許光，夏紅螢

（1．中南華鼎武漢巖土工程有限公司，湖北 武漢 430071；2．中南建筑設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430071）

1 引言

隨著城市日新月異發(fā)展，基坑支護(hù)工程技術(shù)日趨成熟，在勘察、設(shè)計、施工均具有較高技術(shù)水平的情況下，在基坑施工過程中仍出現(xiàn)一些安全事故。施工過程中存在諸多不確定因素，影響了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和效果。除了支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體的力學(xué)性質(zhì)影響到基坑變形，土中水也是影響基坑變形又一不容忽視的重要因素。通過分析變形過大原因，采取及時有效搶險措施對事故進(jìn)行處理，應(yīng)急堵漏，從而控制基坑變形繼續(xù)發(fā)展。本文介紹了因樁邊化糞池漏水導(dǎo)致基坑長時間泡水引起較大變形后的應(yīng)急措施，并進(jìn)行抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、壓縮指標(biāo)反算分析，對比彈性抗力法、有限元法與監(jiān)測結(jié)果，為以后的基坑支護(hù)工程設(shè)計、施工和后續(xù)類似工程項(xiàng)目提供參考。

2 工程概況和場地條件

2.1 工程概況

基坑工程位于湖北省鄂州市，主體部分為7 層建筑，設(shè)2 層地下室，基坑深度6．2～8．2m，基礎(chǔ)采用墩基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)?；?xùn)|西向長180m，南北向?qū)?20m，周長約650m，垂直開挖面積約15000m2。

基坑邊線距離其北側(cè)的沿湖路最近5m，沿湖路外為洋瀾湖?；舆吘€距離其東側(cè)的東城路路邊最近25m，基坑到紅線邊范圍內(nèi)考慮施工車輛荷載。基坑邊線距離其西側(cè)的沿湖路最近6m，沿湖路外為洋瀾湖?；舆吘€距離其南側(cè)的居民住宅小區(qū)最近16m。施工進(jìn)場后，西南角處設(shè)置臨時項(xiàng)目宿舍，距離支護(hù)樁邊4m?；幽蟼?cè)臨時設(shè)置衛(wèi)生間，距離支護(hù)樁邊5m，臨時化糞池距離支護(hù)樁0．7m。

圖1 基坑周邊環(huán)境圖

2.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

該場地土質(zhì)情況較好，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較高，承載力特征值較高，壓縮模量較高。地勘揭露地層情況如下。

①素填土：雜色，稍濕，由黏性土夾少量建筑垃圾和生活垃圾組成，填筑時間大于15 年。松散狀態(tài)，天然重度為18kN/m3，粘聚力為10kPa，內(nèi)摩擦角為8°；

②黏土：黃色，稍濕，硬塑狀態(tài)，含少量鐵錳氧化物及高嶺土。硬塑狀態(tài)，天然重度為19．4kN/m3，粘聚力為45kPa，內(nèi)摩擦角為15°，承載力特征值為300kPa，壓縮模量為13MPa；

③-1 強(qiáng)風(fēng)化砂巖：泥鈣質(zhì)膠結(jié)，大部分已風(fēng)化成土夾碎塊狀或碎塊狀，巖石基本質(zhì)量等級屬V 類，極軟巖。承載力特征值為400kPa，壓縮模量為44MPa；

④-2 中風(fēng)化砂巖：粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，鐵質(zhì)膠結(jié)，層狀構(gòu)造，主要礦物成份為長石、絹云母和鐵質(zhì)，遇水浸泡易崩解、軟化，巖石基本質(zhì)量等級屬Ⅳ類，較軟巖。承載力特征值為1800kPa，壓縮模量為44MPa。

⑤-1 強(qiáng)風(fēng)化閃長巖：巖石礦物成分為斜長石、鈉長石、角閃石、石英、黑云母等，巖芯多呈砂土夾碎塊狀或碎塊狀。承載力特征值為600kPa，壓縮模量為48MPa；

