熊楚炎

（寧波市民用建筑設(shè)計研究院有限公司，浙江寧波 315020）

某基坑錨桿失效事故的原因分析

熊楚炎

（寧波市民用建筑設(shè)計研究院有限公司，浙江寧波 315020）

針對沿海軟土地區(qū)一大型基坑中深達(dá)8.10 m的冷凍機(jī)房基礎(chǔ)在基坑開挖過程中發(fā)生錨桿失效基坑坍塌事故，從挖土深度考慮不足、不良地質(zhì)作用、錨桿施工間距超過設(shè)計要求、卸土放坡范圍不足、錨桿抗拔承載力取值過高等5個方面進(jìn)行了事故原因分析和模擬工況單元內(nèi)力計算比較，指出了5大原因綜合作用下增加的錨桿拉力設(shè)計值大大超過錨桿抗拔承載力而引發(fā)錨桿失效，基坑失穩(wěn)破壞。

錨桿失效;基坑事故;內(nèi)力計算;錨桿拉力;錨桿抗拔承載力

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，地下空間的開發(fā)規(guī)模越來越大，特別是在沿海軟土地區(qū)，基坑深度和面積越來越大，技術(shù)難度越來越高，傳統(tǒng)的支護(hù)技術(shù)難以解決問題，安全性較高的排樁加支撐的支護(hù)形式難以適應(yīng)大面積基坑，因此錨桿的研究和應(yīng)用日益增多，如方從嚴(yán)等［1］對錨桿錨固加固機(jī)理的試驗(yàn)研究，杜芳周等［2］對錨桿錨固力試驗(yàn)研究等。現(xiàn)階段軟土地區(qū)應(yīng)用較多的錨桿的類型包括鋼筋注漿錨桿、加筋水泥攪拌土錨桿、高壓旋噴錨桿、帶漿囊袋錨桿等，但是由于淤泥質(zhì)土中錨桿抗拔承載力難以大幅度提高限制了錨桿在軟土地區(qū)的應(yīng)用，錨桿支護(hù)在軟土中的作用機(jī)理還不完善，與其在砂性土和粉土中的作用原理還有所不同，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中基坑失敗的概率較大，據(jù)某沿海城市基坑事故統(tǒng)計，80%的工程事故是采用了土釘或錨桿支護(hù);而采用了錨桿支護(hù)的工程中有70%工程出現(xiàn)基坑位移過大超過設(shè)計要求，10%的基坑出現(xiàn)險情甚至倒塌。本文通過對造成一起排樁加錨桿支護(hù)工程事故的5大原因進(jìn)行分析，并通過不同工況模擬單元計算，指出各因素導(dǎo)致錨桿拉力的增加和抗拔承載能力的降低引發(fā)了工程事故。

1 基坑設(shè)計概況

1.1 工程概況

1.2 工程地質(zhì)條件

冷凍機(jī)房附近勘察孔號為93號，基坑設(shè)計范圍內(nèi)從上到下土層分布為:①1層素填土，①2層粘土，②1層淤泥質(zhì)粘土，②2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，③層粉質(zhì)粘土，④1層含粉質(zhì)粘土粉砂。本工程基坑圍護(hù)設(shè)計范圍內(nèi)各地質(zhì)層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

圖1 基坑支護(hù)總平面布置圖

表1 各地質(zhì)層物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計表

圖2 基坑支護(hù)剖面圖

1.3 原支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

原設(shè)計方案冷凍機(jī)房計算挖土深度達(dá)7.25 m，根據(jù)周邊環(huán)境特點(diǎn)、地質(zhì)條件采用兩級放坡+排樁+拉錨方案的支護(hù)形式，排樁采用600@1000鉆孔灌注樁，樁頂標(biāo)高-3.900 m?？油庠O(shè)置700@500連續(xù)搭界水泥攪拌樁止水兼擋漏土帷幕。一級放坡坡高1.5 m，二級放坡坡高1.0 m。錨桿采用250加筋水泥攪拌土錨桿，長度18.00 m，錨桿水平間距1.00 m，錨固段按15.00 m計算，自由段長度取3.00 m。基坑支護(hù)剖面如圖2所示。

采用理正軟件進(jìn)行單元計算，單元計算寬度內(nèi)的彈性支點(diǎn)水平反力Fh為97.97 kN/m，錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值NK=97.97/cos15°=101.43 kN/m。樁身最大位移34.50 mm，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.377。

