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第101期 近年来地基基础工程事故原因分析

2020-9-23 11:17
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【52监测网】第101期 近年来地基基础工程事故原因分析


52监测网专家报告分享-第101期

《近年来地基基础工程事故原因分析》
刘金波 / 张寒 中国建筑科学研究院
城市地下空间设计研究院

目录

填土地基工程事故
水引起的工程事故
施工顺序对工程的影响

内容介绍

地基基础工程事故离我们不远,近年来,我们团队处理了近百项地基基础工程质量问题,涉及全国20多个省市自治区、一带一路(东南亚)、澳门特别行政区,通过对这些问题的处理,一些总结和思考和大家分享。


一、填土地基工程事故

1. 规范理解

《建筑地基基础设计规范》7.5.2条:“地面堆载应均衡,并应根据使用要求、堆载特点、结构类型和地质条件确定允许堆载量和范围。堆载不宜压在基础上。大面积的填土,宜在基础施工前三个月完成。”

基础甚至结构施工完成后,在建筑物周围大范围的填土,对于建筑物来说属于外荷载,会产生沉降和差异沉降,对建筑物的安全有很大的影响。特别是软土地区,由于地势低洼,常常需要回填一些土来提高场地标高,如在建筑物完成后回填,会产生很大的沉降。


◎ 建筑施工前填土
◎ 原始地层在填土堆载下发生沉降
◎ 建筑完工后,工后沉降仅因建筑自重产生


◎ 填土前进行建筑施工
◎ 建筑施工过程中或完工后填土
◎ 建筑工后沉降因自重和填土重量产生

2. 大面积填土附加应力

《建筑地基基础设计规范》第5.3.5条:计算地基变形时,地基内的应力分布,可采用各向同性均质线性变形体理论。其最终变形量可按下式计算:


计算公式中一个很重要的参数是附加压力p0,什么是附加压力,地基规范在术语中没有解释,一般计算采用准永久组合下的基底压力,减去挖掉土的重量,这是狭义的解释,在一般的工程应用中没有问题。关于附加压力,广义的解释应为引起地基土变形的外力,不仅仅局限于基底的附加压力,这在回填土地基尤其明显。

回填土地基上的工程事故,其中一个很重要的原因,就是相关技术人员忽略了回填土对于原状土来说也是附加压力,也会产生很大的沉降。如原状土性质较差,回填土厚度较大,则沉降时间很长,甚至会危及到建筑物的安全。

3. 工程案例

下图为某软土地区建筑物施工全过程的沉降曲线,该建筑总高度40m,采用预应力管桩,主体结构封顶后,在建筑物内及场地周围进行大范围填土,在填土期间建筑物产生很大的沉降和差异沉降,沉降速率明显增大,后不得不采用钻孔灌注桩进行基础加固。该事故不仅延误了交房日期,而且造成了很大的经济损失。


类似事故在我国沿湖、沿海、沿江的软土地区每年多有发生,应高度重视。


云南某填土地基事故,详勘时还未场平施工,完成填土(约15m)后补勘测得原状土层底标高较之前下降约1m。由于填土厚度不同,其作为大面积荷载引起原状土层的变形也不同,进而导致上部结构出现不均匀沉降。

以下为回填土引起的建筑物破坏图。该项目有多栋楼,建成后沉降不稳定直至开裂,建成8年后经检测鉴定:有4栋楼的安全性评级为Dsu级,其他7栋为Csu级。按照《民用建筑可靠性鉴定标准》规定,安全性鉴定评级为Dsu级的建筑物的处理要求是“必须立即采取措施”,除纪念性或历史性建筑外,宜予拆除、重建。安全性鉴定评级为Csu级的建筑物的处理要求是“应采取措施,且可能有少数构件必须立即采取措施”。对于本工程,根据以上安全性鉴定评级结果,委托方决定对于Dsu级的建筑物进行拆除处理,对于Csu级的建筑物进行加固处理。

