某坡前懸臂式支擋基坑開挖失穩(wěn)案例分析

徐傳召 閆建文 張 博

(1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710043； 2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048; 3.西安市城中村(棚戶區(qū))改造建設(shè)工程監(jiān)管中心，陜西 西安 710043)

1 概述

基坑工程作為城市建筑施工過程中最為重要的環(huán)節(jié)之一得到了大力發(fā)展，但今年來復(fù)雜基坑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了多起基坑失穩(wěn)事故，造成嚴(yán)重的損失。基坑失穩(wěn)事故的原因有多種，土體性質(zhì)、水的影響、支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、有無超挖現(xiàn)象、滑面位置及地理位置因素等。當(dāng)基坑位于坡體附近或坡腳時(shí)，基坑側(cè)壁不僅受到土壓力還會(huì)存在潛在的滑坡推力，這使得在此區(qū)域進(jìn)行基坑施工的難度大大增加。

西北地區(qū)多山，大部分地區(qū)覆蓋著黃土，土體性質(zhì)較差，滑坡災(zāi)害頻發(fā)。本文依托西北地區(qū)某市位于坡體附近的基坑工程發(fā)生失穩(wěn)事故，通過理論計(jì)算分析土體滑坡及基坑懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的原因，并結(jié)合滑坡后對(duì)滑坡土體的勘察結(jié)果綜合分析本次失穩(wěn)事故發(fā)生的原因，為今后處于坡體附近的基坑工程施工建設(shè)提供案例支持，防止此類事故再次發(fā)生。

2 工程概況

本次研究的基坑失穩(wěn)事故位于陜西省北部某市，基坑平面圖如圖1所示，基坑西側(cè)為黃土梁與溝谷過渡的斜坡，滑坡前緣距基坑西側(cè)邊緣約20 m，滑坡整體形態(tài)呈圈椅狀，滑向約為45°，最大高差46 m，滑坡體寬約350 m，長(zhǎng)約150 m，厚約14 m，體積73.5萬m3，為中型推移式古滑坡。基坑西側(cè)設(shè)置兩級(jí)支擋結(jié)構(gòu)，一級(jí)支擋為排樁+混凝土擋板+錨索支護(hù)，排樁直徑1.5 m，間距為3.0 m，樁長(zhǎng)30.25 m，排樁樁身設(shè)置五排錨索，發(fā)生滑坡時(shí)，第五排錨索正在成孔施工，施工工作面高程約為955，第一排～第四排錨索按設(shè)計(jì)要求施工，且能滿足設(shè)計(jì)承載力要求。二級(jí)支擋結(jié)構(gòu)為單排抗滑樁，抗滑樁尺寸為2 m×3 m×25 m，樁身材料為C30混凝土，共計(jì)26根。

現(xiàn)場(chǎng)基坑開挖至距設(shè)計(jì)標(biāo)高2.0 m時(shí)，基坑西側(cè)發(fā)生滑坡事故，造成基坑底部隆起，排樁支護(hù)被剪斷，錨索失效，基坑西側(cè)土體向前滑移，如圖2所示。位于二級(jí)支擋處的土體將抗滑樁推移前進(jìn)一定距離，部分土體從抗滑樁之間溜下，滑坡體滑動(dòng)前，坡面高差20 m，坡面平均傾角約22°。但二級(jí)支擋之上的土體沒有出現(xiàn)大規(guī)模的滑坡現(xiàn)象，滑坡主要發(fā)生在一級(jí)支擋與二級(jí)支擋之間的土體中。

根據(jù)工程地質(zhì)勘探報(bào)告，基坑周圍的地層自上而下主要為雜填土、混合土、粉質(zhì)粘土、圓礫和泥巖、泥質(zhì)砂巖互層。

3 排樁受力計(jì)算分析

為了分析基坑西側(cè)圍護(hù)樁被剪斷的原因，對(duì)受滑坡推力作用下的排樁進(jìn)行理論計(jì)算，得出基坑在開挖過程中排樁的受力變化規(guī)律。

3.1 簡(jiǎn)化計(jì)算模型

對(duì)滑坡推力、圍護(hù)樁受力及被動(dòng)土壓力等進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要建立與實(shí)際工況相對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型。首先對(duì)基坑西側(cè)的圍護(hù)樁及坡體建立計(jì)算模型，如圖3所示。

其次對(duì)圍護(hù)樁及樁身錨索建立簡(jiǎn)化計(jì)算模型，如圖4所示。

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)情況對(duì)簡(jiǎn)化的基坑西側(cè)坡體計(jì)算模型中各參數(shù)進(jìn)行參數(shù)選取，如表1所示。

