王曉初, 張?zhí)煊? 劉 曉

(沈陽大學 建筑工程學院, 遼寧 沈陽 110044)

隨著國內經濟的發(fā)展,土地需求量增加,對地下空間的開發(fā)利用越來越廣泛.隨之而來的是基坑深度的加深和安全要求的提高,使得基坑工程的設計和施工越來越復雜.本文使用理正計算軟件對沈陽某深基坑支護工程進行計算,結合規(guī)范與實際工程經驗找出并分析了事故原因,提出了在深基坑支護工程的注意事項.對基坑挖掘進行規(guī)劃時,不僅要結合安全系數、基坑深度以及周邊條件等現實情況,也應該對主體結構和基礎類型等要素進行全面的考量.

按照《 建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》(GB 50497—2009)[1]有關要求:深基坑為挖掘深度高于5 m或雖沒有高于5 m,但地質情況以及周圍環(huán)境都較為復雜的基坑.最近幾年,部分研究人員提出可基于穩(wěn)定系數Ns進行界定,即符合Ns≥7要求的就是深基坑.

(1)

式中:γ為土的重度,kN·m-3;H為開挖深度,m;Cu為土的不固結、不排水抗剪強度,kPa.

深基坑支護的破壞形式分為2類[2-3].

(1) 結構破壞.當作用在結構上的應力超過組成結構材料的許用應力,或結構發(fā)生不適于繼續(xù)服役的變形時,該結構即發(fā)生破壞.

(2) 土體破壞.包括基坑四周整體土的滑動造成的失穩(wěn)或局部土體的滑動造成的失穩(wěn),基坑底部土體由于凍脹或失陷引起的隆起失穩(wěn),護坡樁錨固端土體由于水平承載力不足引起的失穩(wěn)(傾覆、滑移等),錨索(桿)、土釘嵌固端失穩(wěn),雨水等各種水源所帶來的滲透、塌落等.

(3) 基坑開挖引起的周圍環(huán)境及建筑物破壞.深基坑開挖引起包括周邊建筑物發(fā)生不均勻沉降造成結構開裂、路面沉降或開裂、周圍地下管線開裂等.

1 工程案例分析

1.1 工程概況

該工程位于沈陽市和平區(qū)勝利南街東側,長白二街西側,南側緊鄰市政規(guī)劃路,西側與一地下室接壤,緊鄰長白島內河(見圖1).工程重要等級為3級,場地復雜程度為2級,地基復雜程度為2級,巖土工程勘察等級為乙級,開挖深度為5 m,為深基坑支護工程.

該場地擬建12棟高端住宅別墅和1座商務會館,項目基礎形式為筏板基礎,2層地下室為地下停車場,工期為18個月,基坑工程于年初施工,計劃工期35天.

2014年3月某日,3-3剖面鋼管樁施工,第1排錨索及腰梁預應力施工完畢,夜晚土方單位正常出土,凌晨4時許,3-3剖面鋼管樁出現大面積傾覆,發(fā)生了安全事故.

1.2 地質與水文條件

(1) 地形、地貌.項目所在場地平坦,高程在36.50～41.39 m之間,地貌是經過渾河長時間的沖刷作用而出現的平原,屬于渾河高漫灘區(qū).

(2) 地層結構.根據實地勘察與室內試驗分析,場地土質分層如下.

①-1耕土.呈黃褐色,構成成分包括黏性土以及植物根系等.稍濕,結構松散.該層分布場區(qū)大部,主要分布于18#～20#、27#、28#、41#鉆孔,厚度0.50 m,層頂標高39.10～40.05 m.

①雜填土.濕度較小,表層較松散.該層分布不連續(xù),在18#～20#、27#、28#、41#鉆孔缺失,層厚0.50～8.50 m,層頂標高36.50～41.39 m.

②粉質黏土.黃褐色,可塑偏軟狀態(tài),中高壓縮性.存在鐵質結核,切面稍微散發(fā)光澤,沒有搖振反應,干強度、韌性中等.該層分布不連續(xù),在場地東北角處缺失,層厚0.80～4.40 m,層頂標高35.84～39.55 m.

③-1細砂.黃褐色,顆粒較均勻,級配不佳,圓形顆粒為主,含黏性土約占15%,濕度較低,緊密度差.該層呈透鏡體分布,層厚0.40～3.20 m,層頂標高34.69～37.50 m.

③中粗砂.黃褐色,級配不佳,該層分布不連續(xù),雜填土較厚地段缺失,層厚處于0.40～3.00 m的范圍內,層頂標高34.47～36.65 m.

④礫砂.黃褐色,級配不佳,該層分布基本連續(xù),層厚0.60～5.00 m,層頂標高32.11～37.26 m.

