黄土基坑工程病害原因分析_杨波.pdf

179建筑科技2023 年 第 3 期研究与探讨Research and Discussion黄土基坑工程病害原因分析Analysis of the Causes of Loess Foundation Pit Engineering Diseases杨波,孙文甘肃省建筑科学研究院（集团）有限公司,甘肃 兰州 730070摘要：为研究黄土基坑工程病害原因,针对基坑工程危险性较大的属性,通过总结工程经验和资料,结合黄土自身的物理力学特性,分析总结黄土基坑工程事故原因和事故的特点。以实际工程为例,分析病害事故的主、次要原因,提出在黄土基坑工程施工过程中应注意主动支护和被动支护相结合,在基坑开挖施工初期即要重视加强监测巡护,做好施工质量控制的建议,可对相关工程的规范施工及病害预防提供借鉴。关键词：黄土;基坑工程;病害调查;复合土钉墙中图分类号：TU444 文献标识码：A 文章编号：2096-3815（2023）03-0179-040引言基坑工程是建筑施工最早开始的阶段,是建筑地基基础及上部结构施工质量好坏的先决条件,能直接影响建筑物整体的使用效果和主体结构施工中的人民生命财产安全。基坑工程涉及地质、水文、岩土、材料、环境等多个学科,是一个综合性的系统工程。如果在勘察、设计、开挖、支护和使用过程中,对基坑工程稳定性影响因素认识不到位,极有可能发生开裂、隆起、倾覆甚至坍塌等事故,从而造成极大的安全事故。因此,一直以来基坑工程都是国内外工程技术人员关注的热点和难点。黄土广泛分布于我国甘肃、陕西、青海、山西一带,其特殊的物理力学特性形成了特殊的受力变形特点,对该区域内基坑工程的设计、施工和监测等工作造成了一定的影响。因此,有必要在黄土基坑工程实例的基础上,分析总结黄土基坑工程事故原因和事故的特点,提出经济可行的预防和事故处理措施,保障工程质量和人员安全,避免不必要的损失,为建筑工程绿色化施工打好基础。同时,也可为相关工程提供借鉴,提高施工的规范性及病害预防的效果,具有良好的社会及环境效益。1基坑工程事故原因分类通过对国内外基坑工程安全事故的调查分析,可以将基坑工程事故分为以下几类。（1）勘察数据不准确。工程勘察是了解施工场地地质水文条件最直接和最准确的手段。影响基坑工程稳定性最大的因素是场地的地层岩性,如果勘察阶段取得的各项参数不准确或出现错误,那么将直接影响后续支护结构及降水方案的设计,对基坑工程造成极大的安全隐患。目前,在建筑场地前期勘察中,建设方为了节省勘察费用而减少勘察点位的情况时有发生,勘察单位勘察深度不够、操作不规范、经验不足的现象也屡见不鲜,以上情况均对基坑工程设计造成了不良影响,为后续基坑支护的设计埋下了安全隐患。（2）设计方案不合理。设计方案不合理的主要原因有：基坑工程支护设计理论不完善、设计参数取值不准确、支护结构选型不适合、设计人员缺乏施工经验等。虽然随着基坑支护设计软件的不断完善,为设计人员提供了极大的便利条件,但是在基坑工程支护结构的设计过程中,还是会因经验缺乏,造成设计方案安全储备过大、过小或与施工现场实际情况不符等问题。180建筑科技2023 年 第 3 期研究与探讨Research and Discussion（3）现场施工不规范。根据历次工程事故原因调查分析可知,现场施工不规范占极大比例,特别是基坑工程属于隐蔽性工程,建设方在现场施工过程中往往为了追赶进度,没有严格按照设计方案计算的结果而是根据自身经验进行施工,导致存在超挖、工序颠倒、支护滞后、喷射混凝土厚度不够、注浆不到位、土钉锚杆长度不足、锚杆（索）锁定值不够、不及时等现象,这些问题会形成安全隐患,甚至发展成严重的安全事故。