表1 滑坡體計(jì)算參數(shù)表

對(duì)于滑帶土體，通過現(xiàn)場(chǎng)取樣分析后確定其強(qiáng)度參數(shù)為粘聚力c=16 kPa，內(nèi)摩擦角φ=13°。基坑內(nèi)部開挖部分的土體與滑體土參數(shù)相同，位于滑床部分的土體主要為泥巖、泥質(zhì)砂巖及砂巖。

3.3 邊坡安全穩(wěn)定性計(jì)算

首先對(duì)邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于折線形滑面，利用傳遞系數(shù)法計(jì)算，即：

其中，

Rn=(Wn((1-ru)cosαn-Asinαn)-RDn)tanφn+CnLn；

Tn=Wn(sinαn+Acosαn)+TDn；

ψj=cos(αi-αi+1)-sin(αi-αi+1)tanφi+1。

得出邊坡各參數(shù)如表2所示。

3.4 滑坡推力計(jì)算

利用折線形滑面?zhèn)鬟f系數(shù)法滑坡推力計(jì)算公式，即：

Ei=KTi-(Nitanφi+ciLi)。

在得出的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)坡體進(jìn)行滑坡推力計(jì)算，得出最后一塊土條對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)作用的滑坡推力2 893.70 kN/m。

表2 邊坡安全穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

3.5 支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算

為了進(jìn)一步分析滑坡產(chǎn)生的原因，對(duì)基坑西側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行推力承載極限值進(jìn)行計(jì)算。由于四排錨索均有部分長(zhǎng)度位于滑體內(nèi)部，需對(duì)錨索應(yīng)力進(jìn)行修正計(jì)算。各計(jì)算結(jié)果匯總于表3中。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 kN

3.6 開挖深度與支護(hù)承載力關(guān)系公式

假設(shè)基坑開挖土體深度為h，滑坡推力按拋物線型考慮，滑坡推力合力作用點(diǎn)取2/3h0，順時(shí)針方向?yàn)檎较颍脴O限平衡理論推導(dǎo)開挖深度與支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力大小關(guān)系公式。

被動(dòng)土壓力為：Ep=21.98h2-997.97h+11 254.83。

極限平衡方程為：∑M≥0。

導(dǎo)出開挖深度與支護(hù)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)平衡方程為：

M(h)=-21.99h2+1 037.97h-12 147.29。

去除不合理解可得當(dāng)開挖深度h≥21.46 m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)。這一結(jié)果較現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞位置低，按理論進(jìn)行計(jì)算時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖至實(shí)際破壞深度時(shí)未達(dá)到破壞，加之這一標(biāo)高應(yīng)當(dāng)打入第五排錨索，支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在理論上是可以滿足開挖至基底標(biāo)高的要求，但此時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度值較小。

4 滑坡后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果

滑坡發(fā)生后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)位于基坑西側(cè)的單排抗滑樁各樁頂發(fā)生了不同程度的位移及破壞，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，最大水平位移可達(dá)60 mm，滑坡土體以抗滑樁為界樁與樁背土體有較明顯的位移，局部裂縫從樁間穿越。

在對(duì)滑坡后的土體進(jìn)行鉆探時(shí)發(fā)現(xiàn)位于孔深約20 m處土樣帶有明顯的剪切破壞面，見圖5，土樣已達(dá)完全剪切破壞，帶有剪切羽狀紋。位于滑帶附近深度的土體松散破碎明顯，鉆芯取樣后的土體無法成形。另外，在現(xiàn)場(chǎng)打入的探井中出現(xiàn)了底部滲水的現(xiàn)象，滲水位置標(biāo)高950.20 m，累計(jì)24 h滲水量達(dá)160 L。

5 結(jié)語(yǔ)

1)計(jì)算得出開挖基坑坡體安全穩(wěn)定系數(shù)為1.09，屬于欠穩(wěn)定邊坡；

2)建立了本次基坑開挖土體深度與支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)關(guān)系公式：M(h)=-21.99h2+1 037.97h-12 147.29，并得出理論上達(dá)到支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的開挖深度為21.46 m；

3)明確了造成支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞及坡體滑動(dòng)的主要原因：一是地下水的滲流作用弱化了滑帶土，使得土體抗滑能力降低；二是滑坡體范圍較大，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)僅考慮抗滑樁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的土體，實(shí)際的圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足實(shí)際的滑坡體推力；

4)坡前基坑開挖屬高難度工程問題，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮土坡結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，適當(dāng)放大安全系數(shù)，及時(shí)支護(hù)，嚴(yán)格控制開挖工序。