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(jì)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(jì)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(jì)要求、卸土放坡范圍不足、錨桿抗拔承載力取值過高等5個(gè)方面進(jìn)行了事故原因分析和模擬工況單元內(nèi)力計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)，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(jì)要求，10%的基坑出現(xiàn)險(xiǎn)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)表

圖2 基坑支護(hù)剖面圖

1.3 原支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)方案冷凍機(jī)房計(jì)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。坑外設(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(jì)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(jì)算，單元計(jì)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(jì)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(gè)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(shí)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(bào)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(jì)計(jì)算過程可以看出，錨桿設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)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(jì)安全性的要求。模擬工況采用理正軟件進(jìn)行單元計(jì)算分析如下。

3.1 設(shè)計(jì)時(shí)挖土深度考慮不足，施工超挖

方案設(shè)計(jì)時(shí)，冷凍機(jī)房挖土計(jì)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(shí)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(jì)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(jì)算結(jié)果為:

單元計(jì)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(shí)降低了錨桿抗拔承載力。現(xiàn)按原計(jì)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(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行0.9折后模擬單元計(jì)算結(jié)果為:

單元計(jì)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(jì)水平間距為1.00 m。施工時(shí)為避開塔吊樁基，錨桿間距在沒有告知設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果為:

單元計(jì)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(jì)要求

根據(jù)設(shè)計(jì)方案要求，基坑大面積開挖前應(yīng)按設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果為:

單元計(jì)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(jì)方案計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算，錨桿自由段長度計(jì)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(jì)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(jì)提供的Rk=169.65 kN/根降低29%。原設(shè)計(jì)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(jì)算模擬后，內(nèi)力分析如圖4所示。根據(jù)計(jì)算可知，單元計(jì)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(jì)算匯總表

圖4 綜合因素作用下內(nèi)力計(jì)算

以上5個(gè)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(shí)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(bào)告提供的土體力學(xué)性能指標(biāo)也是影響設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果匯總見表2。從表2可以得出如下結(jié)論。

（1）計(jì)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(jì)要求、卸土放坡不足、錨桿抗拔承載力取值過高等5個(gè)因素單獨(dú)作用時(shí)計(jì)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(gè)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(jì)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(jì)計(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果，計(jì)算挖土深度不足、不良地質(zhì)作用這兩個(gè)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(jì)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(shí)必須正確計(jì)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(jì)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(bào)，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(jì)規(guī)范［S］.

［5］ CEC S22:90，土層錨桿設(shè)計(jì)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(jì)研究院巖土設(shè)計(jì)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(jì)及施工方面的設(shè)計(jì)研究工作，浙江省寧波市江北區(qū)槐樹路40號，xiongchuyan@163.com。