某重力式水泥土墻基坑事故分析與處理措施

賈 華 吳連祥

(啟東市建筑設計院有限公司，江蘇 啟東 226200)

重力式水泥土墻作為無支撐自立式支擋結構是基坑工程中常見的支護形式，應用于軟土地區(qū)挖深不超過7 m的基坑[1，2]。重力式水泥土墻基坑時有出現變形過大、墻體開裂、剝落，進而導致墻體坍塌、傾覆等問題[3-5]，形成安全隱患。本文結合某重力式水泥土墻基坑事故實例，分析發(fā)生事故的原因，并提出合理的處理措施。

1 概況

1.1 工程概況

工程位于南通市，主要由 3幢17層住宅及1層地下室組成，采用整體樁筏基礎?；用娣e1.2萬m2，基坑周長470 m，開挖深度5.0 m～6.0 m。基坑東側6 m處為小區(qū)道路；南側和西側為住宅，距離12 m～15 m；北側6 m處為小區(qū)圍墻?；拥臇|、西和南側地下1 m左右有煤氣、供水管線，最近處約6 m。

1.2 場地工程地質及水文地質概況

根據勘察資料，場地土層為第四系河流～濱海交互沉積層，由軟黏土和粉土組成?；拥孜挥诘冖趯榆涴ね辽?，該土層為高壓縮性、高含水率、低透水性。場地地下水類型為孔隙潛水，主要補給來源為大氣降水，常年水量豐富，地下水位高。上部黏性土透水性弱，下部砂性土透水性強?；又ёo計算參數見表1。

表1 基坑支護計算參數

1.3 基坑設計概況

基坑結構安全等級為二級。基坑的東側、西側和西南角采用重力式水泥土墻加坑內加固的支護方案，水泥土墻和坑內加固均采用六排φ700雙軸水泥土攪拌樁，格柵式布置，墻寬3.2 m，冠梁采用200 mm厚C20混凝土，攪拌樁進入第④層粉土夾粉砂1.0 m左右，坑內加固深度4 m；其余側采用放坡加多排鋼管土釘的支護方案。

2 重力式水泥土墻事故情況及原因分析

2.1 事故情況

基坑從東南角，以一次性開挖到底的形式，倒退開挖。隨著開挖的進行，即發(fā)現重力式水泥土墻內側前排攪拌樁位移過大，攪拌樁樁頂與壓頂板脫離。期間又連續(xù)大雨，開挖的基坑被雨水浸泡多天。隨著后期繼續(xù)開挖, 擋墻向坑內方向的水平位移顯著增加。多處攪拌樁樁體斷裂坍塌。在擋墻基坑內側中部出現水平向長裂縫，且有繼續(xù)發(fā)展、擴大的趨勢。擋墻外側土體沉降明顯，基坑旁小區(qū)道路沉降、開裂。

事故發(fā)生后，施工方沿擋墻進行土方回填，同時坑邊超載移除，最后回填至20 m寬狹條狀區(qū)域后，控制住了水泥土墻的變形及裂縫。

2.2 事故原因分析

根據現場情況及相關資料分析，出現如上問題主要有以下幾個原因：

1)攪拌樁施工質量差，攪拌樁樁頂與壓頂板多處脫離，形成空洞。通過取芯抗壓強度試驗發(fā)現，位于第②層的芯樣強度過低，因此該層深部位置出現多條水平裂縫。后經調查確認，攪拌樁水泥摻量不足。

2)未按圖施工，只做了少部分被動區(qū)加固；也未按要求分層開挖，與第②層土形成的水泥土強度原本較低，現暴露在空氣中的時間不足，強度增長有限。

3)基坑開挖期間降水較多。墻體內通過空洞浸入較多雨水；擋墻外側雜填土表面未做硬化處理，滲入雨水，增大了水荷載，同時降低了土體的抗剪強度，促進了基坑的位移。

4)各方管理松散?；油鈧入S意堆放鋼筋、木材等；也未進行監(jiān)測工作，沒有監(jiān)測數據，指導施工單位進行信息化施工。

3 常用處理措施適用性分析

出現如上問題，必須采取有效的處理措施，避免發(fā)生傾覆、倒塌的危險。重力式水泥土墻作為懸臂式支擋結構，可以考慮兩類處理措施：1)減少作用在支擋結構上的力；2)改變支擋結構的受力形式。下面對幾種常用處理措施進行分析。

3.1 減少作用在支擋結構上力的措施分析

1)減少基坑超載。移除臨近基坑的堆載，限制施工車輛通行，對控制基坑變形是有效和快捷的常用措施。

2)基坑外降水。對地基土為透水性較好的砂性土場地，可以在支擋結構外側布置輕型井點降水，降低坑外水位，減小水壓力。此方法不適用于微透水性的黏性土場地。

3)基坑外卸土。擋墻背后直接卸土，也可削坡卸土，減小坑外土壓力，但此方法需要有卸土的空間。

4) 結合現場支護樁破壞的形態(tài)，開挖面以上出現多道水平裂縫，基坑可能發(fā)生沿坑底處傾覆的危險，故研究如何有效減少基坑開挖面以上土壓力具有較大的實際意義。分別按黏性土和砂性土兩種土質情況，探討基坑外超載、降水深度和卸土深度變化對基坑開挖面以上土壓力的影響，砂性土計算用參數1替代第②層土參數，結果如圖1所示。圖1中的相對土壓力Ei/Emax指各工況下基坑開挖面以上土壓力與最大土壓力的比值。