⑥-2 中風(fēng)化閃長巖：中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，碎塊狀或塊狀構(gòu)造，巖石主要礦物成分為斜長石、角閃石、石英、黑云母等，巖石節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體基本質(zhì)量等級Ⅳ級，較硬巖。承載力特征值為3000kPa，壓縮模量為48MPa。

圖2 南側(cè)JK段地層剖面圖

場區(qū)地下水有兩種類型：賦存于①素填土層中的上層滯水有一定水量，受大氣降水和洋瀾湖水補(bǔ)給。在基坑開挖后，淺部土層中的地下水會以匯水點(diǎn)的形式滲入基坑，對坑壁產(chǎn)生浸蝕和滲透破壞，影響基坑安全及坑內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)，采取掛網(wǎng)噴混凝土進(jìn)行隔滲，結(jié)合泄水孔導(dǎo)流疏排；賦存于第⑤-1 層強(qiáng)風(fēng)化閃長巖中的承壓水，承壓水含量極少，對基坑影響不大。

2.3 場區(qū)條件及基坑布置

基坑南側(cè)JK段，原設(shè)計懸臂排樁支護(hù)，樁直徑700mm，間距1200mm，樁長12．5m，懸臂6．2m，如圖4所示。基坑南側(cè)為施工單位臨時搭建的開水房、洗衣服、衛(wèi)生間，共兩層板房，距離支護(hù)樁3．5m，化糞池距離支護(hù)樁0．6m，如圖3所示。

圖3 南側(cè)JK段平面圖

圖4 南側(cè)JK段剖面圖

基坑初始設(shè)計時，總包單位未進(jìn)場，南側(cè)僅考慮走車荷載25kPa及南側(cè)居民樓建筑荷載（20kPa/層），基于彈性抗力法計算得到樁頂位移為9mm，如圖5 所示。后考慮增設(shè)的臨時建筑，按40kPa考慮，彈性抗力法計算得到樁頂位移為15mm。

圖5 原設(shè)計懸臂排樁土壓力、位移、彎矩、剪力圖

3 施工現(xiàn)場的基坑變形

3.1 監(jiān)測結(jié)果

基坑支護(hù)施工期間以及土方開挖完成后（10 月25 日）基坑監(jiān)測顯示位移速率穩(wěn)定，最大位移18mm，與設(shè)計圖紙要求的最大控制位移20mm 相吻合。監(jiān)測系統(tǒng)顯示，11 月14 日基坑南側(cè)JK 段位移突變，冠梁上出現(xiàn)40～70mm 水平位移，超過限值（40mm）?，F(xiàn)場踏勘可觀察到支護(hù)排樁向基坑內(nèi)傾斜，最大裂縫達(dá)50mm，如圖6 所示，基坑其他段位移均很小，均在20mm以內(nèi)。

圖6 基坑南側(cè)JK段排樁變形、冠梁開裂照片

3.2 原因分析

現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，JK段支護(hù)樁后側(cè)0．6m處的化糞池破裂大量漏水，經(jīng)分析和計算復(fù)核，基坑變形大的原因有以下幾點(diǎn)：

①化糞池大量漏水后，基坑外側(cè)水位上升，樁后水未及時排走，主動區(qū)的水壓力增加，與原設(shè)計支護(hù)樁受力發(fā)生變化，具有較大差異；

②正常狀態(tài)下老黏土強(qiáng)度較高，壓實(shí)性較好，土體顆粒結(jié)構(gòu)致密。經(jīng)過化糞池漏水浸泡，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生微觀變化，粘聚力降低，內(nèi)摩擦角削弱，老黏土的抗剪性能大大削弱，大打折扣；

