[分享]超详细的深基坑桩锚支护破坏事故案例分析

发表于2015-10-21    1717人浏览    7人跟帖    总热度:743  

标签: 地下空间
小编语
       同任何工程结构都无法做到百分之百安全一样,采用桩锚支护体系也同样不能做到百分之百的安全可靠。因为如果在个别地方考虑不周,或在施工过程中的某一环节上做得不到位或达不到原设计的质量要求,就有可能功亏一匿,酿成事故,导致整个支护结构的倒塌。
       北京某一深度仅有I1m、采用桩锚支护体系的基坑,在一场大雨之后突然倒塌。本文结合这一工程事故,对桩锚支护体系的破坏形式及其原因进行探讨,并对本工程的事故原因做分析,以便使广大同行能引以为戒,避免类似事故的再次发生。

       1、桩锚支护体系的破坏形式及相应原因

       桩锚支护体系是指护坡桩配合一道或多道锚杆的支护形式,它是一种超静定结掏,稳定性好,安全性能高,因而是深基坑支护的主要形式之一。本文的讨论主要是针对护坡桩加一道锚杆的支护形式——单锚支护体系。

       就单锚支护体系而言,支护系统的安全可靠性是通过以下三方面获得保证的;(I)桩有足够的嵌固深度;(2)桩身有足够的强度和刚度;(3)锚杆能提供足够的锚拉力井且能将锚拉力可靠、有效地传递到桩上。

       这三者中的任何一方面出现问题,都会导致支护体系的结构破坏从这个意义上讲,桩锚支护体系的可能破坏形式及其相应的破坏原因可概括为三种(图1)。
超详细的深基坑桩锚支护破坏事故案例分析_1

图1 桩的三种破坏形式
(a)一剔脚破坏;(b)一桩身断裂破坏;(c)一倒覆破坏

       1.1 剔脚破坏

       桩底端剔出,桩体绕锚点转动,原因是桩的嵌固深度不足。

       1.2 桩身断裂破坏

       桩身在最大弯矩处断裂,桩体从跨中断为两截。出现这种破坏的原因或者是桩体强度不足(配筋不足或混凝土强度不足或桩体有质量缺陷),或者是桩体因刚度不足导致跨中变形过大而折断。这种破坏的标志是桩从跨中断裂。

       1.3 倒覆破坏

       锚杆因某种原因而失效或因某种原因使未失效的锚杆无法正常发挥作用(即无法将锚拉力有效传到桩上)。使桩由锚拉支护转变为悬臂形式,桩的受力状态发生改变,导致桩体整体倒覆。这种破坏的标志是桩整体倒覆,桩从根部折断。发生这种破坏的原因可能有:

       (1)设计失误。由于计算错误或因考虑的因素不够周全,使锚杆的承载力(锚杆实际能提供的锚拉力)不足,致使锚杆被拉断或从土中被拔出,锚杆失效,桩体因失去约束而倾倒。一般出现这种情况的可能性较小。

       (2)由于实际条件发生变化,使实际作用于桩上的外推力大于原设计锚杆能提供的锚拉力,锚杆因承受了过大的外荷载而被拉断或被从土中拔出,桩体因失去约束而倒覆。出现这种情况的具体原因可能比较复杂,如地面堆载过大;地面大面积粤{水使水体下渗导致土的强度降低,土压力加大;桩后积水并发生渗流,水压力加大等等。
       因这两种原因而导致的破坏,其表现形式都是一样的即锚杆被拉断或被从土中拔出。通过对原设计方案进行复核以及通过现场调查,则容易将这两种原因区分开来。

       (3)锚杆虽有足够的承载力,但桩和锚杆的莲接系统出现问题,使锚杆拉力无法有效传到桩体上,锚杆无法正常发挥作用,桩因失去支撑而倒覆。这种原因造成的破坏,在形式上表现为锚杆完好无损(既未被拉断,也未被拔出),锚杆从腰粱缝隙中脱出或腰粱发生脱落等。

       2、某工程护坡桩倒塌原因分析

       2.1工程概况

       某工程基坑开挖深度为11m,场区范围内地层条件自上而下依次为:1.6m杂填土,16~5.1m粘质粉土,5.1~11m粉质牯土,11~15m粘质粉土,15~21.5m粘质粉土与粉质牯土互层,21.5m以下细中砂。