林德對超低溫冷庫叉車做了專業(yè)而全面的改裝，保障安全使用。如防水方面，林德超低溫冷庫叉車的駕駛室玻璃采用了特殊除霧功能的玻璃，儀表、電器線束和控制器等都做了防水保護(hù)；在保溫方面，林德超低溫冷庫叉車才用了高密閉性的全封閉駕駛室，駕駛室內(nèi)部還設(shè)置有暖氣裝置；在防砸落方面，林德超低溫冷庫叉車對裸露的塑料件都做了不同的保護(hù)；此外，在叉車的內(nèi)部，特種電池、耐低溫油品等的采用，保障叉車能在超低溫冷庫中正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

根據(jù)有關(guān)規(guī)范［4］規(guī)定:估算錨桿極限抗拔力Rk=169.65 kN/根＞KtNK=1.6×101.43=162.29 kN/m（其中Kt為錨桿抗拔安全系數(shù)，安全等級為一級、二級、三級的支護(hù)結(jié)構(gòu)的Kt分別不應(yīng)小于1.8、1.6、1.4），滿足設(shè)計要求。

2 錨桿失效事故經(jīng)過

2011年12月29日上午開始開挖北側(cè)中段冷凍機(jī)房基坑土方，機(jī)械挖土一次性挖至承臺墊層底標(biāo)高，局部承臺已澆搗混凝土墊層，晚上22∶38該區(qū)域北側(cè)冠梁突然發(fā)生整體滑移坍塌，過程持續(xù)約15 s，整個圍護(hù)系統(tǒng)向坑內(nèi)移動8.00 m左右，坑邊塔吊向坑內(nèi)水平移動約6.50 m，地面嚴(yán)重開裂、塌陷，事后測量坑邊工程樁最大位移為6.00 m。此時施工結(jié)束，施工人員全部離開，未造成人員傷亡事件。事發(fā)前監(jiān)測數(shù)據(jù)未超報警值。事故發(fā)生后施工單位立即回填了土方，拆卸了坑邊塔吊。圖3為現(xiàn)場照片。

圖3 基坑坍塌現(xiàn)場圖片

3 事故原因分析

根據(jù)錨桿設(shè)計計算過程可以看出，錨桿設(shè)計計算錨桿極限抗拔承載力的標(biāo)準(zhǔn)值Rk=169.65 kN/根，是剛好滿足軸向拉力162.29 kN/m要求的安全度，但實(shí)際施工工程中只要預(yù)定的設(shè)計工況中任何一項(xiàng)發(fā)生偏差都有可能導(dǎo)致錨桿軸向拉力的標(biāo)準(zhǔn)值增大，錨桿的抗拔承載力不滿足設(shè)計安全性的要求。模擬工況采用理正軟件進(jìn)行單元計算分析如下。

3.1 設(shè)計時挖土深度考慮不足，施工超挖

方案設(shè)計時，冷凍機(jī)房挖土計算深度考慮至地梁墊層底標(biāo)高7.250 m，但本基坑中兩樁承臺分布較密，施工單位土方開挖時便于施工一次性開挖至承臺墊層底標(biāo)高，挖土深度為8.10 m，比原設(shè)計深度增加了0.85 m，對挖土深度8.10 m工況模擬進(jìn)行單元計算結(jié)果為:

單元計算寬度內(nèi)的彈性支點(diǎn)水平反力Fh為122.86 kN/m，樁身最大位移45.53 mm，樁身彎矩為518.89 kN·m，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.242（小于規(guī)范要求的1.30）。

3.2 基坑附近不良地質(zhì)作用

根據(jù)事后調(diào)查結(jié)果，冷凍機(jī)房區(qū)域坑外附近存在老河道，地下水位較高，地基土物理力學(xué)參數(shù)發(fā)生突變，增大了主動土壓力，同時降低了錨桿抗拔承載力。現(xiàn)按原計算的挖土深度7.25 m，按水土分算考慮地下水位影響，并對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)在原設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行0.9折后模擬單元計算結(jié)果為:

單元計算寬度內(nèi)的彈性支點(diǎn)水平反力Fh為107.71 kN/m，樁身最大位移41.60 mm，樁身彎矩為443.93 kN·m，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.239（小于規(guī)范要求的1.30）。

