[分享]地基处理不当而引发的工程事故解析

发表于2019-02-08     1655人浏览     1人跟帖     总热度:989  

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预制桩遇石块造成工程事故

先看两张某项目的照片:
地基处理不当而引发的工程事故解析_1
    从照片可以看出,此项目墙体、梁柱等区域出现较严重的斜裂缝,是啥原因造成的呢?
    此项目基础采用40米长预应力混凝土空心方桩,支撑在基岩上,理论上沉降会比较小的。
地基处理不当而引发的工程事故解析_2
    但仔细研读地勘报告,我们注意到,此项目场地位填海区域,回填材料中含有最大直径超过2米的碎石,这个碎石对桩基有啥影响呢?
    我们先看看规范的规定,《建筑桩基技术规范 JGJ 94-2008》在3.4.4条规定:
     岩溶地区的桩基设计原则应符合下列规定:
    1 岩溶地区的桩基,宜采用钻、冲孔桩;
    2 当单桩荷载较大,岩层埋深较浅时,宜采用嵌岩桩;
    3 当基岩面起伏很大且埋深较大时,宜采用摩擦型灌注桩。
    主要考虑岩溶地区的基岩表面起伏大,溶沟、溶槽,溶洞往往较发育,无风化岩层覆盖等特点,设计应把握三方面要点:一是基桩选型和工艺宜采用钻、冲孔灌注桩,以利于嵌岩...
    规范的意思很明白,因为预制桩难以穿透基岩,而灌注桩可以用,当基岩表面起伏较大时,预制桩容易产生断桩、基桩倾斜等现象,所以宜采用钻、冲孔桩,而不宜采用预制桩。
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    本项目虽不在岩溶地区,但填中土存在很多大石块,当采用预制桩时,也可能出现岩溶地区采用预制桩的问题,就是预制桩遇到大石块时,也容易产生断桩、基桩倾斜等现象,故而本项目楼体产生了较大沉降差。
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    所以,如仅片面的强调规范指定的为岩溶地区,而不理解规范规定的核心内涵,仅仅靠规范文字,如“岩溶地区“,也可能引起工程事故!
未规定操作时间造成工程事故
    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~硬塑的状态,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。
    此项目桩基施工 完毕后,发现有些桩基单桩承载力不满足设计要求,见下表:
地基处理不当而引发的工程事故解析_5
    从上表可以看出,所有检测时间与施工时间相差大于90天的,其单桩承载力均不满足设计要求,而小于90天的单桩承载力均满足要求。可以明显看出,这是桩端岩层遇水软化引起的,当没采取一定措施,这种岩层在水里泡到一定时间后,就软化了。
    具体措施,建筑桩基技术规范 JGJ 94-2008》在4.1.13条规定:
    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。
    根据广东省采用预应力管桩的经验,当桩端持力层为非饱和状态的强风化岩时,闭口桩沉桩后一定时间由于桩端构造缝隙浸水导致风化岩软化,端阻力有显著降低现象。经研究,沉桩后立刻灌入微膨胀性混凝土至桩端以上约2m,能起到防上渗水软化现象发生。
    此项目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(就是桩打完后,马上就进行封堵),因为规范也没说。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,检测时间与施工时间相差大于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,采用其他方法,只要实现规范的目的即可。