       据勘察报告提供资料,本场地地下水情况较简单,影响基槽施工的主要是埋深在3m左右的上层滞水,主要赋存于牯质粉土、粉质粘土等细粒地层中,含水量不大。

       根据上述条件,为确保基坑工程的安全,本工程采用了桩锚支护体系,并采取了大口井降水措施(井深22m)。护坡方案为:沿基坑四周布置直径为0.6m的护坡桩,桩间距1.2m,在一3.5m位置设置一道锚杆、锚杆与桩体之间通过腰粱(2[20a)连系在一起。护坡桩设计计算采用的是常用的等值粱法.主要结果为:

       (1)桩身最大弯矩为264kN·m,混凝土采用(C20,桩身配筋为5φ22mm+5φ18mm。

       (2)锚杆:根据计算,可采用三桩两锚,锚杆自由段长4m,锚固段长12m,锚固体直径为0.l5m,设计锚力250kN,扦体采用3φ22mm,土的摩阻力设计取为65KPa,腰粱为2[22a,杆体抗拉安全系数为1.59,锚固段承载力安全系数为1.53。

       (3)嵌固深度根据计算,嵌固深度需3.1m,实际取嵌固深度为3.5m。

       2.2施实效果

       按上述方案实施后,效果是比较好的,验收试验表明锚杆达到了设计要求,至事故发生之时,基坑已挖至设计槽底一周左右,从预先埋设的观测点观测到的结果证明,桩基本没有发生位移,说明支护方案是可靠的。就类似工程经验来看,该支护方案也是偏于保守的。支护方案及发生倒桩段的位置见图2。
超详细的深基坑桩锚支护破坏事故案例分析_2

图2 某工程支护平面
1一邻近平房;2一倒桩段

       尚需指出的是,在基坑北侧距基坑3m左右灶,仍然住着数户居民(简易平房),由于建设单位与居民间就拆迁、补偿等方面迟迟达不成协议,致使居民仍滞留在平房内生活,居民生活所用厨房及下水道均为自建,常年失修,渗漏严重,由恰逢盛夏,居民洗澡比较频繁、渗水量加大。下水道渗漏的污水直接渗入边坡土体,使土的强度明显降低,对边坡的安全造成严重不利影响,但并未引起有关方面的足够重视。

       2.3桩锚体系倒塌过程

       8月初的一天夜里下起了大雨,并持续了一夜,第二天清早8点左右,在前后不足5min的时间内,恰恰是邻近这几户居民的一段护坡桩轰然倒塌。据现场目击者介绍,护坡桩的倒塌过程是:组成腰粱的两根槽钢自东向西被拉开,下面一根槽钢坠落(此时锚杆与桩的连系已经失效,锚杆的拉力无法正常传到桩上)。腰梁塌落后桩又呈悬臂状态挺立了片刻,然后就整体倒塌。

       2.4对本工程倒桩原因的分析

       桩锚体系的破坏形式是其破坏原因的外在表现。因此,分析桩锚体系的破坏原因必须从其破坏形式人手.依据其破坏形式推断其破坏原因。从前述情况看,该工程护坡桩的破坏显然不属于剔脚破坏,也不属于桩身断裂破坏,也就不存在嵌固深度不足以及桩体强度不足或刚度不足的问题。

       根据事后对原方案的复核,也证明该工程护坡桩的嵌固深度和桩身强度(包括桩身混凝土强度及配筋量等)都是足够的根据对护坡桩倒塌过程进行了解,可以断定本工程桩锚体系的破坏属于第三种形式——倒覆式破坏,而且根据复核原方案,特别是根据从现场调查掌握的情况看,破坏原因属于本破坏形式中的第三种原因,即桩锚连系失效,锚杆拉力无法正常有效传到桩上.理由如下:

       (1)根据复核,锚固段地层可提供的抗拔力可达370kN,安全系数达1.53,锚杆杆体采用的是3φ22mm钢筋,其抗拉能力选380kN,安全系数达.59,都超过规范规定的1.5的要求。