3.3 基坑北側(cè)塔吊基礎(chǔ)樁影響加大錨桿施工間距

施工單位在冷凍機(jī)房北側(cè)布置了一臺塔吊，用于施工材料的水平垂直運(yùn)輸，塔吊基礎(chǔ)位于坑邊位置，基礎(chǔ)采用800 mm鉆孔灌注樁，錨桿設(shè)計水平間距為1.00 m。施工時為避開塔吊樁基，錨桿間距在沒有告知設(shè)計人員的情況下擅自加大，根據(jù)事故后現(xiàn)場量測，錨桿實(shí)際施工間距約為1.30 m。錨桿間距增大后模擬單元計算結(jié)果為:

單元計算寬度內(nèi)的彈性支點(diǎn)水平反力Fh為118.54 kN/m，樁身最大位移34.94 mm，樁身彎矩為388.93 kN·m，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.377。

3.4 坑外卸土放坡不滿足設(shè)計要求

根據(jù)設(shè)計方案要求，基坑大面積開挖前應(yīng)按設(shè)計要求進(jìn)行二級卸土放坡，第一級卸土平臺寬度為1.50 m，第二級卸土平臺寬度為3.00 m，但在本基坑北側(cè)塔吊附近作為主要的施工材料堆放場地，第二級卸土平臺由原來的3.00 m減少為2.00 m，模擬單元計算結(jié)果為:

單元計算寬度內(nèi)的彈性支點(diǎn)水平反力Fh為109.80 kN/m，樁身最大位移37.44 mm，樁身彎矩為438.64 kN·m，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.369。

KtNK=1.6×109.80/cos15°=175.68 kN/m ＞Rk=169.65 kN/根，錨桿抗拔承載力安全度不足。

3.5 錨桿極限抗拔承載力取值過高

有關(guān)規(guī)范［4］規(guī)定:土層錨桿的錨固段不應(yīng)設(shè)置在未經(jīng)處理的軟弱土層。本支護(hù)設(shè)計方案計算18 m長度錨桿極限抗拔承載力估算為Rk=169.65 kN/根，實(shí)際上在淤泥質(zhì)土中錨桿施工工藝不成熟，作用機(jī)理的研究不夠完善，如此高的抗拔承載力是難以達(dá)到的:（1）本基坑支護(hù)中設(shè)計的錨桿水平間距僅為1.00 m，大大小于規(guī)范要求的“水平間距不宜小于1.50 m”的要求，群錨效應(yīng)和土體的蠕變變形非常明顯，僅對承載力進(jìn)行0.9倍折減是不夠的;（2）設(shè)計采用18 m錨桿，根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-99）［3］規(guī)定，“錨桿自由段長度不宜小于5 m并應(yīng)超過潛在滑裂面1.5 m”。

根據(jù)文獻(xiàn)［3］提供的公式計算，錨桿自由段長度計算值為 lf=7.50 m。這樣錨固段長度 la=10.50 m，按照此錨固段長度計算的錨桿極限抗拔承載力僅為Rk=132 kN/根，這與事故發(fā)生后對未破壞的錨桿進(jìn)行抗拔實(shí)驗(yàn)結(jié)果為Rk=135 kN/根是相吻合的，比原設(shè)計提供的Rk=169.65 kN/根降低29%。原設(shè)計中根據(jù)錨桿注漿工藝人為設(shè)定錨桿自由段長度為3.00 m、錨固段長度為15.00 m是不合理的，導(dǎo)致錨桿極限抗拔承載力虛高。

事實(shí)上，本基坑發(fā)生坍塌事故主要是以上5大方面原因綜合作用的結(jié)果，對以上5大方面原因進(jìn)行單元計算模擬后，內(nèi)力分析如圖4所示。根據(jù)計算可知，單元計算寬度內(nèi)的彈性支點(diǎn)水平反力Fh已經(jīng)達(dá)到173.44 kN/m，樁身最大位移57.39 mm，整體穩(wěn)定安全系數(shù)僅為 Ks=1.112。KtNK=1.6×173.44/cos15°=287.29 kN/m ＞＞Rk=132 kN/根，錨桿抗拔承載力安全度嚴(yán)重不足而失效。

表2 單元計算匯總表

圖4 綜合因素作用下內(nèi)力計算

以上5個因素是導(dǎo)致本基坑事故發(fā)生的主要原因，需要指出，在實(shí)際施工時還有很多實(shí)際因素未考慮，如墻后地面超載、支護(hù)樁的施工質(zhì)量、錨桿的施工工藝、土方開挖等。這些因素也都會影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和錨桿抗拔承載力。另外，地質(zhì)勘察報告提供的土體力學(xué)性能指標(biāo)也是影響設(shè)計的關(guān)鍵因素。