③后來臨時搭建的板房荷載在原設(shè)計中未考慮，此處荷載變化情況也未告知設(shè)計單位進(jìn)行復(fù)核。

3.3 處理方案

基坑泡水后，側(cè)壁老黏性土抗剪性能明顯降低，單排懸臂支護(hù)樁不能滿足基坑位移控制要求，如考慮在現(xiàn)狀支護(hù)樁后排再打一排支護(hù)樁，形成雙排樁受力模式，在理想狀態(tài)下可有效控制變形，但考慮支護(hù)樁施工需一定時間，在施工及發(fā)揮受力作用過程中，基坑仍會急劇變形，而且樁后施工短期內(nèi)會帶來施工機(jī)械荷載、動力荷載等擾動。如考慮增設(shè)角撐或?qū)?，混凝土支撐需要較長養(yǎng)護(hù)時間，鋼支撐對設(shè)計跨度要求較局限，且南側(cè)較大變形段與西側(cè)距離較遠(yuǎn)，需要另外加設(shè)立柱。錨桿具有施工快捷，施工操作面便利，受力性能好等優(yōu)勢，綜合考慮后，擬采用樁間加設(shè)錨桿形成樁錨體系作為加固措施。

基坑發(fā)生過大變形后，現(xiàn)場立即啟動應(yīng)急預(yù)案，采取了以下多種加固處理的措施。

①沙袋反壓

基坑內(nèi)側(cè)反壓4m 高的沙袋，抵消一部分支護(hù)樁所受主動土壓力，相當(dāng)于增加了被動土壓力。

②挖除化糞池并臨時卸土

將化糞池挖除，切斷漏水來源，防止土體繼續(xù)受水浸泡，同時坡頂臨時卸土，減少主動土壓力。

③增設(shè)錨桿

由于場地原因無法進(jìn)行補(bǔ)勘提供受水浸泡后的土體抗剪強(qiáng)度，通過試算、反算，粘聚力、內(nèi)摩擦角分別折減至30kPa、10°時，樁頂位移達(dá)到65．4mm，基本與當(dāng)時發(fā)生的變形相匹配。反算結(jié)果如圖7。

圖7 按折減值計算的土壓力、位移、彎矩、剪力圖

經(jīng)過反算得到折減后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（c=30kPa、φ=10°）后，對基坑JK段進(jìn)行重新設(shè)計，在樁頂下2．5m 處設(shè)計增加一排成孔直徑150mm、11m 長的錨桿，如圖8 所示，此時樁頂最大位移為21mm，滿足規(guī)范要求，如圖9所示。

圖8 增設(shè)錨桿后的剖面圖

圖9 增設(shè)錨桿后的土壓力、位移、彎矩、剪力圖

4 結(jié)果分析

4.1 加固處理后的實(shí)施效果

加固處理后，坡頂臨時卸土處進(jìn)行重新回填，坑內(nèi)反壓沙包清除，地下室繼續(xù)正常施工，并加強(qiáng)基坑監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示，10 月25 日前基坑變形趨于平緩，最大位移一直控制在20mm 之內(nèi)；在10 月25 日至11 月14 日區(qū)間，最大位移陡增，由20mm 增加到70mm。在11月20 日坑頂卸土、增設(shè)錨桿之后，支護(hù)樁水平位移不再繼續(xù)發(fā)展，維持在70mm 左右。到基坑將回填時，測得樁頂水平位移72mm，如圖10所示。

圖10 支護(hù)樁頂水平位移隨時間變化

4.2 三維數(shù)值模擬分析

通過PLAXIS3D對基坑進(jìn)行模擬，采取設(shè)置多個鉆孔的形式，在化糞池漏水附近設(shè)置4個鉆孔，按照反算折減考慮，其他地方選取初始地勘報告中鉆孔的土層分層與參數(shù)。選擇土體硬化本構(gòu)模型，能良好模擬剪切硬化、壓縮硬化、莫爾庫侖破壞準(zhǔn)則。主偏量加載下參考割線剛度模量E50ref按壓縮模量Es的1．5倍考慮，主壓縮下參考切線剛度模量Eoedref按壓縮模量Es的1．5倍考慮，卸載與再加載楊氏模量Eurref按壓縮模量Es的4．5倍考慮。通過試算、反算，粘聚力、內(nèi)摩擦角分別折減至30kPa、10°時，壓縮模量（主偏量加載下參考割線剛度模量、主壓縮下參考切線剛度模量、卸載與再加載楊氏模量）折減0．6倍，樁頂位移達(dá)到75mm，基本與當(dāng)時發(fā)生的變形相匹配?；幼畲笪灰瓢l(fā)生在漏水處，即土體抗剪強(qiáng)度和壓縮模量折減處，發(fā)生最大位移74．8mm，如圖11所示，截取典型剖斷面圖樁后土體位移68．7mm，如圖12所示。