       (2)从现场调查掌握的情况看,可以确认锚杆既未被拔出,也未被拨断,这是支持上述判断的最直观、最有力的依据。

       (3)根据计算在桩距为1.2m,设计锚力为250kN的条件下,用2[22a做腰粱,其安全系数可达2.1以上,也不存在腰梁强度不足的问题。

       (4)现场目击者介绍的情况显示出桩的倒塌过程是:构成腰粱的两根槽钢中的下面一根坠落,桩随后倒塌,这一过程显示出是桩与锚杆的连接失效,致使锚杆的拉力无法有效传到桩上所致。

       很显然,使两根槽钢分开的原因不外乎两个:一是两根槽钢问的连接强度不足。如未按设计要求进行焊接或焊接不牢;二是槽钢承受了超过了原设计的下拉力,过大的下拉力将原本连在一起的两个槽钢拉开。从调查结果来看,主要原因是第二个,分析如下:

       紧邻出事段居住的居民,每天在自建的小厨房内洗衣、洗菜、洗澡,用水量较大,而下水道也属自建,非常简陋,渗水严重。生活污水长期、大量的下渗,使土体含水量加大,土的强度大大降低,重度增加.致使土压力加大.作用在桩上的推力加大(即使如此也并未将锚杆拉断或拔出);此外.污水还沿潜在滑动面下渗致坡脚处,并已在事故发生前发现在坡脚处有泥浆外流。沿滑裂面下渗的污水进一步润滑了滑动面,使整个滑动体下坠,下坠的滑动体牵动锚杆下移,并最终将力传致腰粱上.腰梁因承受不了该额外的下拉力而分开.此时便出现了底下一根槽钢坠落,桩锚连系失效,锚杆无法继续发挥作用.桩最终因失去约束而倒塌。这一过程可概述为:污水管渗漏一土体向下蠕动一产生下滑力一推动锚杆下移一力传至腰梁并将腰梁拉开一腰粱失效。
超详细的深基坑桩锚支护破坏事故案例分析_3

图3 失事原因分析
1一渗漏污水管;2一潜在滑动面;3一向下蠕动土体

       根据简化计算的结果,当土的c、ψ分剐由20kPa和30°降致10kPa和20°时,土体的蠕滑而产生的下坠力可达180kN/m,该力远超出原设计的连接强度,把原本主要承受水平力的腰粱拉开。

       从发生倒桩的平面位置看,在周长达300m的整个基坑中,发生倒桩的恰恰是紧邻这几户居民的长度只有不到30m的一段范围(图3),其它地段的桩均安然无恙,这也是倒桩与居民用承严重渗漏之间存在密切关联的有力证据。

       3、从该工程中应吸取的经验教训

       基坑工程虽然是临时性的,但一旦出现事故,所造成的影响和损失都是巨大的,有时甚至会出现人员伤亡。因此,必须对基坑工程设计、施工、管理中的每一个环节甚至是每一个细节给予足够的重视,因为问题往往发生在不经意之处。此外,我们必须从工程事故中吸收教训,不断总结经验,使基坑支护技术得以发展和提高。通过本工程实例,我们可以得到以下几点启示:

       (1)加强对腰梁的设计计算和对其施工、安装质量的检查、监督。在基坑工程中,腰梁的设计计算常常被忽视,仅按单向受弯进行抗弯承载力验算,并根据一般掏造要求进行腰梁的加工、焊接。当施工时束完全按设计要求进行焊接或焊接质量选不到设计要求时,就给整个支护体系的安全稳定留下隐患。因此,在以后的工作中,要特别加强对腰梁的设计计算和对腰梁加工、连接质量的检查、监督,发现问题及时处理。

       (2)加强现场管理,对有可能危及到基坑安全的不利因素,如在坑边大量堆载,基坑边积水,地下管线渗漏.跑水使土体含水量加大等,要及时发现及时妥善处理。就本工程而言,如能及时将这几户居民迁走,不发生生活用水长期持续的下渗,相信是不应该出现这种事故的。

       (3)加强对护坡桩的水平位移及边坡附近地表沉降的监测,特别是加强现场巡视,及时发现一些事故前的宏观征兆.如地表沉降、护坡桩位移、地表裂缝等,以便及时采取预防措施,将事故制止在事发之前。
作者:张钦喜 霍达 尹宜成 王圣彬
超详细的深基坑桩锚支护破坏事故案例分析_4
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学习一下。事故隐患无处不在,应加强监测

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