回填土引起的建筑物破坏图

二、水对地基基础的安全影响

对于地基基础的安全而言,水是一个非常重要但又易于被忽视的问题,所谓的忽略不是规范忽略,如《建筑地基基础设计规范》有关水的条文有几十条,而是相关技术人员忽略。水可能在以下几方面对地基基础工程的安全构成影响,引起工程事故:

(1)影响土的力学性质(2)砂土的液化;(3)一些岩石,如泥岩的软化;(4)湿陷性土;(5)膨胀土;(6)水位变化;(7)水的流动;(8)耐久性问题;(9)冻胀问题;(10)地下水排水路径改变;(11)承压水问题。

结合近几年我们处理的工程事故,重点从以下几方面介绍:

• 没有预料到水的影响
• “勘察期间没有水”的误导
• 影响土的力学性质;
• 水位变化;
• 水的流动;
• 承压水问题;
• 地下水排水路径改变;

1. 没有预料到水影响

太沙基(Terzaghi)在其1943年著作《理论土力学》里这样写到:“在土工工程领域内每年都发生数个重大事故,而且这些事故不止一次是因为没有预料到水的作用”。 太沙基(Terzaghi)在70多年前的描述与我国的现状非常类似,我国每年发生很多起由水引起的地基基础工程事故。



下图为某项目墙体开裂图片,该工程采用人工挖孔桩,桩端落在泥岩,水沿桩土界面进入桩端,长期浸泡,泥岩软化,产生沉降。同样的,采用天然地基,如基底是泥岩,也需要避免水通过肥槽进入基底。

墙体开裂图

《建筑桩基技术规范》4.1.13条:“桩端嵌入遇水易软化的强风化岩、全风化岩和非饱和土的预应力混凝土空心桩,沉桩后,应对桩端以上约2m范围内采取有效的防渗措施,可采用微膨胀混凝土填芯或在内壁预涂柔性防水材料。”

东部某项目采用预应力管桩,桩端持力层为泥质粉砂岩强风化:岩芯呈可塑~硬塑的土状,夹少量角砾、碎块状岩芯,手搓易散,无水干钻可钻进。该层遇水软化,失水崩解,暴露于空气中加剧风化。根据岩芯性状判定,该岩石属极破碎的极软岩,基本质量等级Ⅴ级。


桩基设计要求按上述规范条文进行封堵,但没有明确要求及时封堵,因为规范也没说。桩施工完成后,没有及时进行桩端封堵。后进行静载试验,试验结果显示,打桩和试桩间隔时间超过90天的均不满足设计要求,应为泥质粉砂岩软化造成。

这个工程案例提醒我们:要理解规范规定要实现的目的,此条是为避免桩端持力层由水引起的桩端软化,应及时进行封堵,超过一定时间后,再行封堵已失去其要实现的目的。也应意识到,规范规定的目的是封闭水,推荐用“微膨胀混凝土填芯”只是手段之一,实际也可根据施工的难易程度,采用其它方法,只要实现规范的目的即可。

2. “勘察期间没有水”

一些情况下,勘察报告“勘察期间没有地下水”的结论,也会误导工程技术人员。

西南某工厂正在施工的冷却液设备基槽上浮。基槽长x宽x高=111.45mx14.5mx7.5m,剖面见下图。基槽上浮不均匀,其中沿长向一端上浮560mm,另一端端上浮200mm,上浮造成设备基础相邻跨屋架与托架的连接螺栓被剪断掉落,数量约有50多个,上部钢结构变形严重。根据地勘报告,该工程场地较高,为岩石地基,地下水位很深,勘探期间没有发现地下水,应全过程分析是否存在水的问题。


3. “水影响土的力学性质和承载力

水是岩土体的组成部分,直接影响岩土体的工程特性,下图为土的力学性质随含水量变化的曲线,随含水量增大,力学指标降低。对于填土地基,应高度重视土的含水量变化对沉降的影响。


西南某强夯工程静载试验曲线图,由于静载检测期间出现降雨,降雨前后静载检测曲线明显不同,降雨后沉降明显增大。


4. 水位变化

水位的变化指水位的升降,水位大范围下降会引起建筑物和场地的沉降,而水位上升则可能造成一些建筑物上浮、结构开裂。近年来,由于对环保的重视,很多地区地下水上升,此方面案例很多。下图为某项目由于地下水上升引起的基础筏板开裂并冒水图片。


设计人应高度重视抗浮水位确定问题!