（4）周边环境变化大。黄土对环境变化的敏感性较强,温度、含水量、应力场等因素的变化均会对黄土的物理力学性质造成较大的影响,如地下管线渗漏、降水量激增、基坑周边堆载增大等。在基坑支护方案设计过程中,如果对以上问题认识不准确或设计安全储备量不足,在基坑周边环境出现急剧变化时处置措施不当或不及时,往往会造成难以估计的严重事故。（5）其他人为因素。除了技术因素和客观因素外,还存在建设方盲目干预设计、施工具体事项的现象,甚至由于工程款拖欠、施工手续不齐全等原因造成基坑开挖后长期搁置,超过设计安全使用期限,严重影响基坑工程设计合理性、施工质量等。2黄土基坑工程事故特点我国是世界上黄土覆盖范围最广、厚度最大的国家,以西北地区及华北平原地区为代表,基本上属于黄土地貌。黄土的颜色多为黄色或褐色,特性、质地均一,颗粒组成以粉粒为主,孔隙比较大,在干燥时较坚硬,一旦被流水浸湿,容易剥落和遭受侵蚀,有时会发生坍陷。黄土地貌土质疏松,易受侵蚀,抗震性差,容易发生剧烈的沉陷和变形。由于黄土的基本特征,导致黄土基坑工程被破坏的特点有以下几方面。（1）破坏形式多为倾覆破坏。黄土由于自身的直立特性、较高的内摩擦角、较低的黏聚力等特点,黄土基坑工程坡度多在7590之间,因此,黄土基坑工程的破坏多为倾覆破坏。（2）破坏过程迅速。非饱和黄土自身强度较高,但黏聚力较小,黄土基坑从出现破坏征兆到整体发生坍塌的过程时间很短,其破坏往往具有突发特性。（3）破坏危害大。由于黄土基坑工程的破坏形式多为倾覆破坏和破坏过程的突发性,导致黄土基坑工程破坏时留给现场施工人员应急、反应的时间很短,往往会造成较为严重的后果。（4）局部破坏易发。黄土自身易被流水侵蚀的特点与其自身在非饱和状态时强度较高的差异,导致黄土基坑局部状态发生变化时,其敏感性较高,会立即破坏,其他状态未发生变化的部位仍然能保证一定的强度和稳定性。3工程事故实例概况项目场地位于甘肃省中部,属西北黄土高原黄土丘陵沟壑区。拟建项目地上部分由综合性市政道路及2层商铺组成,地下部分为1层地下商场。地下商场（包括商铺地下室）底板埋深约4.8 m,设计中基坑开挖深度为7.0 m,以0.00标高开始计算。3.1地质概况勘察查明,拟建场地内分布的地层主要有：第4系全新统人工填土层（Q4ml）、第4系全新统冲洪积层（Q4al+pl）和第3系泥质砂岩（N2）。现将场地地层由上而下分述如下。杂填土(Q4ml)：层底标高1 631.111 631.75 m,层厚0.702.30 m,厚度平均值1.37 m,层底埋深范围值0.702.30 m。粉土(Q4al+pl)：层底标高1 624.311 625.32 m,层厚6.007.20 m,厚度平均值6.60 m,层底埋深范围值7.508.50 m。卵石(Q4al+pl)：层底标高1 620.421 624.52 m,层厚0.304.00 m,厚度平均值2.23 m,层底埋深范围值8.1011.90 m。泥质砂岩（N2）：层底标高1 617.021 624.41 m,层厚0.204.60 m,厚度平均值1.39 m,层底埋深范围值8.4016.10 m。据区域水文地质资料,本次勘察全部勘探点未遇地下水。根据区域水文地质资料和调查访问,场地属于基岩裂隙水,埋深大于20 m。地下水补给来源主要为北部山区的降雨入渗,并以地下迳流方式通过含水层向南排泄流入黄河,少部分以蒸发方式排泄。总体来看,该区水文地质条件简单,可不考虑对本工程的影响。3.2基坑概况本基坑工程最大深度为7.0 m,东西向最大长度185.8 m,南北向最大长度45.0 m。基坑南北两侧为多层住宅楼,其住宅围墙距离基坑上边线约35 m,东西两侧为道路和施工场地,较为空旷。