0.25γz的土壓力。

對內(nèi)支撐擋土結(jié)構(gòu),由于內(nèi)支撐約束力的強度大,變形甚至是不可能的(絕對地說),老黏性土的裂隙也無法向深層發(fā)展,加上其自身的高強度,可以認為在這種支擋結(jié)構(gòu)保護下的老黏性土邊坡,其作用在支護結(jié)構(gòu)上的土壓力可能在很大的范圍內(nèi)都是恒定的。其分布模式可按圖1考慮。

根據(jù)現(xiàn)有資料,對老黏性土場地采用此種土壓力計算圖形計算,可使支護結(jié)構(gòu)達到安全、經(jīng)濟的效果。不然,也可借鑒常規(guī)的土坡穩(wěn)定分析方法中的基本思想,根據(jù)深基坑工程技術(shù)規(guī)定確定的老黏性土的潛在破壞模式,求出作用在支護結(jié)構(gòu)上(0.20～0.30)H寬度范圍內(nèi)側(cè)壓力最大值Ea,以此作為支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計依據(jù)。Ea的作用點,為簡化計算,可假定作用在支護結(jié)構(gòu)的中部。在計算中,裂縫開展深度可按Ⅲ估計,裂隙開展深度內(nèi)應(yīng)不計抗滑力,如圖2所示。

3)老黏性土場地深基坑支擋設(shè)計的指導(dǎo)思想。從以上的討論中,可以得出這樣的結(jié)論,在老黏性土場地的深基坑支護設(shè)計中,應(yīng)特別針對老黏性土邊坡破壞是從地基淺層小塊土體崩裂、滑塌開始的,實際著眼于抑制這些裂隙的發(fā)生、發(fā)展,以達到保護整個邊坡安全穩(wěn)定的目的。需要指出的是允許支擋結(jié)構(gòu)有少量的變形,以釋放老黏性土中的應(yīng)力而又保持其較高的強度,則是十分必要而又要求慎重掌握的。

下述工程B在支擋設(shè)計中,首先采用鄧肯—張模型用反轉(zhuǎn)荷載法模擬深基坑開挖卸荷過程,研究其邊坡拉裂區(qū)的發(fā)展狀況,找出在邊坡拉裂區(qū)發(fā)展到某種狀況時,既可保證基坑壁的安全,又能充分發(fā)揮老黏性土的自身強度(該例為:卸荷67%時拉裂區(qū)僅發(fā)展到臨空面的2 m～3 m之間),并計算出此時的荷載,再用極限平衡法計算在這種情況下保證邊坡穩(wěn)定所需的單元錨固力,兩者比較選取合理的設(shè)計值設(shè)計支擋結(jié)構(gòu)。實踐證明,這種做法是安全,且經(jīng)濟合理的。

4)切實重視水對老黏性土邊坡的危害。老黏性土不是含水層,這是眾所周知的。但水對老黏性土邊坡穩(wěn)定的嚴重危害卻并非人人都知曉的。實際上,老黏性土基坑邊坡失穩(wěn),幾乎百分之百與水直接或間接有關(guān)。

從場地地質(zhì)構(gòu)成看,多數(shù)老黏性土場地上都覆蓋有人工填土或第四紀全新世(Q4)的堆積物,它們多是含水的,有些甚至是軟塑、流塑狀淤泥或淤泥質(zhì)土。這些含水層的補給來源十分復(fù)雜,除大氣降水外,對城市居民區(qū)來說,管網(wǎng)破損的滲水,居家生活污水,其他來源的地表水等都是補給源,而且這些補給源往往都是難于預(yù)測控制的。它們不斷補給這些含水層,使它們長年處于飽水狀態(tài),使下伏老黏性土接觸面上的土含水量增高,物理—力學(xué)性質(zhì)急劇惡化。更重要的是在基坑開挖后,老黏性土被暴露,裂隙張開,這些水迅速浸入裂隙中,使裂隙急劇擴大。土的整體性急劇破壞,土的強度急劇降低。

在租金方面，按照350元/間·年⑤的統(tǒng)一標準出租，租期至少15年及以上，一次性將房租租金支付給戶主，租房者出錢裝修。調(diào)研時，村民對于將老宅出租的做法很是認可，認為是“劃得來”的生意。閑置的老宅重新得到利用開發(fā)，不僅增加了農(nóng)戶的財產(chǎn)性收入，新業(yè)態(tài)也帶來了人氣，帶動了農(nóng)副產(chǎn)品的銷售，村民們足不出戶就能享受到旅游發(fā)展帶來的增值。

