老黏性土場地深基坑工程的施工探討

王珍菊

老黏性土一般都具一定膨脹性和微裂隙性,在非飽和狀態下具有較高的抗剪強度,尤其是凝聚力高。在基坑開挖過程中,如無外水浸入則土壓力較低,其土壓力呈太沙基—佩克包絡線分布,一般不出現朗肯土壓力破裂面,裸露邊坡因干裂出現剝落或坍塌,此時土壓力小于朗肯理論計算值;如果土體受外水浸入而部分飽和,其凝聚力顯著降低,此時土壓力會增大,往往大于朗肯理論計算值。進一步發展將會出現楔形滑裂面,并漸進式發展成為滑坡[1,2]。從武漢市來看,老黏性土主要分布在武昌、青山和漢陽市區及其以南的郊縣,漢口、東西湖的北部及其以北的郊縣。由于在武昌已興建了一批高層建筑,故老黏性土場地的深基坑工程案例已不在少數,成功、失敗,經驗、教訓均可借鑒。

1 老黏性土場地深基坑工程設計施工中的主要問題

1)正確認識、運用老黏性土的高強度。老黏性土在未經擾動情況下,確實具有很高的強度和很低的壓縮性,但在開挖卸荷、浸泡、干裂等外界條件改變后,其強度將急劇衰減。而在其結構破壞、含水量反復變化后的殘余強度又將是極低的。因此,在選取利用老黏性土的力學指標時,要根據工程可能出現的各種情況慎重選取。

如勘察資料完整可靠,場地環境條件簡單并且充分明確,施工隊伍素質高,施工組織合理,質量和工期可以嚴格控制,那么我們在支護工程的設計計算中,就可以取較高的指標,以充分利用黏性土的高強度,節省工程造價;反之,就只能選取較低的指標,以保證安全。

2)老黏性土的破壞模式及支擋結構上土壓力的分布。深基坑支擋結構上所受側壓力,應隨被支擋土體的性質計算所選取的破壞模式及支擋結構的不同而不同。老黏性土邊坡的破壞,是從表層淺部的土塊沿裂隙面的崩落、滑塌開始的。各種地質營力是促使裂隙發育的外部原因,表層裂隙發育后,各種地質營力又通過裂隙向深層作用,促使裂隙向深層發展。簡單的邊坡保護就可大大減小地質營力對土體的侵蝕,一定的約束力就足以阻止淺層裂隙的發育。我們應當在這個前提下,來討論研究老黏性土場地深基坑支擋結構的土壓力問題。

如對懸臂式支擋而言,其變形通常認為是繞基底下某一點轉動的,而對于樁錨結構所有的錨桿都可以看成為一個固定荷載支點,在這兩種情況下,其側向壓力分布按靜水壓力公布圖式考慮已具有足夠的工程精度。但由于老黏性土具有較高的凝聚力,在支護結構某些部位算得土壓力可能為負值,此時考慮到老黏性土的某些特性,在其主動側凡 ea(ema)＜0.25γz處,均應加至0.25γz的土壓力。

對內支撐擋土結構,由于內支撐約束力的強度大,變形甚至是不可能的(絕對地說),老黏性土的裂隙也無法向深層發展,加上其自身的高強度,可以認為在這種支擋結構保護下的老黏性土邊坡,其作用在支護結構上的土壓力可能在很大的范圍內都是恒定的。其分布模式可按圖1考慮。

根據現有資料,對老黏性土場地采用此種土壓力計算圖形計算,可使支護結構達到安全、經濟的效果。不然,也可借鑒常規的土坡穩定分析方法中的基本思想,根據深基坑工程技術規定確定的老黏性土的潛在破壞模式,求出作用在支護結構上(0.20～0.30)H寬度范圍內側壓力最大值Ea,以此作為支護結構的設計依據。Ea的作用點,為簡化計算,可假定作用在支護結構的中部。在計算中,裂縫開展深度可按Ⅲ估計,裂隙開展深度內應不計抗滑力,如圖2所示。