支护形式均采用预应力锚杆复合土钉墙支护,根据基坑周边环境设计2个典型支护剖面。如图1所示,剖面（a）主要分布于基坑南侧J-A-B、C-D-E段,坡角90,设置4排土钉和1道锚杆,锚杆预加力70 kN;剖面（b）主要分布于基坑北侧B-C、E-F-G-H-I-J段,坡角78,设置4排土钉和1道锚杆,设计锚杆预加力70 kN。复合土钉墙设计参数具体如表1所示。181建筑科技2023 年 第 3 期研究与探讨Research and Discussion（a）剖面施工图 （b）剖面施工图图2剖面施工图表 1复合土钉墙设计参数剖面1-1(J-A-B、C-D-E)2-2（B-C、E-F-G-H-I-J）坡角/9078支护面水平距离/m0.01.5支护面竖向距离/m7.07.0土钉钻孔直径/mm100100土钉排数44土钉自上而下长度/m8.0、6.0、5.0、4.08.0、6.0、5.0、4.0土钉垂直间距/m0.8、2.6、1.3、1.30.8、2.6、1.3、1.3土钉水平间距/m1.5、1.5、1.5、1.5、1.5、1.5、1.5、1.5、土钉倾角/1212土钉钢筋种类及直径/mm122122土钉抗拔承载力标准值/kN60、100、70、70、60 90、100、80、70、65土钉间水平加强筋216216锚杆排数11锚固体直径/mm150150锚杆长度/m12.012.0锚杆锚固长度/m7.07.0锚杆垂直间距/m2.12.1锚杆水平间距/m1.31.3锚杆倾角/1515锚杆钢筋种类及直径/mm122122锚杆抗拔承载力设计值/kN100100锚杆预加力/kN7070灌浆体强度等级/MPaM20M20喷射混凝土面层厚度/mm8080喷射混凝土面层强度等级C20C20面层钢筋网82008200设计方案要求土方开挖前,必须调查清楚地下设施的种类、尺寸、位置和埋深,并请相关单位派人现场监护和指导施工。土方开挖不得乱挖、超挖,开挖中发现有未曾查明的地下管涵以及地质情况有变化时,通知设计单位处理。临近房屋等建（构）筑物、道路的开挖应注意观测和防护,确保建（构）筑物及施工安全。开挖前应做好施工区域内地面积水、雨水、地下渗水的排水工作。每次开挖深度不超过1.3 m。根据设计要求,每开挖至1道土钉或锚杆为1个工况,直至基坑坑底,分6层开挖,共6个工况。剖面（a）和（b）每层工况开挖后的整体稳定验算结果如表2所示。表2整体稳定验算结果剖面工况号安全系数圆心坐标x/m 圆心坐标y/m半径/m（a）11.362-0.6358.8653.22821.918-7.66916.28014.14032.275-8.47215.79015.25842.164-9.03315.49016.40251.922-9.49215.28117.56661.905-9.14813.91316.651（b）11.5030.5778.8653.22822.846-1.49410.2346.32032.908-4.83615.30113.38142.694-3.87014.83613.71252.296-4.09113.83913.98462.231-3.48113.76214.195由表2可知,由于剖面（a）较剖面（b）坡度更大,因此,计算得剖面（a）各工况整体稳定性安全系数均小于剖面（b）。此外可以看出,剖面（a）各工况整体稳定安全系数最小为1.362,出现在工况1,最大为2.275,出现在工况3;剖面（b）各工况整体稳定安全系数最小为1.503,出现在工况1,最大为2.908,出现在工况3。随着基坑的开挖,2个剖面整体稳定安全系数变化呈现由小增大,再逐渐减小并趋于缓慢的过程,可见在基坑开挖初期,是基坑整体稳定性波动期,需要在施工时特别关注,严格按照规范及设计方案要求施工。