某水泥土重力式围护墙失稳原因分析及应急处置

王红军

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司,安徽 合肥 230000)

1 失稳段基本情况

该工程为11～13层住宅,地下车库1层,住宅基础为桩筏基础,地下车库基础为桩基,桩基础均采用预应力管桩。基坑东西长约167m,南北长约168m,失稳段位于基坑北侧中段,长约50m,基坑开挖边线距道路红线最近11.2m。具体位置如图1所示。

1.1 失稳段土层特性及物理力学指标

该失稳段20.00m深度以浅地基土为全新世Q4的滨海～河口、滨海～浅海、滨海、沼泽相沉积物,各土层地基土分布、特性及主要指标如表1所列。

表1 各土层地基土特性及主要指标一览表

地下水为潜水,受降雨影响较大,地下水位0.5m～1.5m。

1.2 失稳段水泥土搅拌桩设计

该失稳段基坑安全等级为三级,水泥土重力式围护墙采用φ700@500双轴水泥土搅拌桩,搭接长度200mm,水泥掺量13%,桩身强度不小于0.8MPa。水泥土搅拌桩采用格栅型布置,墙体宽度4.2m,桩长10.0m,设计墙顶标高-2.15m,坑底标高-6.45m,开挖深度4.3m,坑底以下插入深度5.7m,压顶采用C25钢筋混凝土结构,厚200mm。基坑超载按20kN/m考虑,北侧墙体每隔25.0m左右布置一处暗墩,以增加被动区强度,具体如图1所示。

根据规范[2]有关公式计算,抗倾覆稳定性分项系数2.13,整体稳定性分项系数1.65,均满足要求。

1.3 失稳前后情况

基坑开挖正值雨季,多次发生台风、强降雨,持续近1个月。失稳前该段水平位移累计达35.5mm,相邻的其他两个监测点水平位移累计值分别为29.0mm、28.5mm。失稳当日15时素混凝土垫层(厚150mm)浇筑完成,之后发生强降雨。当晚21∶00左右,施工人员巡查时发现:墙后出现宽100mm～350mm不等的裂缝、墙后土体局部下陷;墙后中部裂缝宽度较大,两端不断变小,至晚22∶00降雨停止。在次日处置前踏勘时,发现浇筑垫层处围护墙整体前倾,坑底无隆起,围护墙在坑底处有裂缝并有渗水现象,水泥土搅拌桩的桩与桩之间未断开;未浇筑垫层处其他工况与失稳段一致,围护墙未发生失稳现象。经现场量测,北侧围护墙顶实际标高-0.80m,垫层顶高-6.30m,基坑实际开挖深度5.50m,压顶未做。

2 失稳原因分析

2.1 围护墙稳定的影响

水泥土重力式围护墙作用机理主要是利用水泥土搅拌桩与土体形成重力式围护墙,利用围护墙自重及坑底被动土压力共同承担墙后的主动土压力、超载等,并需满足整体稳定、抗倾覆、抗滑移、抗渗透、抗隆起以及墙体自身的抗剪、抗压等稳定。

在瓷面上“打玻璃白”也是一项讲究的工艺活，玻璃白是水溶性颜料，而彩瓷是先要用油性颜料钩线和画底色，这个过程必然会使瓷面沾上油，这样水溶性的玻璃白就无法打在含油的瓷面上。这就需要用到“锅灰”锅灰具有吸油作用。在需要上玻璃白的位置先抹上少许锅灰，然后再把锅灰轻轻扫除，这样玻璃白就可以打在瓷面上。

影响水泥土重力式围护墙稳定的因素较多,主要分为内因和外因。内因主要包括基坑影响范围内土的性质、墙体材料及施工质量等,外因主要包括气候或气象条件、超载、地表水及地下水、施工方式、内支撑或拉锚等。

2.2 失稳机理分析

水泥土重力式围护墙发生破坏的机理复杂,受内因、外因影响或内外因素综合影响。

该失稳段坑底以上为① 层素填土、②1层粉质粘土、②3-1层淤泥质粉质粘土,土体强度较低,透水性差,对渗流不利,坑底为②3-2层砂质粉土,强度尚可,透水性强,对渗流、基坑稳定有利。该类墙体无内支撑或拉锚,墙体及墙体与土体之间会发生变形,尤其当钢筋混凝土压顶未做的情况下,会造成前后排桩缺少联系,围护墙未形成整体[3],在受力差异的情况下,出现后排桩受力大于前排桩,后排桩变形大于前排桩,格栅内变形缝明显,对其稳定不利。

在台风影响下,强降雨增多,雨水渗入变形缝及土体孔隙会出现渗流，在粘性土或格栅裂缝内会产生水力劈裂作用，增大了围护墙水平作用及主动土压力。总而言之,降雨降低了围护墙的稳定性。

基坑底部为砂质粉土,预应力管桩施工过程会产生挤密效应,加之素混凝土垫层已浇筑,坑底被动区约束增大,可变形量较小,开挖深度范围水平向压力增大,墙体强度降低,最终造成围护墙沿坑底发生受剪破坏。从现场情况来看,周边未浇筑垫层处也存在超载、压顶未做、降水入渗等现象,但桩体未破坏,说明坑底土体强度较大,被动区约束较大时,墙体易发生受剪破坏,造成墙体失稳。