由圖1a)可知，隨著坑外超載的減少，土壓力相應的減少。從數值上看地基土為黏性土的場地，土壓力減小的幅度明顯大于砂性土的場地。由圖1b)可知，隨著坑外降深的增加，土壓力逐漸減?。划斂油饨瞪钚∮?.7倍左右基坑開挖深度時，土壓力減小幅度非常顯著；再增大降深對土壓力的減小效果甚微。因此，采取坑外降水措施存在一個最優(yōu)的降深范圍，經分析合理降深為0.7倍基坑開挖深度。由圖1c)可知，隨著坑外卸土深度增加，土壓力相應的減少。圖中兩條曲線斜率基本一致，說明不同類型地基土，坑外卸土對土壓力的影響基本相同。

綜上所述，因地制宜合理選擇采取減少基坑外超載、坑外降水和坑外卸土等措施，能有效減少作用在支擋結構上的土壓力。

3.2 改變支擋結構的受力形式的措施分析

1)注漿土釘處理。打入多排注漿鋼管土釘，加固水泥土墻和墻后土體，有效提高土的整體強度。該方案加固處理工期相對較長；支護結構需進一步產生位移，土釘才起作用；在滑裂面內有構筑物時也不宜采用土釘支護。

2)預應力錨桿處理。打設錨桿后，加預應力鎖定在水泥土墻內側。若水泥土墻體破碎、裂縫較嚴重，可在擋墻內側打設拉森鋼板樁后，通過槽鋼鎖定在鋼板樁上。該方法施工周期長，費用較大，打設錨桿需要外部空間。

3)型鋼雙排樁處理。在水泥土墻內側打設拉森鋼板樁，擋墻外側打設型鋼，在樁頂設置冠梁及連板。該方案施工相對便捷，但費用較大，打設鋼板樁時也可能會加劇原擋墻的損害。

4)斜撐處理。在水泥土墻上口適當部位加鋼支撐，另一端撐在底板上或獨立基礎上。此方案施工方便，可分段施工，隨挖隨支。可根據位移監(jiān)測數據、擋墻情況，按需設置支撐。斜撐方案在施工工期及經濟上都有較大的優(yōu)勢，最后確定采用此方案。

4 處理措施實施及效果

4.1 處理措施實施要點

1)移除基坑邊堆載，對表層填土硬化處理，基坑外形成的裂縫用水泥砂漿封堵。

2)清理斷裂的攪拌樁，封堵擋墻上的空洞，對攪拌樁破損嚴重的區(qū)域，加插槽鋼后，噴射細石混凝土。

3)設置豎向斜撐。根據現場準備的應急材料，腰梁和斜撐都采用20號工字鋼，斜撐間距3.5 m～5 m，斜撐水平方向用16號槽鋼設置聯系桿。在擋墻水平裂縫附近設置腰梁，斜撐下端傳力至鋼筋混凝土獨立基礎上，基礎底板尺寸2.0 m×1.8 m，加固處理剖面見圖2。

4.2 豎向斜撐的設計

1)擋墻水平反力計算。

在水泥土墻頂下1.8 m處設支撐點，采用基坑商業(yè)軟件計算得出擋墻水平反力fh=38 kN/m。

2)型鋼腰梁計算。

腰梁按簡支梁計算彎矩：

雙拼20號工字鋼抗彎計算：

雙拼20號工字鋼抗剪計算：

3)型鋼斜撐計算。

20號工字鋼斜撐按軸心受壓構件計算，斜撐傾角30°，則:

4)斜撐基礎計算。

斜撐基礎承擔豎向分力Fv和水平向分力Fh及彎矩Mk，作用力分解示意圖如圖3所示。

Mk=Fkheh-Fkvev=133×0.45-76.8×0.385=30.28 kN·m。

a.豎向承載力驗算。

pkmax=62.8 kPa≤1.2fa=1.2×65=78 kPa;pkmin=12.35 kPa≥0，滿足要求。

b.水平滑移驗算。

地下室基礎板底原設100 mm厚素混凝土墊層，在斜撐基礎厚5 m～10 m范圍內墊層加厚至200 mm，如圖4所示。所有墊層及工程樁連接為一整體，可以提供足夠的水平抗滑力。

斜撐基礎的尺寸多由水平承載力控制，完全滿足計算要求，基礎尺寸需3.0 m×2.5 m，難免過大。根據多處工程經驗，水平承載力驗算達到0.7以上，再通過加厚墊層等措施，能滿足水平抗滑要求。

4.3 處理效果

通過采用型鋼斜撐及一系列措施后，有效控制了擋墻水平裂縫的發(fā)展。后續(xù)施工過程中，加強了對基坑變形的監(jiān)測。根據監(jiān)測數據及時控制和調整土方開挖進度及設置型鋼斜撐加固區(qū)域，較好的控制了支擋結構的位移。至地下室施工結束，增設斜撐的區(qū)域增加的水平位移最大15 mm，基本達到了控制變形、確保水泥土墻安全的要求。

5 結語

重力式水泥土墻基坑支護形式被廣泛使用的同時也發(fā)生了較多的事故和險情。歸其原因，是參建各方對臨時支護工程不夠重視，在施工過程中因各種不利因素綜合影響造成的。重視和科學控制基坑實施中的各環(huán)節(jié)，基坑事故是可以避免的。處理基坑事故應根據場地地質情況和周邊環(huán)境控制要求，選擇合理方案，保證基坑安全并減少對周圍環(huán)境的影響。

在基坑外無法有效減少支擋結構受力的情況下，通過采用了基坑內型鋼豎向斜撐的方案，有效控制了基坑變形的發(fā)展，且經濟費用不大，為類似基坑加固及設計提供一定的借鑒作用。