更應(yīng)引起我們重視的是,即使老黏性土上沒有覆蓋含水地層,在基坑施工開挖過程中,上述地表水如浸入場地(這在許多工地是經(jīng)常發(fā)生的),也同樣會對坑壁造成嚴重的危害。采取的對策應(yīng)該是:對上述含水層在基坑開挖過程中即予封堵,或堵截補給源,并予排除。保證上述含水層中的水不浸入新開挖的老黏性土層中,排除基坑周邊一定范圍內(nèi)的地表水通道;固化基坑周邊3 m～5 m的地面(做成混凝土路面),封閉一切開挖后暴露的作業(yè)面(用磚砌或噴抹水泥砂漿);及時排除基坑中的積水,以避免老黏性土含水量急劇變化。

5)信息化施工是深基坑工程順利進行的保證。基坑工程是巖土工程中的一種,其事故的發(fā)生,必然有一個從量變到質(zhì)變的過程,信息化施工是巖土工程—深基坑工程施工的一個原則,按設(shè)計進行施工,在施工過程中不斷觀測獲得各種相關(guān)信息,對設(shè)計進行調(diào)整修改,再按新的設(shè)計進行施工,以此循環(huán)往復(fù)直至工程完成。

由于老黏性土的高強度指標容易被濫用,如環(huán)境(特別是水)的條件改變時,很容易出現(xiàn)支擋結(jié)構(gòu)審美觀點破壞,如果設(shè)計上采用了以抑制裂隙發(fā)育為目的的設(shè)計思想,也容易出現(xiàn)類似的問題,加上老黏性土達到峰值強度的變形值很小,所以,對支擋結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測就顯得特別重要。

“水”是老黏性土邊坡的大敵。對水(地下水和地表水)的觀測,更應(yīng)放到最重要的位置上,對任何地位可勘察資料未提及、設(shè)計中未考慮的、新出現(xiàn)的有關(guān)水的情況,都必須由勘察、設(shè)計、施工各方共同研究作出評價處理。如暴雨時期沿斜坡、電纜溝、管道溝、舊的甚至已被廢棄的排水道沖來的雨水,上下水管道突然破裂涌出的自來水或污水。基坑周邊硬化路因堆料、行車壓裂而可能導(dǎo)致地表水深入基坑,因油墨錨桿或其他施工作業(yè)破壞了基坑作業(yè)面保護層(磚或水泥砂漿抹面)可能導(dǎo)致老黏性土水含量變化,施工人員的生活污水或施工用水管理不當流入基坑的水等。

2 工程案例分析

武漢地區(qū)老黏性土一般是指分布在河流高階地,沉積于第四紀晚更新世(Q3)及其以前的黏性土,其礦物成分主要為石英、長石,但也含有較多高嶺土、伊利石、云母和一定數(shù)量的蒙脫石。具親水性,有一定的膨脹—收縮潛勢。老黏性土在力學(xué)特征上是一種高度超固結(jié)裂隙黏土,自然條件下呈堅硬或硬塑狀態(tài),強度較高,在排水情況下,它具有峰值強度后應(yīng)變軟化的特征[3]。這里來分析一下同樣位于武昌Ⅲ組階地,相距僅千余米的兩個開挖深度相近的深基坑工程,從中獲得一些啟示。

1)工程A:以直徑 900 mm,長20 m,樁距1.40～1.80的人工挖孔樁作支擋結(jié)構(gòu),樁身配以17根φ 25的主筋對場地附近的水及已有建筑未做任何處理。在開挖到設(shè)計深度(9.00 m左右)時,發(fā)生了12根樁倒塌折斷、4根樁嚴重歪斜變形的嚴重事故。造成這一事故的直接原因是該處基坑壁出現(xiàn)了長約31 m、寬約7 m,后緣落差達5 m,坍塌量約1 200 m3的滑塌體。這一事故的發(fā)生,造成了巨大的經(jīng)濟損失和嚴重的不良社會影響。2)工程B:基坑周邊先做地表淺層卸荷減載,再設(shè)置直徑400 mm,間距1 m,長10 m的鉆孔灌注樁,樁身配以8根φ 16的主筋,加兩排長 9 m、直徑150 mm的錨桿作為支擋,同時對水及周邊鄰近的已有建筑均做了妥善處理。

該基坑不但安全開挖完成,而且停工暴露兩年之久未出現(xiàn)任何不安全跡象,該工程現(xiàn)已全部建成完工,取得了理想的技術(shù)經(jīng)濟效果。

上述兩個工程,處于同一地貌單元,有相似的地質(zhì)構(gòu)成和巖土工程條件,環(huán)境亦相差不大,且開挖深度相同,但其技術(shù)經(jīng)濟效果卻相差甚遠,最根本的原因就是對老黏性土的認識不同。