2.3 失稳原因分析

综合以上失稳段机理分析,该段围护墙失稳并非偶然。主要受超载、插入比不足、压顶未做、降雨入渗、墙体强度不足、坑底土体强度大等因素影响。

(1)超载,插入比不足。施工过程中,施工单位未按施工图要求清理墙顶及墙后地面余土至设计标高,间接增加了基坑开挖深度,开挖深度由4.3m增大到5.5m,插入深度由5.70m变为5.85m,插入比由1.33降低到1.06,宽度与开挖深度比值由0.98降低到0.76,主动土压力增加明显,安全度大幅度下降,抗倾覆稳定系数[3]由2.13降到1.33,暴雨后,抗倾覆稳定系数再次降低到1.16,墙体受剪应力大于抗剪强度,基坑失稳。

(2)压顶未做。前后排桩缺少联系,使得变形增大,产生较大裂缝,恰逢该地区雨季,强降雨较普遍,当雨水沿桩间格栅内土体及墙后变形裂缝等处入渗,降低了墙后土体强度以及桩体强度。在上部主动土压力增大、墙体强度变小、坑底被动区约束较大的共同作用下,最终造成了围护墙体沿坑底破坏。

3 应急处置

3.1 应急处置意见

事故发生后,在建设单位召集下,汇集勘察、围护设计、监理、建设单位以及围护设计资深专家,经过分析讨论,最终形成如下建议:

(1)卸土。墙后空间较大,可把基坑2倍深度范围内土体进行清理,在保证合理的坡比情况下,卸土1.5m～2.0m。

(2)加强监测和巡视。在破坏位置增加监测点、增加失稳段及周边的监测频次,并加强巡视,及时发现裂缝及其变化情况。

(3)做好防水、止水措施。裂缝处采用水泥浆封堵,正值雨季,对失稳段及周边围护墙采用薄膜覆盖等方法防止雨水沿墙顶、墙后裂缝下渗。

(4)加快进度,及时浇筑底板、墙体,及时回填。因为基坑围护墙体是半刚性体,在墙后土体水平推力的作用下随时间变化而变形,该段墙体已破坏,主要靠围护墙自身重力抵挡墙后土体主动土压力,当时间过长,变形过大,超过水泥土间搭接强度以及自身重力时,会造成墙体垮塌。

(5)紧急情况。遇紧急情况或卸载后位移增大趋势无法控制,在围护墙前堆填砂土,反压回填,必要时设置拉森钢板桩。

3.2 应急处置前后稳定性分析

根据应急处置建议,采取墙后倍基坑开挖范围内卸土2.0m方案进行稳定性分析及计算。

由于围护墙在基坑底部有水流出,判定围护墙在基坑底部发生破坏,从而把基坑以上水泥土重力式围护墙概化为底宽为4.2m的重力式挡土墙进行抗滑及抗倾覆稳定性计算,工况为失稳后不处理、卸土2.0m,水泥土双向搅拌桩与桩之间并未脱节,计算时不做考虑,作为安全储备。

依据规范[4]中抗滑稳定系数、抗倾覆稳定系数计算公式,结合本围护墙的特点,简化后的抗滑、抗倾覆稳定系数计算公式分别如式(1)和式(2):

(1)

(2)

其中，Ks为抗滑移稳定系数;Kl为抗倾覆稳定系数;G为围护墙每延米重度,(kN);μ为围护墙基底摩擦系数,取0.40;Eα为围护墙墙后主动土压力,(kN);x0为围护墙重心离墙趾的水平距离,(m);zf为主动土压力作用点离墙踵的高度,(m);

失稳后基坑开挖深度5.5m时,抗滑移稳定系数为0.99,抗倾覆稳定系数为2.35,抗滑移稳定不满足要求;卸载2.0m后,基坑开挖深度降为3.5m,抗滑移稳定系数为1.48,抗倾覆稳定系数为5.08,均满足要求。

综合分析认为,卸土2.0m较合适,墙体及墙后采取截排水措施,防止雨水入渗。

4 处置效果

按应急处置方案建议,墙后卸土2.0m,增加监测点,增大监测频率,增加相应的截排水措施后,水平位移得到了控制,直至基坑回填时,未发生其他险情,效果良好。

5 结束语

本基坑发生局部围护墙失稳,教训深刻,在对失稳机理进行分析、处置的过程中,归纳出的要点如下：① 超载、强降雨等对基坑稳定影响较大,设计及施工过程中应充分考虑自然条件对基坑安全性的影响。② 水泥土重力式围护墙压顶对墙体稳定性无法定量计算,可定性分析,其对围护墙的作用可作为安全储备,设计人员需按规范采取构造措施,施工时需严格按图施工。③ 项目建设相关单位应保持沟通顺畅、信息共享,尤其是监测单位应及时提供准确、有效的监测成果,以指导施工,并为设计单位评估基坑围护体系运行状态提供依据。④ 依靠专家的技术支撑,在事故原因分析、应急处置、加固方案论证等环节进行技术把关,确保处置方案安全、可行。