3)老黏性土場地深基坑支擋設計的指導思想。從以上的討論中,可以得出這樣的結論,在老黏性土場地的深基坑支護設計中,應特別針對老黏性土邊坡破壞是從地基淺層小塊土體崩裂、滑塌開始的,實際著眼于抑制這些裂隙的發生、發展,以達到保護整個邊坡安全穩定的目的。需要指出的是允許支擋結構有少量的變形,以釋放老黏性土中的應力而又保持其較高的強度,則是十分必要而又要求慎重掌握的。

下述工程B在支擋設計中,首先采用鄧肯—張模型用反轉荷載法模擬深基坑開挖卸荷過程,研究其邊坡拉裂區的發展狀況,找出在邊坡拉裂區發展到某種狀況時,既可保證基坑壁的安全,又能充分發揮老黏性土的自身強度(該例為:卸荷67%時拉裂區僅發展到臨空面的2 m～3 m之間),并計算出此時的荷載,再用極限平衡法計算在這種情況下保證邊坡穩定所需的單元錨固力,兩者比較選取合理的設計值設計支擋結構。實踐證明,這種做法是安全,且經濟合理的。

4)切實重視水對老黏性土邊坡的危害。老黏性土不是含水層,這是眾所周知的。但水對老黏性土邊坡穩定的嚴重危害卻并非人人都知曉的。實際上,老黏性土基坑邊坡失穩,幾乎百分之百與水直接或間接有關。

從場地地質構成看,多數老黏性土場地上都覆蓋有人工填土或第四紀全新世(Q4)的堆積物,它們多是含水的,有些甚至是軟塑、流塑狀淤泥或淤泥質土。這些含水層的補給來源十分復雜,除大氣降水外,對城市居民區來說,管網破損的滲水,居家生活污水,其他來源的地表水等都是補給源,而且這些補給源往往都是難于預測控制的。它們不斷補給這些含水層,使它們長年處于飽水狀態,使下伏老黏性土接觸面上的土含水量增高,物理—力學性質急劇惡化。更重要的是在基坑開挖后,老黏性土被暴露,裂隙張開,這些水迅速浸入裂隙中,使裂隙急劇擴大。土的整體性急劇破壞,土的強度急劇降低。

在租金方面，按照350元/間·年⑤的統一標準出租，租期至少15年及以上，一次性將房租租金支付給戶主，租房者出錢裝修。調研時，村民對于將老宅出租的做法很是認可，認為是“劃得來”的生意。閑置的老宅重新得到利用開發，不僅增加了農戶的財產性收入，新業態也帶來了人氣，帶動了農副產品的銷售，村民們足不出戶就能享受到旅游發展帶來的增值。

更應引起我們重視的是,即使老黏性土上沒有覆蓋含水地層,在基坑施工開挖過程中,上述地表水如浸入場地(這在許多工地是經常發生的),也同樣會對坑壁造成嚴重的危害。采取的對策應該是:對上述含水層在基坑開挖過程中即予封堵,或堵截補給源,并予排除。保證上述含水層中的水不浸入新開挖的老黏性土層中,排除基坑周邊一定范圍內的地表水通道;固化基坑周邊3 m～5 m的地面(做成混凝土路面),封閉一切開挖后暴露的作業面(用磚砌或噴抹水泥砂漿);及時排除基坑中的積水,以避免老黏性土含水量急劇變化。

5)信息化施工是深基坑工程順利進行的保證。基坑工程是巖土工程中的一種,其事故的發生,必然有一個從量變到質變的過程,信息化施工是巖土工程—深基坑工程施工的一個原則,按設計進行施工,在施工過程中不斷觀測獲得各種相關信息,對設計進行調整修改,再按新的設計進行施工,以此循環往復直至工程完成。

由于老黏性土的高強度指標容易被濫用,如環境(特別是水)的條件改變時,很容易出現支擋結構審美觀點破壞,如果設計上采用了以抑制裂隙發育為目的的設計思想,也容易出現類似的問題,加上老黏性土達到峰值強度的變形值很小,所以,對支擋結構的變形監測就顯得特別重要。