未考虑填土产生附加压力造成工程事故

建筑地基基础设计规范 GB 50007-2011》规定:
5.3.5 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进行计算:
地基处理不当而引发的工程事故解析_6   (5. 3. 5)
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图5. 3. 5基础沉降计算的分层示意
    计算沉降时,其中附加压力p0非常重要,规范定义为,相应于作用的准永久组合时基础底面处的附加压力(kPa)。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,这在回填土地基中尤为明显。
    近几年很多回填土地基上的工程事故,其中一个很重要原因就是,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,甚至会危及到建筑的安全,下图为为回填土地基回填后土层深度变化示意图,回填土后原状土产生了超过半米的沉降,且沉降一直未稳定。如果这时候计算附加应力时,未考虑整个场地的不稳定因素,则严重低估后续总沉降。
地基处理不当而引发的工程事故解析_8
    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,其她7栋楼为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Dsu级建筑物进行拆除处理,对于Csu级建筑物进行加固处理。
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    此项目地质情况如下图所示,存在淤泥质土和粉细砂,其中粉细砂可能液化。
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    此工程设计采用碎石桩处理液化土并加固淤泥质土,方案好不好暂且不论。
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    处理完成后,业主提出要用回填土将场地垫高,回填土厚度约2米左右。为保证回填土的承载力,设计采用碎石回填。
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    在回填的碎石填土上进行了平板载荷试验,试验压板面积为1平米。测出来的地基承载力很高。其实,大家要明白,载荷板的影响范围不会超过级配砂石的,所以这个承载力高,是不能说明问题的。
    结果主体结构建完后,沉降一直不稳定,到最后将楼拆除。到底是什么原因造成的呢?
地基处理不当而引发的工程事故解析_13
    经过计算发现,片面理解规范的方法计算,即只按建筑产生的附加压力减去土重计算,沉降量约20mm,而考虑大面积填土为外荷载,沉降量约为200mm。用不同的力学模型计算,沉降量差10倍。
    所以,不能回填土填完后,就按照常规计算附加压力方法计算沉降就行了,也不是在回填土上做个平板载荷试验就能保证地基安全了,要注意回填土对整个原状地基稳定的影响。
    这里注意大面积回填土的附加应力系数选用,因为面积太大,用规范的方法确定的附加应力系数小了!
    我们一般用布辛奈斯克解计算土重的应力分布,也就是我们通常讲的压力泡。
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    在实际工程中总也出现过新建筑物的沉降引起既有建筑物破坏的案例。如果用布辛奈斯克解来分析附加应力对既有建筑物地基的影响,可避免新建筑物对既有建筑的影响。降水也能造成附加应力增大。
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    很多工程事故经验表明,出现工程事故不是我们算错了,而是我们算的不全,比如说你应该算四种工况,但我们只算了三种,而恰恰这三种没有包络住第四种工况。
    《建筑桩基技术规范 JGJ 94-2008》第3.1.4条规定: 下列建筑桩基应进行沉降计算,设计等级为甲级的非嵌岩桩和非深厚坚硬持力层的建筑桩基;
    什么是非深厚坚硬持力层呢?规范没有具体解释,因为没法给具体的指标,只是提醒我们要注意这个问题,如何判断呢?只能根据压力泡来判断。
    我们要理解规范规定的内涵,比如地基规范中常说的结构复杂建筑(跟抗规的结构复杂不是一个概念),一定是说地基的差异沉降对结构内力影响比较大,那就是结构复杂。

液化地基考虑不全产生工程事故

《建筑桩基技术规范 JGJ 94-2008》规定:
    5.3.12 对于桩身周围有液化土层的低承台桩基,在承台底面上下分别有厚度不小于1.5m、1.0m的非液化土或非软弱土层时,可将液化土层极限侧阻力乘以土层液化影响折减系数计算单桩极限承载力标准值。土层液化影响折减系数ψl可按表5.3.12确定。
地基处理不当而引发的工程事故解析_16
    很多工程师看到桩的承载力在考虑地震液化时允许折减,就错误的以为,只要对液化土层的极限侧阻力进行折减,桩基就安全了。
    实际《建筑桩基技术规范 JGJ 94-2008》还有一个规定:
3.4.6 抗震设防区桩基的设计原则应符合下列规定:    
    4 对于存在液化扩展的地段,应验算桩基在土流动的侧向作用力下的稳定性。
    所以要结合抗震规范的规定对液化进行处理,不要简单的认为桩的承载力在考虑地震液化时折减就安全了,应综合考虑,不处理液化桩要加强。一些工程事故调查发现,液化时,我们的边桩事有问题的,因为边桩的竖向力大,再加上比较大的水平力,是很容易破坏的,如下图所示。这种情况下,尤其边桩桩身要加强。
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桩身轴力考虑不足
《建筑桩基技术规范 JGJ 94-2008》规定:
5.8.2 钢筋混凝土轴心受压桩正截面受压承载力应符合下列规定:
    1 当桩顶以下5d范围的桩身螺旋式箍筋间距不大于100mm,且符合本规范第4.1.1条规定时:
地基处理不当而引发的工程事故解析_18[5.8.2-1]
2 当桩身配筋不符合上述1款规定时:
地基处理不当而引发的工程事故解析_19[5.8.2-2]
 式中  N——荷载效应基本组合下的桩顶轴向压力设计值;