4 結(jié)論

根據(jù)以上原因分析進(jìn)行單元計算結(jié)果匯總見表2。從表2可以得出如下結(jié)論。

（1）計算挖土深度考慮不足、不良地質(zhì)作用、錨桿間距超過設(shè)計要求、卸土放坡不足、錨桿抗拔承載力取值過高等5個因素單獨(dú)作用時計算的錨桿軸向拉力全部超過了錨桿抗拔承載力的安全度要求，每個因素的發(fā)生都有導(dǎo)致錨桿失效的可能，都是基坑事故的誘因。

（2）本基坑事故是在5大原因共同作用下，錨桿軸向拉力的設(shè)計值大大超過錨桿抗拔承載力引發(fā)錨桿失效，基坑失穩(wěn)而坍塌。

（3）設(shè)計計算挖土深度考慮不足導(dǎo)致錨桿軸向拉力增加25.4%;錨桿間距增大導(dǎo)致錨桿軸向拉力增加21%;不良地質(zhì)、卸土放坡不足等原因?qū)е洛^桿軸向拉力增加各為12%、10%左右。計算挖土深度考慮不足和任意加大錨桿間距是引起錨桿內(nèi)力增大的主要因素。

（4）根據(jù)單元計算結(jié)果，計算挖土深度不足、不良地質(zhì)作用這兩個因素還直接導(dǎo)致了整體穩(wěn)定性安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

（5）軟土中錨桿抗拔承載力較低，設(shè)計布置的錨桿水平間距難以滿足不小于1.50 m的規(guī)范［4］要求，因此錨桿抗拔承載力的標(biāo)準(zhǔn)值取值必須加大折減;錨桿的錨固段和自由段的長度并不是根據(jù)錨桿施工工藝人為設(shè)定，而是與墻后潛在的滑裂面有關(guān)，錨桿抗拔承載力估算時必須正確計算錨固段長度。淤泥質(zhì)土中錨桿極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值必須根據(jù)現(xiàn)場抗拔實(shí)驗(yàn)和蠕變實(shí)驗(yàn)綜合確定。

（6）根據(jù)內(nèi)力圖（圖4）可知，樁身全部位于淤泥土中，支護(hù)樁樁身變形較大，支護(hù)樁底端“踢腳”變形明顯，因此在滿足計算情況下適當(dāng)增加支護(hù)樁的長度是必要的。

［1］ 方從嚴(yán)，卓家壽，等.錨固加固機(jī)理的試驗(yàn)研究現(xiàn)狀［J］.河海大學(xué)學(xué)報，2005，（6）.

［2］ 杜芳周，高新鋒，高富強(qiáng)，等.錨桿錨固力試驗(yàn)研究現(xiàn)狀［J］.煤礦開采，2009，（3）.

［3］ JGJ 120-99，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］ GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］ CEC S22:90，土層錨桿設(shè)計與施工規(guī)范［S］.

［6］ CEC S147:2004，加筋水泥土樁錨支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.

［7］ GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［8］ 基坑工程手冊（第二板）［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［9］ CEC S22:2005，巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程［S］.

Analysis on the Causes of Anchor Bolt Failure Accident in a Foundation Pit

/XIONG Chu-yan（Ningbo Civil Architectural Design ＆ Research Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315020，China）

In the process of the foundation pit excavation of a freezing room with 8.10 meters depth，which is in a large foundation pit in coastal soft soil area，collapse caused by anchor bolt failure occurred.By the analysis and calculation comparisons of simulation working conditions element internal force in 5 aspects:insufficient consideration of digging depth，bad geological environment，bolt spacing exceeding the design requirements，insufficient range of step-slope by soil dumping and taking higher value of anchor pullout capacity，it was concluded that the increased anchor tension design value greatly exceeded the anchor anti-pulling force capacity by the comprehensive influence of above 5 aspects，which led the anchor bolt failure and the instability of foundation pit.

anchor bolt failure;foundation pit accident;internal force calculation;force of anchor bolt;anti-pulling force capacity of anchor

TU473.2

A

1672-7428（2012）07-0052-04

2012-02-16;

2012-05-27

熊楚炎（1972-），男（漢族），浙江寧波人，寧波市民用建筑設(shè)計研究院巖土設(shè)計所所長、高級工程師、注冊巖土工程師，巖土工程專業(yè)，從事地下室基坑支護(hù)設(shè)計及施工方面的設(shè)計研究工作，浙江省寧波市江北區(qū)槐樹路40號，xiongchuyan@163.com。