1、深基坑工程特点及现状
1.1 基坑越挖越深或为了使用方便,或因为地皮昂贵,或为了符合城管规定及人防需要,建筑投资者不得不向地下发展。过去建1~2层地下室,即使在大城市也不普遍,中等城市更为少见。现在在大城市、沿海地区尤其是特区,地下3~4层已很寻常,5~6层也有。因此基坑深度多在10~16m间,在20m左右的也为数不少。
1.2 工程地质条件越来越差
这一点在某些沿海经济开发区较为突出。
1.3 基坑周围环境复杂
重要高层和超高层建筑集中在人口稠密、建筑物密集的地方,并紧靠重要市政公路。而此处原有建筑结构陈旧,地上与地下管线密布。因此,基坑开挖不仅要保证基坑本身的稳定,也要保证周围的建筑物和构筑物不受破坏。
1.4 基坑支护方法众多
诸如人工挖孔桩,预制桩,深层搅拌桩,钢板桩,地下连续墙,内支撑,各种桩、板、墙、管、撑同锚杆联合支护,此外还有锚钉墙等。
2、深基坑工程事故的分析
通过工程事故实例的调查分析,对其原因提出如下看法:
2.1 设计方案失误
(1)方案选择错误。
此类工程事故出现较多,如济南某大厦工程,位于繁华市区,地上23层,地下3层,基坑深12m,场地狭窄,东、南、北三面距建筑物较近。施工单位提出,采用大直径灌注桩,设一土层锚杆,桩顶设混凝土圈梁的桩锚支护体系,需费用约100万元。建设单位提出,部分采用φ800悬臂灌注桩,部分采用φ150钢管悬臂桩,部分放坡方案,费用40万元。结果按建设单位方案:西侧采用1∶0.3放坡。东、南、西北浇筑C30的φ800悬臂灌注桩57根,@1800,桩长18m,悬臂12m,入坑底6m。北部用φ150钢管悬臂桩7根,@1000,桩长15m,悬臂12m,入坑底3m.结果几次断桩,塌方来势凶猛,均在瞬间发生,共造成坑内土方堆积3000m3,断桩23根,桩倾斜2根,7根φ150钢管歪倒。可见,基坑支护必需认真对待,绝不能为节省费用,随便定个方案。经分析,原先施工单位提出的方案还是可行的,建设单位乱定方案,不科学办事,结果是浪费了投资,拖延了工期,欲速则不达。
(2)实施方案与设计方案不符。
(3)止水帷幕力度不当。
如南京交通银行大楼,地上28层,地下室1层,基坑深6.7m.设计方案是:支护采用800悬臂灌注桩,@1000,桩长14m,在桩顶设800×500mm圈梁,桩嵌入坑底8.8m;防水及降水在排桩背后设高压旋喷混凝土,形成止水帷幕。坑东侧42m长,距房屋15m左右,采用1∶1放坡开挖。在坑内设3个深20m管井作为降水井。实施方案是:基坑加深0.7m至7.4m,桩长改为13m,桩嵌入坑底5.6m。放坡面因场地限制改为1∶0.3~0.5。为抢进度,桩顶圈梁未施工即开始挖土,且一次挖到设计标高。基坑开挖后,东南角桩间出现大量涌泥和流沙,支护结构向基坑内侧移位达20cm以上,桩后形成5~10cm地面裂缝,放坡地段滑移失稳,降水井失效,以至东南面的和平电影院严重开裂破坏,被迫停止拆除,北侧湖南路路面开裂,被迫采用土层锚杆加固,直接经济损失100多万元。可见,不按原设计方案施工,灌注桩与喷射混凝土未形成止水帷幕是基坑事故的主要原因。
2.2 设计计算错误
(1)锚杆计算错误。