《高层建筑岩土工程勘察规程(JGJ72-2017)》8.6.2条提到:一般来说,当有地下水长期观测资料时,可根据历史上最高水位来推定和预测今后使用期间的地下水最高水位;当没有地下水长期观测资料,而对当地不同地貌单元地下水季节变化幅度有经验数据时,可按“勘察期间实测地下水位” +“地下水季节变化幅度”+ “意外补给可能带来的地下水升高值”来预测和推定抗浮设防水位。


西南某项目,抗浮水位根据勘察观测水位确定,未考虑勘察所处年份为干旱年,且周边水系在勘察期间施工截留等影响;后期建筑使用中地下水位上升超过抗浮水位,发生严重破坏。


局部结构刚度改变引起开裂图片。因此对于可能产生较大沉降和差异沉降情况下,应考虑刚度变化的过度,避免刚度突变,切记刚度突变必出现应力集中。

5. 地下水流动

地下水的流动可能引发如下地基基础工程事故:1)掏空地基产生很大沉降;道路塌陷,回填土地基;2)灌注桩桩身质量问题;3)基坑止水帷幕失效。


东部省份某项目受暴雨影响地面下沉严重,工程桩桩侧土下沉约50cm,基础垫层破坏严重。已完成结构底板与地基土脱离最大达1m。周边道路开裂严重。原因为地面雨水大量汇集在低洼处,下渗冲刷、沿古河道(填土掩埋)地下渗流,在此作用下地基土中细颗粒从粗粒骨架孔隙中被渗流携走。使土层的孔隙度增大,强度降低,对路基边坡(建筑基坑)的稳定性、地基沉降变形等造成不利影响。


下图左为正常的桩-承台-土共同工作的图片,右图为桩间土变形造成的高承台桩示意。高承台桩出现后,桩的受力模式与设计不一致,存在一定的安全隐患。


6. 承压水问题

承压水常常引起地基基础工程事故,其中发生概率最高的是基坑工程。在一些地区开挖深基坑时,常会遇到承压水,由承压水引起的基坑失稳风险包括以下类型:

坑底突涌,是指在基坑底部存在承压水时,随着开挖的进行,含水层上覆坑底土层厚度逐渐减小,当存在局部超挖或勘察孔在隔水层封堵方面存在问题时,隔水层常被顶穿,地下水涌入坑内,伴随坑外地表下陷的现象。一般基坑突涌有三种形式:①基底顶裂,出现网状或树枝状裂缝,地下水从裂缝中涌出并带出下部土颗粒;②基坑底发生流砂现象,从而造成边坡失稳和整个地基悬浮流动;③基底发生类似“沸腾”的喷水冒砂现象,使基坑积水,地基土扰动。


7. 排水路径改变

主要表现在山区地基,由于开挖、回填等引起排水路径改变,如下图,前面介绍的某项目设备池子上浮、山区填方和排水路径改变有关。


《建筑地基基础设计规范》
6.1.1条:“山区(包括丘陵地带)地基的设计,应对下列设计条件分析认定:8 地面水、地下水对建筑地基和建设场区的影响。”


6.1.4条:“山区建设中,应充分利用和保护天然排水系统和山地植被。当必须改变排水系统时,应在易于导流或拦截的部位将水引出场外。在受山洪影响的地段,应采取相应的排洪措施。”