⑤-1中粗砂.黃褐色,級配不佳,該層分布不連續(xù),主要分布于場地中部,層厚1.10～2.40 m,層頂標高31.51～33.10 m.

⑤礫砂.黃褐色,顆粒均勻,級配不佳.該層分布不連續(xù),層厚0.80～3.60 m,層頂標高31.21～32.80 m.

⑥礫砂.黃褐色,顆粒不均勻,級配不佳.局部含有圓礫及粉質黏土夾層,該層分布全區(qū),本次勘探未穿透該層,最大揭露厚度為12.10 m,層頂標高30.12～31.25 m.

各土層物理力學性能指標見表1.

表1 土層物理力學參數Table 1 Physical and mechanics parameters of soil

注： ①-1耕土分布較少,故計算時不予考慮.

2 事故原因分析

2.1 基坑原設計方案

本基坑共3個剖面,原方案采用鋼管樁加預應力錨索,樁間噴射細石混凝土的組合垂直支護,場地形狀如圖1所示.

圖1 場地平面圖Fig.1 Plan of site

1-1剖面在基坑南側,護坡樁使用的是鋼管樁,直徑159 mm,壁厚6 mm,長度9 m,樁間距400 mm,樁頂位于-1 m處.此剖面設1排錨索,位于-2.5 m位置,長度13 m,錨索角度15°,水平間距1.6 m.樁間噴射C20細石混凝土,厚30 mm,內設電焊網.1-1剖面支護結構見圖2.

圖2樁錨支護結構(1-1剖面)Fig.2 Structure of pile anchor support(section 1-1)

2-2剖面在基坑北側,護坡樁使用鋼管樁,直徑159 mm,壁厚6 mm,長度9 m,樁間距400 mm,樁頂位于地表處,此剖面由于距離長白內河較近,故設2排錨索,第1排錨索位于-2 m處,長度10 m,錨索角度15°;第2排錨索位于-3.5 m處,長度10 m,錨索角度15°,水平間距1.6 m.樁間噴射C20細石混凝土,厚30 mm,內設電焊網.2-2剖面支護結構見圖3.

圖3 樁錨支護結構(2-2剖面)Fig.3 Structure of pile anchor support(section 2-2)

3-3剖面在基坑東側,該區(qū)域雜填土較厚,深度3.50～8.50 m,在建筑紅線外有1排管道,管道直徑2 m.此剖面護坡樁使用鋼管樁,直徑159 mm,壁厚6 mm,長度12 m,樁間距400 mm,樁頂位于地表處,錨索位于-1.5 m,即管道上表皮的位置,長度15 m,水平間距1.6 m,錨索角度15°.樁間噴射細石混凝土,厚度30 mm,內設電焊網.3-3剖面支護結構見圖4.

2.2 調整方案

事故出現以后,通過重新計量規(guī)劃,對錨索體系進行更改.決定采用2排錨索.第1排錨索位于管道上表皮-1.5 m的位置,長度23 m,錨索角度15°,第2排錨索位于下表皮-3.5 m的位置,長度18 m,錨索角度15°,水平間距1.2 m,樁間噴射混凝土參數不變.其支護結構見圖5.

圖4 樁錨支護結構(3-3剖面原設計)Fig.4 Structure of pile anchor support (initial design of section 3-3)

圖5 樁錨支護結構(3-3剖面更改后)Fig.5 Structure of pile anchor support (after the alteration of section 3-3)

2.3 基坑支護結構穩(wěn)定性分析

采用理正深基坑支護F-SPW 7.0版軟件進行基坑支護結構穩(wěn)定性計算,整體穩(wěn)定計算方法采用瑞典條分法,土條寬度取1.00 m,穩(wěn)定計算應力采用有效應力法,剛度折減系數K取0.850,內力計算方法采用增量法,支護結構安全等級為2級,支護結構重要性系數取1.0,支護結構采用無冠梁無防水帷幕方式,工況信息如表2所示.

圖6與圖7分別為事故前地勘報告中給出的參數值和事故后實際測得的參數值,當開挖深度為1.5 m時,原設計樁頂位移微小,符合位移要求,如圖6所示.而實際樁頂位移為15.51 mm,有較明顯位移,如圖7所示.

表2 工況信息Table 2 Work condition information

當第1道錨索施工時,原設計樁頂出現向主動土壓力區(qū)的位移,說明錨索進入服役狀態(tài),可以較好地抵抗側向土壓力,如圖8所示.事實上在第1排錨索服役時無法充分抵抗被動土壓力區(qū)的土壓力,樁頂位移微小,如圖9所示.

