马 凯 张婵婵

1 概述

设计院某工程在开挖基坑后发现桩已经发生了倾斜甚至弯断。虽然国内有关规范已制定相应的条款,要求加强开挖基坑的防护,避免边坡失稳,但由于对软弱地基深开挖基坑下土的侧向流动和桩的受力机制重视不够,或者未能严格按照规范要求组织施工,以致这类工程事故时有发生。

2 软土的物理力学性质

软土一般是指在静水或缓慢流水环境中以细颗粒为主的近代沉积物。由于各类软土的成因条件不同(沿海、内陆或山区),导致土的结构强度上有差别,虽然土的物理性质指标相近,但力学性质往往有所不同。

滨海沉积是在较弱的海浪岸流及潮汐的水动力作用下,逐渐沉积淤成。表层硬壳厚0 m～3 m,下部为淤泥夹粉、细砂透镜体,淤泥厚5 m～60 m,常见贝壳及海生物残骸,表层硬壳之下,局部有薄层泥炭透镜体。滨海相淤泥常与砾砂相混杂,极疏松,透水性强,易于压缩固结,三角洲相多薄层交错砂层,水平渗透性较好。泻湖相、溺谷相淤积一般更深,松软。软土的天然含水量高、孔隙比大、透水性低、高压缩性、抗剪强度低。软土具有絮凝结构,是结构性沉积物,具有触变性。当其结构未被破坏时,具有一定的结构强度,但一经扰动,土的结构强度便被破坏。

软土具有流变性,其中包括蠕变特性、流动特性、应力松弛特性和长期强度特性。蠕变特性是指在荷载不变的情况下变形随时间发展的特性;流动特性是土的变形速率随应力变化的特性。

根据土的蠕变特性,基坑开挖较浅时,坡下土中偏应力水平较低,土的侧向位移较小,主要为弹性瞬间位移;开挖较深时,土的侧向瞬时位移增加,并伴有缓慢的稳定蠕动;开挖到足够深时,坡下软土层中的偏应力达到屈服值,土将产生较大的加速蠕变,直到最后破坏(见图1)。

从查阅的资料来看,某工程基坑开挖后,打入的几百根桩中,大量桩发生倾斜并有折断。为补强,在桩群外围加打几十根桩。经过一段时间,补桩也全部倾斜。事实表明,软土的蠕变持续发展,可以达到相当可观的程度。

3 实例分析

1)工程概况。某民用建筑,剪力墙结构,基础为预应力混凝土管桩。2)工程地质条件。拟建工程场地的原始地貌为海积阶地及滨海地貌,因工程建设需要,形成如今的填海地貌,现地势较平坦。①-1层:素填土,层厚1.50 m～10.20 m;①-2层:淤泥混砂,层厚 0.50 m～ 6.00 m;①-3层:块石,层厚 0.50 m～ 10.00 m;②层:海冲击层(粉质黏土),层厚0.50 m～4.20 m;③层:残积层(黏土),层厚2.00 m～15.10 m;④-1层:全风化泥岩,层厚 0.50 m～11.00 m;④-2层:强风化泥质砂岩,层厚 0.70 m～12.30 m;④-3层:中风化泥岩,层厚1.50 m～5.40 m。3)事故情况和分析。检测中心对36根建筑中心桩桩身全部进行了低应变检测,其中有20根为三类桩,已影响桩身结构承载力,桩身质量缺陷部位的标高在-10 m上下(该标高处于淤泥层与中密、致密土层结合处)。根据现场实测观察,基坑四周均出现了50 mm～80 mm的纵向裂缝,顶部土方标高均有200 mm～300 mm的沉降,土方开挖后该部位的桩身有明显的倾斜现象(偏向西侧)。根据勘察测绘院提供的勘察报告显示,在标高为-7 m上下均存在1 m～4 m厚的淤泥层。中心桩基坑开挖过程中由于四周土体自重及东侧振动荷载(东侧为土方运输坡道,供土方运输车辆行驶)的影响使得淤泥层上部土层向基坑低处方向滑动,从而带动淤泥层以上桩身跟土层一起滑动(开挖顺序自西向东分层开挖),而淤泥层下部桩身均处于中密或致密土层中,受到一定的约束作用,桩身在淤泥层产生应力集中而破坏。淤泥层土呈饱和状态,流塑性很大,该层土基本无抗剪能力。本工程在基坑开挖过程中,未采取有效的桩身保护措施,边坡支护也不合理,土方开挖时对地质条件影响因素考虑不全面,对软土物理力学性质的认识也不充分。4)工程结论。造成本次质量事故的主要原因是地质条件的影响,其次是施工过程中考虑问题不全面。从承包模式看,基坑支护施工一般都实行分包,有些是业主直接将基坑工程分包给了专业公司,然后纳入总承包单位管理;另一种模式是业主将基坑任务交给了总承包单位,再由总承包单位进行分包。前一种模式因业主将任务直接分包,故在总承包单位管理时易出现管理难的问题,而后一种模式容易出现工程质量问题。

4 结语

1)土的水平位移能使置于该土中的桩产生较大的弯曲和挠曲变形。因而若在软弱地基上进行深基坑开挖,应考虑采用有效的支挡围护措施,以避免坑底软土产生过大的水平位移,防止桩基产生过大的挠曲变形以致受弯折断。2)承受土体水平位移桩的嵌固深度对桩身弯矩值影响较大,桩身最大弯矩点在嵌固土层的顶面附近(见图2)。相同情况下嵌固深度越大,桩身弯矩也就越大。但增加嵌固深度对减少桩顶水平位移的作用并不十分显著,特别当桩穿越产生较大水平位移的软土层,且软土层厚度较大时,几乎不起作用。因而在软弱地基深挖基坑时,若试图靠增加桩的嵌固深度来减少桩的倾斜,不但作用不明显,还会增加桩身弯断的可能。3)对于承受土体水平位移的桩,其抗弯刚度对桩身弯矩值也有较大影响,但对桩顶水平位移影响不大。其他条件均相同时,桩的抗弯刚度愈大,桩身弯矩亦愈大,而桩顶水平位移减小则不明显。因此在类似工程设计时,为了防止混凝土开裂和弯断,考虑采用预压力钢筋混凝土或适当提高桩截面配筋率,比提高桩身混凝土强度和增大桩的截面尺寸更有效。

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