某重力式水泥土墙基坑事故分析与处理措施

贾 华 吴连祥

(启东市建筑设计院有限公司，江苏 启东 226200)

重力式水泥土墙作为无支撑自立式支挡结构是基坑工程中常见的支护形式，应用于软土地区挖深不超过7 m的基坑[1，2]。重力式水泥土墙基坑时有出现变形过大、墙体开裂、剥落，进而导致墙体坍塌、倾覆等问题[3-5]，形成安全隐患。本文结合某重力式水泥土墙基坑事故实例，分析发生事故的原因，并提出合理的处理措施。

1 概况

1.1 工程概况

工程位于南通市，主要由 3幢17层住宅及1层地下室组成，采用整体桩筏基础。基坑面积1.2万m2，基坑周长470 m，开挖深度5.0 m～6.0 m。基坑东侧6 m处为小区道路；南侧和西侧为住宅，距离12 m～15 m；北侧6 m处为小区围墙。基坑的东、西和南侧地下1 m左右有煤气、供水管线，最近处约6 m。

1.2 场地工程地质及水文地质概况

根据勘察资料，场地土层为第四系河流～滨海交互沉积层，由软黏土和粉土组成。基坑底位于第②层软黏土上，该土层为高压缩性、高含水率、低透水性。场地地下水类型为孔隙潜水，主要补给来源为大气降水，常年水量丰富，地下水位高。上部黏性土透水性弱，下部砂性土透水性强。基坑支护计算参数见表1。

表1 基坑支护计算参数

1.3 基坑设计概况

基坑结构安全等级为二级。基坑的东侧、西侧和西南角采用重力式水泥土墙加坑内加固的支护方案，水泥土墙和坑内加固均采用六排φ700双轴水泥土搅拌桩，格栅式布置，墙宽3.2 m，冠梁采用200 mm厚C20混凝土，搅拌桩进入第④层粉土夹粉砂1.0 m左右，坑内加固深度4 m；其余侧采用放坡加多排钢管土钉的支护方案。

2 重力式水泥土墙事故情况及原因分析

2.1 事故情况

基坑从东南角，以一次性开挖到底的形式，倒退开挖。随着开挖的进行，即发现重力式水泥土墙内侧前排搅拌桩位移过大，搅拌桩桩顶与压顶板脱离。期间又连续大雨，开挖的基坑被雨水浸泡多天。随着后期继续开挖, 挡墙向坑内方向的水平位移显著增加。多处搅拌桩桩体断裂坍塌。在挡墙基坑内侧中部出现水平向长裂缝，且有继续发展、扩大的趋势。挡墙外侧土体沉降明显，基坑旁小区道路沉降、开裂。

事故发生后，施工方沿挡墙进行土方回填，同时坑边超载移除，最后回填至20 m宽狭条状区域后，控制住了水泥土墙的变形及裂缝。

2.2 事故原因分析

根据现场情况及相关资料分析，出现如上问题主要有以下几个原因：

1)搅拌桩施工质量差，搅拌桩桩顶与压顶板多处脱离，形成空洞。通过取芯抗压强度试验发现，位于第②层的芯样强度过低，因此该层深部位置出现多条水平裂缝。后经调查确认，搅拌桩水泥掺量不足。

2)未按图施工，只做了少部分被动区加固；也未按要求分层开挖，与第②层土形成的水泥土强度原本较低，现暴露在空气中的时间不足，强度增长有限。

3)基坑开挖期间降水较多。墙体内通过空洞浸入较多雨水；挡墙外侧杂填土表面未做硬化处理，渗入雨水，增大了水荷载，同时降低了土体的抗剪强度，促进了基坑的位移。

4)各方管理松散。基坑外侧随意堆放钢筋、木材等；也未进行监测工作，没有监测数据，指导施工单位进行信息化施工。

3 常用处理措施适用性分析

出现如上问题，必须采取有效的处理措施，避免发生倾覆、倒塌的危险。重力式水泥土墙作为悬臂式支挡结构，可以考虑两类处理措施：1)减少作用在支挡结构上的力；2)改变支挡结构的受力形式。下面对几种常用处理措施进行分析。

3.1 减少作用在支挡结构上力的措施分析

1)减少基坑超载。移除临近基坑的堆载，限制施工车辆通行，对控制基坑变形是有效和快捷的常用措施。

2)基坑外降水。对地基土为透水性较好的砂性土场地，可以在支挡结构外侧布置轻型井点降水，降低坑外水位，减小水压力。此方法不适用于微透水性的黏性土场地。

3)基坑外卸土。挡墙背后直接卸土，也可削坡卸土，减小坑外土压力，但此方法需要有卸土的空间。

4) 结合现场支护桩破坏的形态，开挖面以上出现多道水平裂缝，基坑可能发生沿坑底处倾覆的危险，故研究如何有效减少基坑开挖面以上土压力具有较大的实际意义。分别按黏性土和砂性土两种土质情况，探讨基坑外超载、降水深度和卸土深度变化对基坑开挖面以上土压力的影响，砂性土计算用参数1替代第②层土参数，结果如图1所示。图1中的相对土压力Ei/Emax指各工况下基坑开挖面以上土压力与最大土压力的比值。