圖6 工況1內力圖(事故前)Fig.6 Internal force diagram forwork condition 1 (before the accident)

圖7 工況1內力圖(事故后)Fig.7 Internal force diagram forwork condition 1 (after the accident)

圖8 工況2內力圖(事故前)Fig.8 Internal force diagram forwork condition (before the accident)

圖9 工況2內力圖(事故后)Fig.9 Internal force diagram for work condition 2 (after the accident)

當基坑開挖至基坑底部時,原設計中樁身各截面內力值均屬正常范圍,如圖10所示.實際中樁身中部不能抵抗側向土壓力,位移大,發(fā)生向基坑內側傾覆現象,如圖11所示.

圖10 工況3內力圖(事故前)Fig.10 Internal force diagram for work condition 3 (before the accident)

圖11 工況3內力圖(事故后)Fig.11 Internal force diagram for work condition 3 (after the accident)

在原設計包絡圖(圖12)中顯示,樁身各截面內力均屬于正常安全范圍,符合規(guī)范要求.在圖13所示的實際結構包絡圖中,樁身各截面內力變動明顯,并不滿足規(guī)范[1,4-6]規(guī)定的要求.

圖12 包絡圖(事故前)Fig.12 Envelope diagram(before the accident)

原設計中嵌固段基坑內側土反力驗算如下.

工況1:

Ps=139.872≤Ep=552.837,土反力滿足要求.

工況2:

Ps=133.022≤Ep=552.837,土反力滿足要求.

工況3:

Ps=69.016≤Ep=200.443,土反力滿足要求.

實際結構中嵌固段基坑內側土反力驗算如下.

圖13 包絡圖(事故后)Fig.13 Envelope diagram(after the accident)

工況1:

Ps=187.892>Ep=156.402,土反力不滿足要求.

工況2:

Ps=174.224>Ep=156.402,土反力不滿足要求.

工況3:

Ps=161.500>Ep=98.246,土反力不滿足要求.

以上各式中:Ps為作用在擋土構件嵌固段上的基坑內側土反力合力,kN;Ep為作用在擋土構件嵌固段上的被動土壓力合力,kN.

通過分析可知,各工況內力圖信息反饋和重新實驗測得的數據計算結果均不滿足要求,樁頂的位移大于安全范圍,各個工況擋土構件所抵抗的內側土反力合力也均沒有超過實際土壓力,原因是設計階段就沒有充分考慮安全問題,為此次事故埋下了隱患.

2.4 施工原因分析

(1) 由于建筑紅線外有1排管道與支護樁平行,錨索施工時為避免碰到管道,在施工時把錨索入射角度調小,同時由于2次補漿不充足,錨索錨固段存漿量低,預應力施工時未能達到設計值,所以導致整體結構沒達到規(guī)范要求[1,4].

(2) 當天晚上土方單位開挖,在未告知業(yè)主單位、總包單位以及基坑支護單位的情況下,擅自對該剖面超挖探砂,以至于在支護結構沒有完全建立,并且服役的情況下發(fā)生結構破壞.

通過測算可知,支護樁的樁底埋置越淺,結構出現事故的概率越高,使用理正深基坑支護F-SPW 7.0版軟件計算,采用原地勘報告給出的參數開挖到-8 m位置時,截面的內力如圖14所示.

圖14 工況3內力圖(超挖)Fig.14 Internal force diagram for work condition 3 (over excavation)

總結分析計算所得的結果和工況3時的內力圖(圖14)可知,在原設計下超挖導致樁底埋置深度降低也是導致事故發(fā)生的原因之一.所以在原設計參數(土體的內摩擦角和黏聚力)選取值均低于實際值的情況下,極大地增加了事故發(fā)生的可能性.

3 結 語

(1) 土層黏聚力和內摩擦角的降低會直接影響支護結構的安全性,第1排錨索在支護結構中承擔較大反力,故設計時應仔細計算.

(2) 由此基坑支護工程出現的問題來說,有關責任主體缺少巖土領域知識,經驗不足,規(guī)劃存在缺陷.深基坑工程存在非常大的風險,事故具有一定的突發(fā)性.所以從業(yè)人員應該擁有較高的業(yè)務素質,較全面的專業(yè)知識和較高的風險意識.

(3) 施工過程中,有關單位和部門應該及時溝通,嚴格按照圖紙要求進行施工,嚴禁為追求速度而冒險,嚴禁超挖現象.施工企業(yè)應該對現場管理進行強化,提高施工質量.

(4) 基坑設計單位應向基坑施工單位及時了解現場情況,在設計時考慮盡量減少施工難度.設計單位與施工單位應該適時進行交流,恰當應對突發(fā)事件,保證基坑施工的安全,防范事故的出現.

(5) 業(yè)主單位應對基坑工程加以重視,雖然基坑支護是一個臨時結構,但它的風險很高,一旦出現事故,經濟損失和社會影響巨大.