4病害原因调查4.1事故调查从基坑工程概况可知,该基坑除南北两侧距离多层居民楼住宅较近外,东西两侧较为空旷,基坑开挖深度相对较浅,地下水埋深较深,不会对基坑开挖使用造成影响,整体周边环境较为简单。182建筑科技2023 年 第 3 期研究与探讨Research and Discussion该基坑分片区开挖过程中在北侧多层居民楼住宅散水和围墙处出现了裂缝,严重影响了居民楼以及基坑使用安全。基于此,施工单位按照应急预案,采用堆土回填的方法,对病害严重部位进行了处理,控制了基坑边坡的继续变形,并对基坑病害原因进行了调查。通过现场踏勘可见,基坑北侧多层居民楼出现了散水与墙体脱离、院墙与墙体脱离现象,此外,散水和院墙自身也出现了裂缝,最宽处4 cm。散水与院墙出现病害,基坑的土方开挖是直接诱因,可见在基坑开挖过程中,造成了基坑周边土体出现了较大的位移和沉降。如果不采取措施,必然会引起更严重的损失和事故。4.2原因分析根据基坑破坏踏勘情况,对基坑施工现场进行了调查发现,该基坑出现病害事故的主要原因是施工不规范,主要有如下几点。（1）超挖和工序颠倒。根据现场调查结果显示,该基坑工程土方施工存在一定的超挖现象,施工方不但未按照1.3 m每层的要求进行开挖,还在上一层锚杆施工后还未施加预应力时,就进行了下一层土的开挖。因为锚杆未施加预应力,无法发挥对基坑侧壁土体水平位移的主动控制作用,造成基坑坡面位移过大,坡顶出现裂缝等破坏,是本次病害的主要原因。（2）基坑监测巡视不到位。在该基坑施工过程中,现场未及时对基坑和周边建筑物进行必要的监测和巡视,导致在基坑发生较大范围病害影响到周边建筑物正常使用时,才发现问题,造成了较大的损失,是本次基坑病害的次要原因。5对策分析针对基坑北侧居民楼及周边地面出现裂缝等病害的问题,结合现场病害原因分析,对该处采取如下应急对策。（1）对出现病害附近的基坑,在坡脚进行堆土回填,对未施加预应力的锚索立即拉拔锁定,待所有锚索施加预应力锁定后再进行下一层开挖。（2）对周边居民楼围墙和散水处的病害进行修补加固,消除安全隐患。（3）在后续基坑施工中,安排专人加强现场监测和巡视。（4）采用分小段开挖的方法,开挖长度减少至35 m,深度控制在1 m左右,规范施工过程,避免超挖,严格根据流程进行施工。对于还未土方开挖的基坑南侧剖面（a）,改为桩锚支护形式,并要求当排桩强度达到设计强度的70%后方可进行土方开挖及锚杆设置。必须坚持分层开挖,先锚后挖,开挖与支护结构施工密切配合,严禁超挖。锚索采用一次注浆,二次补浆,如果锚索的抗拉承载力达不到抗拉要求,则对锚索采用二次注浆工艺。剖面（a）改为桩锚支护形式后,经验算,其整体稳定安全系数为2.608,比采用复合土钉墙支护形式的最大安全系数提高约15%,更好地保证了开挖过程中周边建筑物及基坑使用的安全性。6结语由本次基坑工程病害调查分析可知：首先,土钉墙支护形式其受力形式具有被动性的特点,因此对于基坑坡面的位移约束较小,在对基坑水平位移要求较高的基坑中,要注意结合采用锚杆（锁）对基坑的位移进行主动约束;其次,在施工中,要严格遵守支护设计方案和现行规范的要求,严禁超挖、工序颠倒和偷工减料;最后,在基坑的开挖和使用过程中,要重视对基坑的监测和现场巡视,特别是在基坑开挖初期做好施工质量控制,做到早发现问题,早采取对策,最大程度控制风险和损失。收稿日期：2023-03-22作者简介：杨波,本科,工程师,专业领域为岩土地基、建筑工程,现供职于甘肃省建筑科学研究院（集团）有限公司。通信地址：甘肃省兰州市安宁区北滨河西路516号建研大厦2楼202室。