三、施工顺序不当引起的工程事故

地基基础施工顺序不当可能影响地基加固效果,还可能引起地基基础工程事故。地基基础施工顺序应考虑地质条件、地下水情况、周围环境条件、地基处理设计及施工方法、桩基设计和施工工艺、季节、施工速度、经济等因素。科学合理的施工顺序对保证工程质量、加快施工速度、降低工程造价和避免地基基础工程事故非常重要。

很多设计人员认为施工顺序是施工单位考虑的问题,与设计无关;很多施工单位安排施工顺序时更多考虑的是施工的便利和经济因素,而没有分析对地基基础安全的影响。设计人员的不重视和施工单位考虑的局限性造成施工顺序存在盲区,施工顺序不当可能会引起地基基础工程事故和周围环境的破坏。

1. 工程桩与支护结构施工顺序

某海外项目地基基础工程事故处理,该项目周围10m左右范围内存在多栋老旧建筑,桩基施工过程周围建筑出现不同程度墙体开裂。设计采用灌注桩,桩端支承在中风化花岗岩,套管护壁,潜孔锤成孔。先进行桩基施工,后进行基坑支护。

事故的主要原因一是场地存在灵敏度高的淤泥(Mud);二是潜孔锤的振动;三是周围老旧建筑基础浅。不能忽视的重要原因还有施工顺序,如先进行基坑支护,后进行桩基施工,则可能避免周围建筑开裂的事故发生。


先打桩还是先做支护需要根据地基土性质判断。在以下几种情况下,应先进行基坑支护施工,后进行地基处理或桩基施工:
(1)地基基础施工场地周围有重要的对地基变形敏感的建(构)筑物、市政管线、道路;
(2)地基处理、桩基施工存在挤土效应;
(3)桩、CFG桩施工存在较大空孔;
(4)灵敏土场地采用振动施工工艺;
(5)施工荷载引起地面下沉;
(6)周围既有建筑基础埋深浅于拟建筑物。

2. 填土施工顺序

土方的回填对地基基础来说是个加荷过程,和施工上部结构增加荷载一样,不论是房心土、肥槽,还是场地回填,都会对地基基础沉降产生影响,即增大沉降。回填的顺序和时间不同,增大的沉降对建筑物的影响不同。从减小沉降对结构影响的角度出发,应及早回填。


主裙楼结构,裙房开裂,由于结构完工后才进行房心土回填。房心土导致主楼沉降加大,裙房不沉,产生明显斜裂缝。

施工顺序问题,某工程实测沉降曲线,见下图。施工顺序很重要,相关规范有很多规定,如建筑地基基础设计规范约有8条;桩基规范约有13条。

(其中斜率最大的部分为填土施工期间)

3. 结构施工顺序不当


施工顺序不当,也可能出现单侧裙楼的效果:主楼形心与中心不重合,偏心距增大,造成主楼倾斜。

《建筑地基基础设计规范》7.1.4规定:“荷载差异较大的建筑物宜先建重、高部分,后建轻、低部分”。但实际工程中,常常主裙楼同步施工,为避免主裙楼差异沉降对结构的影响,一般在主裙楼之间设置沉降后浇带。关键点在于沉降后浇带的浇筑时间和顺序。

《建筑地基基础设计规范》8.4.20规定“当沉降实测值和计算确定的后期沉降差满足设计要求后,方可进行后浇带混凝土的浇筑”。从规范的规定可看到,后浇带的浇筑时间是浇筑后主裙楼之间的沉降差满足设计要求,而不是结构封顶或建筑竣工。这应引起我们注意,单侧裙房的的情况下,后浇带浇筑时间不妥可能造成建筑物倾斜。对于双面裙楼,从施工顺序讲,最好对称浇筑。

主裙楼连体建筑施工顺序和地基变形与基础沉降有关系,相关技术人员应分析不同施工顺序对基础沉降的影响,特别是对不均匀沉降的影响。

《近年来地基基础工程事故原因分析》
刘金波 / 张寒 中国建筑科学研究院城市地下空间设计研究院

(注:本期《专家报告》内容仅用来学习及交流,版权归原作者所有,侵权删)

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