其一:工程B的設(shè)計施工人員,對老黏性土的工程特性有較正確全面的認識,故他們在支護設(shè)計的指導(dǎo)思想上是“充分發(fā)揮土體的自身強度”,但他們也了解到,老黏性土因裂隙發(fā)育,在開挖暴露后必將出現(xiàn)土質(zhì)變化,強度衰減,故關(guān)鍵是抑制住開挖初期土體裂隙的擴張脹大,故其計算擴散工藝主要就是著眼于抑制早期坡面的變形,從而達到整個邊坡穩(wěn)定的目的。

而工程A的設(shè)計施工者將老黏性土邊坡等同于一般黏性土邊坡,他們在支擋工程設(shè)計中不但未深入分析老黏性土的物理力學(xué)特性,而且將土工試驗報告中提供的力學(xué)指標加大、提高使用。故其支護工程在老黏性土邊坡開挖浸水、強度急劇降低后,根本無法保證邊坡的穩(wěn)定(偏于不安全),而在和其他技術(shù)措施共同作用控制邊坡的初期變形上,又顯得過于浪費、保守。

其二:工程B的設(shè)計施工者深知“水”對老黏性土的危害,對水的治理十分重視。他們首先表明了覆蓋于老黏性土上的“填土中的上層滯水及大氣降水是影響基坑施工及邊坡穩(wěn)定的主要來源”,又了解到“上層滯水的主要補給源為生活污水”,因而針對性地采用了對生活污水進行源頭封堵的措施。在鎖口梁上設(shè)截水溝,截住流向基坑的地表水及上層滯水的側(cè)滲,對基坑邊,包括地面,以砂漿或混凝土封閉,最大限度地減少老黏性土含水量的變化,從而保持其工程質(zhì)量的穩(wěn)定。該工程由于對場地水文地質(zhì)條件的正確認識,采取的防水保濕措施恰當,使工程實際運行期間基坑周邊土體的工程性質(zhì)因為土體含水量的穩(wěn)定而未發(fā)生變化衰減,從而保證了工程的長期有效。

工程A的設(shè)計施工者認為老黏性土本身為不含水層,明確提出“不考慮地下水的作用”。事故發(fā)現(xiàn)后“該坡段有居民樓和公共廁所化糞池兩處,且都有水泄漏”“使周圍土體日漸飽和,此外,尚有多處被堵塞的在使用中的下水道長期向外滲水”。事實上“施工期間居民樓的生活污水、大氣降水長期向工地滲流”,當時的城建簡報稱“在倒塌的護坡樁范圍內(nèi),發(fā)現(xiàn)有5股應(yīng)該排向市政排水管的下水,卻因堵塞,大量的水通過窨井、化糞池滯留在這一段護坡樁內(nèi)側(cè)”。故“支護樁成孔開挖和基坑開挖中……就有大量的水沿井圈及坡面流出,以致施工工人必須穿雨衣工作”。

以上這些情況說明,上層滯水、地表水的浸泡使老黏性土的工程性質(zhì)惡化,是導(dǎo)致基坑支護工程失效的直接原因。這一點在本基坑其他地段,因不存在地表水和上層滯水危害,而支護工程至今完好無損可以得到印證。

其三:工程A在設(shè)計文件和圖紙中均未提出施工監(jiān)測方面的要求,施工一開始,此坡段就有嚴重的地表水滲入和浸出問題,設(shè)計施工者都未因此而改變原“不考慮地下水的作用”的前提,8月6日已出現(xiàn)“地面變形裂縫,住戶反映可能發(fā)生危險,要求采取措施確保安全”。在此情況下施工者仍未采取任何加固措施,失去了一次最后的搶救機會,以致8月8日22時20分事故發(fā)生。

工程B從基坑開挖前到基礎(chǔ)施工完畢,對護坡樁及鎖口梁進行了精密水平位移觀測,發(fā)現(xiàn)基坑長邊中心附近的 A4點最大水平位移僅18.5 mm,且位移速率與土方開挖(進程)密切相關(guān)。另外,對緊鄰基坑的一老建筑進行的沉降觀測表明,其最大沉降值為4.07 mm。這些沉降觀測資料反映了支護工程的工作狀態(tài),使設(shè)計、施工者認識到支護工程足以保證基坑的穩(wěn)定,對工程保持了信心,設(shè)計計算及施工方法都是符合實際的。

3 結(jié)語

在老黏性土場地深基坑工程的施工過程中,我們應(yīng)做好以下幾個方面的工作:1)深入分析老黏性土的物理力學(xué)特性,抑制住開挖初期土體裂隙的擴張脹大。2)正確認識場地的水文地質(zhì)條件,采取恰當?shù)姆浪翊胧?)最大限度地減少老黏性土含水量的變化,從而保持其工程質(zhì)量的穩(wěn)定。4)做好施工監(jiān)測工作。

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