由图1a)可知，随着坑外超载的减少，土压力相应的减少。从数值上看地基土为黏性土的场地，土压力减小的幅度明显大于砂性土的场地。由图1b)可知，随着坑外降深的增加，土压力逐渐减小；当坑外降深小于0.7倍左右基坑开挖深度时，土压力减小幅度非常显著；再增大降深对土压力的减小效果甚微。因此，采取坑外降水措施存在一个最优的降深范围，经分析合理降深为0.7倍基坑开挖深度。由图1c)可知，随着坑外卸土深度增加，土压力相应的减少。图中两条曲线斜率基本一致，说明不同类型地基土，坑外卸土对土压力的影响基本相同。

综上所述，因地制宜合理选择采取减少基坑外超载、坑外降水和坑外卸土等措施，能有效减少作用在支挡结构上的土压力。

3.2 改变支挡结构的受力形式的措施分析

1)注浆土钉处理。打入多排注浆钢管土钉，加固水泥土墙和墙后土体，有效提高土的整体强度。该方案加固处理工期相对较长；支护结构需进一步产生位移，土钉才起作用；在滑裂面内有构筑物时也不宜采用土钉支护。

2)预应力锚杆处理。打设锚杆后，加预应力锁定在水泥土墙内侧。若水泥土墙体破碎、裂缝较严重，可在挡墙内侧打设拉森钢板桩后，通过槽钢锁定在钢板桩上。该方法施工周期长，费用较大，打设锚杆需要外部空间。

3)型钢双排桩处理。在水泥土墙内侧打设拉森钢板桩，挡墙外侧打设型钢，在桩顶设置冠梁及连板。该方案施工相对便捷，但费用较大，打设钢板桩时也可能会加剧原挡墙的损害。

4)斜撑处理。在水泥土墙上口适当部位加钢支撑，另一端撑在底板上或独立基础上。此方案施工方便，可分段施工，随挖随支。可根据位移监测数据、挡墙情况，按需设置支撑。斜撑方案在施工工期及经济上都有较大的优势，最后确定采用此方案。

4 处理措施实施及效果

4.1 处理措施实施要点

1)移除基坑边堆载，对表层填土硬化处理，基坑外形成的裂缝用水泥砂浆封堵。

2)清理断裂的搅拌桩，封堵挡墙上的空洞，对搅拌桩破损严重的区域，加插槽钢后，喷射细石混凝土。

3)设置竖向斜撑。根据现场准备的应急材料，腰梁和斜撑都采用20号工字钢，斜撑间距3.5 m～5 m，斜撑水平方向用16号槽钢设置联系杆。在挡墙水平裂缝附近设置腰梁，斜撑下端传力至钢筋混凝土独立基础上，基础底板尺寸2.0 m×1.8 m，加固处理剖面见图2。

4.2 竖向斜撑的设计

1)挡墙水平反力计算。

在水泥土墙顶下1.8 m处设支撑点，采用基坑商业软件计算得出挡墙水平反力fh=38 kN/m。

2)型钢腰梁计算。

腰梁按简支梁计算弯矩：

双拼20号工字钢抗弯计算：

双拼20号工字钢抗剪计算：

3)型钢斜撑计算。

20号工字钢斜撑按轴心受压构件计算，斜撑倾角30°，则:

4)斜撑基础计算。

斜撑基础承担竖向分力Fv和水平向分力Fh及弯矩Mk，作用力分解示意图如图3所示。

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

a.竖向承载力验算。

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

b.水平滑移验算。

地下室基础板底原设100 mm厚素混凝土垫层，在斜撑基础厚5 m～10 m范围内垫层加厚至200 mm，如图4所示。所有垫层及工程桩连接为一整体，可以提供足够的水平抗滑力。

斜撑基础的尺寸多由水平承载力控制，完全满足计算要求，基础尺寸需3.0 m×2.5 m，难免过大。根据多处工程经验，水平承载力验算达到0.7以上，再通过加厚垫层等措施，能满足水平抗滑要求。

4.3 处理效果

通过采用型钢斜撑及一系列措施后，有效控制了挡墙水平裂缝的发展。后续施工过程中，加强了对基坑变形的监测。根据监测数据及时控制和调整土方开挖进度及设置型钢斜撑加固区域，较好的控制了支挡结构的位移。至地下室施工结束，增设斜撑的区域增加的水平位移最大15 mm，基本达到了控制变形、确保水泥土墙安全的要求。

5 结语

重力式水泥土墙基坑支护形式被广泛使用的同时也发生了较多的事故和险情。归其原因，是参建各方对临时支护工程不够重视，在施工过程中因各种不利因素综合影响造成的。重视和科学控制基坑实施中的各环节，基坑事故是可以避免的。处理基坑事故应根据场地地质情况和周边环境控制要求，选择合理方案，保证基坑安全并减少对周围环境的影响。

在基坑外无法有效减少支挡结构受力的情况下，通过采用了基坑内型钢竖向斜撑的方案，有效控制了基坑变形的发展，且经济费用不大，为类似基坑加固及设计提供一定的借鉴作用。