如石家庄某高层建筑,建筑面积10万多平方米,地上28层,地下4层,基坑深达20.5m,东西长120m,南北宽100m.基坑用φ600灌注桩,@1000,桩长20m,入土5m,混凝土强度为C25,配12根φ22的Ⅱ级钢筋,桩顶设帽梁,帽梁顶砌5.5m高370砖墙作护墙,墙内有构造柱及压顶圈梁。护壁桩设三道130锚杆:第一道锚杆长15.5m,@2000;第二道锚杆长20m,@1500;第三道锚杆长18m,@1000.用槽钢与护壁桩相结合。1993年9月12日,施工完西部坑底垫层,施工管理人员发现基坑西部护壁桩间成片掉土,并有渗水现象,顶部砖墙外倾,顶部地面出现裂缝。9月15日西侧北部有部分腰梁槽钢脱落,部分锚杆螺母松动。施工人员将槽钢补焊接上,拧紧螺母。在坑顶局部挖土卸载。9月16日下午5时左右,基坑西部南北约50m的护壁结构迅速倒塌,折断钢筋混凝土桩48根,倒塌边缘距坑边约13m,护壁桩折成三段,折点分别在第二、三层锚杆处,第一层锚杆从土中完全拔出,第二、三层锚杆锚头拉脱,腰梁扭断开。经分析计算,第一道锚杆的锚固长度需25.6~30m,第二道锚杆的锚固长度需22~25m。可见倒塌的主要原因是设计中完全拔出,第二、三层锚杆锚头拉脱,腰梁扭断开。经分析计算,第一道锚杆的锚固长度需25.6~30m,第二道锚杆的锚固长度需22~25m。可见倒塌的主要原因是设计计算错误所导致。
(2)支护桩嵌入深度不够。
上海某工程基坑采用深层水泥搅拌桩做支护,基坑开挖深度5~7m,桩长12m,嵌入深度5m.开挖到5m时未发生事故,但开挖到7m时,发生管涌,涌砂涌水。由于大量砂土冒出,最终导致支护结构全部倒塌。仅加固费就增加投资30万元(原支护结构费80万元),工期延长2个月。经对管涌计算知,支护桩嵌入深度需7m。
2.3 施工管理方面的问题
(1)严重超挖,不遵守分层分段开挖原则;
(2)坑边过量堆载;
(3)管理混乱。
3、建议及对策
3.1 坚持分层分段开挖与支护的原则边坡破坏有一个从局部开始,逐渐扩大的过程。首先产生局部破坏的部位为突破点。当某部位土体应力达到或超过其强度时,突破点开始破坏,并引起周围土体力学性质的变化和临近部位应力的升值,使破坏面扩大。边坡开挖后,破坏了原自然土体的三向受力状态,在开挖面附近产生一个高能区。其中一部分能量传给周围土体,一部就成为使土体变形的动力。对近于直立的边坡,若一次开挖深度太大,积聚的能量就很大,有可能成为破坏的突破点而产生塌方。所以施工中必须控制开挖面的长度与深度,并进行快速支护,使支护尽早发挥效能,达到控制和消灭破坏突破点的目的。分层分段开挖并支护有利于边坡能量的释放。前期开挖掘层段的能量有一部分通过锚体传到土层较深部位,有一部分受已施工面板影响留在坡面浅层部位。当下一层段开挖后,就被后期开挖段吸收并释放。因此,分层分段开挖并支护的施工方法也是一个能量释放的过程,最后总的开挖能量留在坡面的较少,这对整个破面的稳定是有利的。
3.2 支护结构的发展本文
(1)从结构受力改变结构形式。
闭合拱圈挡土、连拱式基坑支护,都是将平面结构改变为空间支护结构,利用拱的作用,一方面减小土对桩的侧向压力,另一方面将结构受弯变为拱圈受压,充分发挥混凝土的受压特性,降低了工程费用。
(2)从施工方法上改变。
桩墙合一地下室逆作法,是将基坑支护桩和地下室墙合在一起,将地下室的梁板作为支护,从地下室顶往下施工,地下室外墙也施工。它的优点是节约投资,在地下水丰富、不易降低水位地区,尚须作防水帷幕。
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