圖11 基坑變形云圖

圖12 基坑變形剖斷面圖

在JK 段增設(shè)一排錨桿，按點(diǎn)對點(diǎn)彈簧考慮。JK 段坑頂卸土，坑頂荷載相應(yīng)減小。計算得到JK 段樁頂位移達(dá)到23mm，鄰近未增設(shè)錨桿段位移40mm，如圖13 所示，截取典型剖斷面圖設(shè)置錨桿處的樁后土體位移23．7mm，如圖14所示。對比增設(shè)錨桿段和未增設(shè)錨桿段，錨桿對基坑有良好變形控制作用。

圖13 基坑加固后變形云圖

圖14 基坑加固后變形剖斷面圖

數(shù)值模擬中，錨桿按照開挖前施加的工況，與實(shí)際施工中已發(fā)生較大位移后補(bǔ)加錨桿有一定差異，故在實(shí)際監(jiān)測中，位移達(dá)到70mm 后幾乎不增加，保持在70mm，基坑變形具有累積效應(yīng)，變形不可恢復(fù)。而在數(shù)值模擬中位移保持在40mm。

4.3 彈性抗力法、有限元法與監(jiān)測結(jié)果對比分析

在發(fā)生化糞池漏水前，彈性抗力法計算得到樁頂最大水平位移為9mm，與監(jiān)測得到的18mm 接近，位移均很小，這是由于老黏性土具有較高粘聚力和內(nèi)摩擦角指標(biāo)，基于彈性抗力法理論計算得到的位移較小，實(shí)際施工過程中，基坑變形控制較好。在發(fā)生化糞池漏水后，監(jiān)測得到的最大變形70mm 遠(yuǎn)大于初始彈性抗力法理論計算結(jié)果和原始狀態(tài)下施工監(jiān)測結(jié)果。老黏性土經(jīng)過一定時間泡水，土體力學(xué)性能大大削弱，通過對粘聚力和內(nèi)摩擦角的折減，維持支護(hù)樁尺寸、樁長、配筋設(shè)計不變，重新基于彈性抗力法理論進(jìn)行核算，得到最大變形65．4mm，還原了施工現(xiàn)場變形效果。以折減后的粘聚力和內(nèi)摩擦角作為設(shè)計依據(jù)，加設(shè)錨桿參與計算，彈性抗力法計算得到最大位移21mm。以折減后的粘聚力和內(nèi)摩擦角以及壓縮模量，進(jìn)行有限元法數(shù)值模擬輔助驗(yàn)算，在漏水區(qū)附近另設(shè)鉆孔，得到未加設(shè)錨桿工況下最大變形74．8mm，加設(shè)錨桿工況下最大變形23．2mm。

對比彈性抗力法、有限元法與監(jiān)測結(jié)果，得到以下結(jié)論：

①在不考慮土體泡水情況下，彈性抗力法計算結(jié)果比實(shí)際監(jiān)測結(jié)果偏小，可能是由于現(xiàn)場施工擾動、臨時辦公用房荷載、環(huán)境條件復(fù)雜等情況，造成實(shí)際施工變形比理論計算略微偏大，但在合理范圍；

②在土體長時間泡水后，實(shí)際施工監(jiān)測位移遠(yuǎn)大于理論計算結(jié)果，考慮是由于土體長時間泡水，土體顆粒變得松散，水壓力對基坑側(cè)壁有一定不利影響；