“水”是老黏性土邊坡的大敵。對水(地下水和地表水)的觀測,更應放到最重要的位置上,對任何地位可勘察資料未提及、設計中未考慮的、新出現的有關水的情況,都必須由勘察、設計、施工各方共同研究作出評價處理。如暴雨時期沿斜坡、電纜溝、管道溝、舊的甚至已被廢棄的排水道沖來的雨水,上下水管道突然破裂涌出的自來水或污水。基坑周邊硬化路因堆料、行車壓裂而可能導致地表水深入基坑,因油墨錨桿或其他施工作業破壞了基坑作業面保護層(磚或水泥砂漿抹面)可能導致老黏性土水含量變化,施工人員的生活污水或施工用水管理不當流入基坑的水等。

2 工程案例分析

武漢地區老黏性土一般是指分布在河流高階地,沉積于第四紀晚更新世(Q3)及其以前的黏性土,其礦物成分主要為石英、長石,但也含有較多高嶺土、伊利石、云母和一定數量的蒙脫石。具親水性,有一定的膨脹—收縮潛勢。老黏性土在力學特征上是一種高度超固結裂隙黏土,自然條件下呈堅硬或硬塑狀態,強度較高,在排水情況下,它具有峰值強度后應變軟化的特征[3]。這里來分析一下同樣位于武昌Ⅲ組階地,相距僅千余米的兩個開挖深度相近的深基坑工程,從中獲得一些啟示。

1)工程A:以直徑 900 mm,長20 m,樁距1.40～1.80的人工挖孔樁作支擋結構,樁身配以17根φ 25的主筋對場地附近的水及已有建筑未做任何處理。在開挖到設計深度(9.00 m左右)時,發生了12根樁倒塌折斷、4根樁嚴重歪斜變形的嚴重事故。造成這一事故的直接原因是該處基坑壁出現了長約31 m、寬約7 m,后緣落差達5 m,坍塌量約1 200 m3的滑塌體。這一事故的發生,造成了巨大的經濟損失和嚴重的不良社會影響。2)工程B:基坑周邊先做地表淺層卸荷減載,再設置直徑400 mm,間距1 m,長10 m的鉆孔灌注樁,樁身配以8根φ 16的主筋,加兩排長 9 m、直徑150 mm的錨桿作為支擋,同時對水及周邊鄰近的已有建筑均做了妥善處理。

該基坑不但安全開挖完成,而且停工暴露兩年之久未出現任何不安全跡象,該工程現已全部建成完工,取得了理想的技術經濟效果。

上述兩個工程,處于同一地貌單元,有相似的地質構成和巖土工程條件,環境亦相差不大,且開挖深度相同,但其技術經濟效果卻相差甚遠,最根本的原因就是對老黏性土的認識不同。

其一:工程B的設計施工人員,對老黏性土的工程特性有較正確全面的認識,故他們在支護設計的指導思想上是“充分發揮土體的自身強度”,但他們也了解到,老黏性土因裂隙發育,在開挖暴露后必將出現土質變化,強度衰減,故關鍵是抑制住開挖初期土體裂隙的擴張脹大,故其計算擴散工藝主要就是著眼于抑制早期坡面的變形,從而達到整個邊坡穩定的目的。

而工程A的設計施工者將老黏性土邊坡等同于一般黏性土邊坡,他們在支擋工程設計中不但未深入分析老黏性土的物理力學特性,而且將土工試驗報告中提供的力學指標加大、提高使用。故其支護工程在老黏性土邊坡開挖浸水、強度急劇降低后,根本無法保證邊坡的穩定(偏于不安全),而在和其他技術措施共同作用控制邊坡的初期變形上,又顯得過于浪費、保守。