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    上述规范提到的“桩顶轴向压力设计值”,在一般情况下,桩顶受的力最大,随着桩侧摩阻力的发挥,桩身轴力逐渐衰减,对应的在桩顶处箍筋加密。但在特殊情况下,如装侧土欠固结、湿陷等,会出现负摩阻力,在负摩阻力作用下,中性点处轴力最大。
    如上图所示,中性点处轴力Nmax为桩顶力加上负摩阻力,大于我们常规以为的用PKPM或YJK计算的桩反力。

摩擦型桩和端承型桩如何区分?

《 建筑桩基技术规范 JGJ 94-2008》规定
3.3.1 基桩可按下列规定分类:
    1 按承载性状分类:
        1) 摩擦型桩;
        摩擦桩:在承载能力极限状态下,桩顶竖向荷载由桩侧阻力承受,桩端阻力小到可忽略不计;
        端承摩擦桩:在承载能力极限状态下,桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力承受。
        2) 端承型桩:
        端承桩:在承载能力极限状态下,桩顶竖向荷载由桩端阻力承受,桩侧阻力小到可忽略不计;
        摩擦端承桩:在承载能力极限状态下,桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承受。
  
  对于摩擦型桩和端承型桩,规范给出了分类,但并没有给出端阻力占的比例,一些人说端阻力超过50%,一些人说超过80%,实际多少合理?应该看规范其它规定,领会划分的目的。
《 建筑桩基技术规范 JGJ 94-2008》规定
5.4.3 桩周土沉降可能引起桩侧负摩阻力时,应根据工程具体情况考虑负摩阻力对桩基承载力和沉降的影响;当缺乏可参照的工程经验时,可按下列规定验算。
    1 对于摩擦型基桩可取桩身计算中性点以上侧阻力为零,并可按下式验算基桩承载力:
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2 对于端承型基桩除应满足上式要求外,尚应考虑负摩阻力引起基桩的下拉荷载,并可按下式验算基桩承载力:
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    条文说明:桩周负摩阻力对基桩承载力和沉降的影响,取决于桩周负摩阻力强度、桩的竖向承载类型,因此分三种情况验算。
    1 对于摩擦型桩,由于受负摩阻力沉降增大,中性点随之上移,即负摩阻力、中性点与桩顶荷载处于
动态平衡。作为一种简化,取假想中性点(按桩端持力层性质取值)以上摩阻力为零验算基桩承载力。
    2 对于端承型桩,由于桩受负摩阻力后桩
不发生沉降或沉降量很小,桩土无相对位移或相对位移很小,中性点无变化,故负摩阻力构成的下拉荷载应作为附加荷载考虑。
    从上面规范的规定可以看出,摩擦型桩在负摩阻力下产生位移,而端承型桩在负摩阻力下不产生位移,所以摩擦型桩和端承型桩是和它在受力工况下的位移挂钩,而不是简单的和力挂钩。
复合地基技术规范 GB/T 50783-2012
14.1.3 刚性桩复合地基中的刚性桩应采用摩擦型桩
    在使用过程中,通过桩与土变形协调使桩与土共同承担荷载是复合地基的本质和形成条件。由于端承型桩几乎没有沉降变形,只能通过垫层协调桩土相对变形,不可知因素较多,如地下水位下降引起地基沉降,由于各种原因,当基础与桩间土上垫层脱开后,桩间土将不再承担荷载。因此,本规范指出刚性桩复合地基中刚度桩应为摩擦型桩,对端承型桩进行限制。
    从规范有关端承桩和摩擦桩的系列解释看出,我们看到所谓端承桩,其条件是桩端位移很小,摩擦桩是桩端位移很大,而不是简单的按端阻力所占比例划分,简单的按端阻力所占比例划分容易出现误区,如下图,超长桩和扩底桩,超长桩很长,端阻力可能是零,属于摩擦桩,但可能桩端位移很小,对于扩底桩可能终端阻力很大,但可能桩端位移也很大。
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 发表于2019-02-08   |  只看该作者      

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