③基坑長時間泡水后，土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、壓縮變形指標(biāo)按照折減考慮，折減后彈性抗力法、有限元法均與監(jiān)測結(jié)果接近。加設(shè)錨桿后，彈性抗力法、有限元法最大變形結(jié)果均較小，有限元法計算結(jié)果偏大偏保守。實(shí)際監(jiān)測結(jié)果位移總量比彈性抗力法、有限元法均明顯較大，但位移增量較小，與彈性抗力法、有限元法反映的趨勢一致。實(shí)際施工中，基坑變形是累加的，不可逆轉(zhuǎn)的，而理論計算中按照加設(shè)錨桿工況考慮，未考慮之前無錨桿狀態(tài)下的變形量累計，故有一定數(shù)據(jù)誤差。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目原始地質(zhì)條件較好，基坑側(cè)壁土層以硬塑狀態(tài)的老黏性土為主，天然狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較高，具有良好的自穩(wěn)性，采用懸臂支護(hù)樁能滿足要求且計算位移很小。項(xiàng)目施工過程中由于基坑邊臨時搭建的板房和鄰近支護(hù)樁處的化糞池大量漏水，導(dǎo)致老黏性土抗剪強(qiáng)度降低，支護(hù)樁受力狀態(tài)發(fā)生較大改變，現(xiàn)場位移變形遠(yuǎn)超原設(shè)計理論計算值，支護(hù)排樁變形嚴(yán)重，冠梁出現(xiàn)過大裂縫。通過采取多種加固處理措施，基坑趨于穩(wěn)定，并采取彈性抗力法和有限元法進(jìn)行理論驗(yàn)算，得出以下結(jié)論：

①采用反壓沙袋、坡頂卸土能快速防止排樁位移的繼續(xù)發(fā)展，效果顯著；增設(shè)一排錨桿，可有效解決原設(shè)計支護(hù)樁不能承受變化后的土壓力問題，并有效控制變形發(fā)展，為基坑繼續(xù)施工創(chuàng)造了條件；

②老黏土在天然狀態(tài)下具有良好的力學(xué)性能，但長期泡水后，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低。由此得到施工經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)做好坑頂坑底截排水溝和集水坑，做好及時抽排，盡量保持基坑干燥。支護(hù)樁間做好泄水孔，避免樁后水壓力增高。遇到老黏性土的地層，應(yīng)尤為重視地下水問題，避免長時間泡水狀態(tài)下，土體性質(zhì)發(fā)生較大變化，不符合初始理論計算的前提條件。遇到老黏性土情況，應(yīng)尤為重視特殊工況下施工效果；

③由于基坑工程的時間效應(yīng)、時空效應(yīng)、變形累積效應(yīng)，數(shù)值模擬結(jié)果與施工監(jiān)測結(jié)果有一定差異性中，其原因主要是實(shí)際施工中先發(fā)生較大位移后增設(shè)錨桿，基坑變形不可恢復(fù)，但錨桿有效控制了進(jìn)一步位移增加。加設(shè)錨桿后，兩種計算方法的結(jié)果均滿足變形控制值的要求，其中彈性抗力法計算結(jié)果較小，有限元法計算結(jié)果較彈性抗力法偏大偏保守。從數(shù)值模擬結(jié)果看到，增設(shè)錨桿段比未增設(shè)錨桿段位移控制明顯較好，錨桿對基坑有良好變形控制作用；

④施工過程中如發(fā)生與原設(shè)計不同的荷載條件（如臨時建筑、化糞池等），應(yīng)及時告知設(shè)計單位復(fù)核。施工過程也應(yīng)盡可能避免引起地下水短時間大量匯集的突發(fā)情況。施工實(shí)施時，應(yīng)嚴(yán)格按照圖紙要求滿足設(shè)計尺寸、配筋、混凝土強(qiáng)度等，確保施工質(zhì)量；

⑤基坑支護(hù)設(shè)計時，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)考慮遇水問題、超載問題，對土層參數(shù)適當(dāng)折減，荷載按不利考慮，在原始設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行額外的不利條件驗(yàn)算，面對突發(fā)狀況保留一定富余；

⑥事故很多是因?yàn)椤八钡膯栴}引起的，除了重視“土”的計算，不能忽視“水”對基坑的影響，在基坑施工過程中一定要做好截排水、泄水等措施。