其二:工程B的設計施工者深知“水”對老黏性土的危害,對水的治理十分重視。他們首先表明了覆蓋于老黏性土上的“填土中的上層滯水及大氣降水是影響基坑施工及邊坡穩定的主要來源”,又了解到“上層滯水的主要補給源為生活污水”,因而針對性地采用了對生活污水進行源頭封堵的措施。在鎖口梁上設截水溝,截住流向基坑的地表水及上層滯水的側滲,對基坑邊,包括地面,以砂漿或混凝土封閉,最大限度地減少老黏性土含水量的變化,從而保持其工程質量的穩定。該工程由于對場地水文地質條件的正確認識,采取的防水保濕措施恰當,使工程實際運行期間基坑周邊土體的工程性質因為土體含水量的穩定而未發生變化衰減,從而保證了工程的長期有效。

工程A的設計施工者認為老黏性土本身為不含水層,明確提出“不考慮地下水的作用”。事故發現后“該坡段有居民樓和公共廁所化糞池兩處,且都有水泄漏”“使周圍土體日漸飽和,此外,尚有多處被堵塞的在使用中的下水道長期向外滲水”。事實上“施工期間居民樓的生活污水、大氣降水長期向工地滲流”,當時的城建簡報稱“在倒塌的護坡樁范圍內,發現有5股應該排向市政排水管的下水,卻因堵塞,大量的水通過窨井、化糞池滯留在這一段護坡樁內側”。故“支護樁成孔開挖和基坑開挖中……就有大量的水沿井圈及坡面流出,以致施工工人必須穿雨衣工作”。

以上這些情況說明,上層滯水、地表水的浸泡使老黏性土的工程性質惡化,是導致基坑支護工程失效的直接原因。這一點在本基坑其他地段,因不存在地表水和上層滯水危害,而支護工程至今完好無損可以得到印證。

其三:工程A在設計文件和圖紙中均未提出施工監測方面的要求,施工一開始,此坡段就有嚴重的地表水滲入和浸出問題,設計施工者都未因此而改變原“不考慮地下水的作用”的前提,8月6日已出現“地面變形裂縫,住戶反映可能發生危險,要求采取措施確保安全”。在此情況下施工者仍未采取任何加固措施,失去了一次最后的搶救機會,以致8月8日22時20分事故發生。

工程B從基坑開挖前到基礎施工完畢,對護坡樁及鎖口梁進行了精密水平位移觀測,發現基坑長邊中心附近的 A4點最大水平位移僅18.5 mm,且位移速率與土方開挖(進程)密切相關。另外,對緊鄰基坑的一老建筑進行的沉降觀測表明,其最大沉降值為4.07 mm。這些沉降觀測資料反映了支護工程的工作狀態,使設計、施工者認識到支護工程足以保證基坑的穩定,對工程保持了信心,設計計算及施工方法都是符合實際的。

3 結語

在老黏性土場地深基坑工程的施工過程中,我們應做好以下幾個方面的工作:1)深入分析老黏性土的物理力學特性,抑制住開挖初期土體裂隙的擴張脹大。2)正確認識場地的水文地質條件,采取恰當的防水保濕措施。3)最大限度地減少老黏性土含水量的變化,從而保持其工程質量的穩定。4)做好施工監測工作。

[1]M.Eddleston,S.Walthall,J.Cripps,et al.Engineering geology of construction[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences&Geomechanics,1996,33(3):103-115.

[2]王利民,曾馬蓀,陳耀光.深基坑工程周圍建筑及圍護結構的監測分析[J].建筑科學,2000,16(2):35-37.

[3]司馬軍,劉祖德,鄧小雄,等.老黏性土中某噴錨滑坡事故的分析及處理[J].巖土力學,2003(10):81-82.

[4]王 釗.基礎工程原理[M].武漢:武漢水利電力大學出版社,1998.

[5]蔡美峰,何滿潮,劉東燕.巖石力學與工程[M].北京:科學出版社,2002.

[6]崔 宏,李暉敏,閆文軍.濕陷性黃土邊坡治理設計與施工[J].山西建筑,2009,35(26):99-101.