西安某湿陷性黄土深基坑支护失稳分析及处理

杨丽娜 戴彦雄(机械工业勘察设计研究院 陕西 西安 710043)

随着我国地下工程的不断发展，深基坑工程也越来越多地受到关注，近年来随着城市发展步伐的加快，基坑工程和周边环境都日趋复杂，对支护工程设计及施工的要求也越来越高，基坑支护结构失稳的事故也越来越多。2011年西安地区的降雨次数增多，大范围强降雨增加，特别是进入9月份以后，从9月1日到9月17日，西安地区的降雨量达236.3mm之多，已先后经历了三次大范围强降雨过程，降雨覆盖范围广、强度大、历时长，降雨量达常年同期降雨量50mm的4.7倍，为1961年有气象记录以来之最，导致多处发生地质灾害事件，同时基坑支护结构失稳及坍塌等事件的数量也为历年之最。

1 工程概况

拟建场地位于西安市北郊凤城三路某小区内，场地北侧及东侧邻近已开挖基坑，基坑上口线距离两个场地围墙约1.0 m～2.0 m，基坑开挖深度9.6 m。

该场地地貌单元属渭河右岸Ⅱ级阶地，场地各岩土层岩性为：①-1层杂填土，杂色，土质杂乱，以建筑垃圾为主，稍湿，松散，层厚0.4 m～3.3 m。①-2层素填土褐色或黄褐色，土质不均结构疏松，以粘性土为主，含植物根系，可见少量砖瓦碎屑及灰渣等。层厚0.6 m～2.5 m。②层黄土状土：褐～黄褐色，土质较均匀，大孔隙发育，含少量蜗牛壳、结核及植物根系，可见网状钙质条纹。坚硬～硬塑，具中等～强烈湿陷性和自重湿陷性。属中高压缩性土，层厚0.7 m～3.3 m。③层黄土：褐黄色，土质均匀，针状孔隙发育，含少量蜗牛壳及结核，可见钙质条纹。坚硬～硬塑，属高压缩性土，具轻微～中等湿陷性和自重湿陷性，层厚2.4 m～3.5 m。④层黄土：褐黄色，土质均匀，针状孔隙发育，含少量蜗牛壳及结核，可见钙质条纹，可塑，属中高压缩性土，具轻微～中等湿陷性和自重湿陷性,层厚3.6 m～4.8 m。⑤层黄土：褐黄色，土质均匀，针状孔隙发育，含少量蜗牛壳及结核，可见钙质条纹，可塑，属中压缩性土，个别试样具轻微～中等湿陷性和自重湿陷性,层厚1.9 m～3.8 m。⑥古土壤：棕黄～棕褐色，土质较均匀，可见针状孔隙，稍具块状结构，含钙质条纹及钙质结核，可塑，属中压缩性土，个别试样具轻微湿陷性和自重湿陷性，层厚3.1 m～5.1 m。该场地为自重湿陷性黄土场地，湿陷性土一般分布深度为7.5 m～15.0 m，基坑开挖深度内基本为湿陷性土层。

该场地地下水类型属于潜水，勘察期间（2010.10）稳定水位为19.5 m～20.2 m，主要受大气降水及地下径流补给。年水位变幅为1.0 m～2.0 m。

本基坑周边建筑物情况：西侧凤新路主干道距离基坑底口线6.5 m；基坑南侧有已建成的10#、11#、12#和15#楼，均为6层新建房屋，采用条型基础，基础底标高为-3.0 m，灰土垫层处理，垫层底标高-6.1 m，距离基坑边6 m～8 m；场地周边地下管线错综复杂，基坑南侧普遍存在雨水、污水和给水管线。坍塌区域具体情况详见图1所示。

南侧凹形部分长62 m，宽19.6 m，其中AB、CD、EF和GH段采用钻孔灌注桩+预应力锚杆的支护结构，桩径0.7 m，桩间距1.5 m，灌注桩桩长18 m；桩间每隔1.5 m设置一道20 m长的预应力锚杆，锁定力150kN。桩顶设置C 30混凝土冠梁，冠梁截面0.40m×0.70 m。其中BC和FG段采用土钉墙进行支护，土钉采用梅花型布置，水平间距1.5 m，竖向间距1.6 m，土钉孔径120mm，长度6.0 m～9.0 m，考虑到此处管线密布，因此第一排土钉开孔位置为地面下2.0 m。

后期施工中坍塌的部位为FG段，同时BC段变形比较大。

2 监测点布置

为了掌握基坑开挖期间基坑支护结构的变形情况，在基坑南侧沿支护结构布置水平位移监测点，护坡桩支护部分布置在冠梁顶，土钉墙支护部分布置在土钉墙墙顶。BC和FG段的监测点为N 1～N 6。

3 基坑支护失稳及分析

基坑开挖过程中，坡顶水平位移是基坑变形的重要控制指标，能直观的反映出基坑开挖过程中坡体的变形情况和边坡的稳定情况。基坑开挖过程中随着土体应力状态的改变，在支护结构体系施工完成前边坡土体应力释放，产生向基坑内的水平位移，随着支护结构的施工，水平位移的发展受到限制，但还是缓慢的发展，之后若发生特殊情况改变了土压力状态，水平位移才会发生异常变化。

图2为测点N1～N5从2011年3月15日到2011年11月30日水平位移的变化情况。

从图2水平位移的变化情况并结合现场调查情况来看，FG段土钉墙的坍塌和BC段支护结构变形超过变形控制值的原因有以下几个方面：

（1）图2显示8月12日之前水平位移曲线的曲率很平缓，位移增加缓慢，属于正常的基坑开挖过程；9月1日出现第一次出现水平位移突增，各点此段时间水平位移增加4.0mm～12.9mm不等。经现场调查发现，基坑开挖时，上部回填土比较松散，8月中旬西安地区大面积持续降雨，使得基坑上部的回填土在雨水下渗的情况下产生下沉，原有给水管在此段基坑边刚好有个接口，因此下沉的土层和土体自重增加，导致基坑边原有的给水管破裂，基坑外围土层含水量急剧增加，导致坡壁土体侧压力增加，基坑坡顶水平位移剧增。因此基坑顶部欠压密的回填土和给水管破裂是导致支护结构变形突增的原因之一。

图1 基坑南侧周边环境图(北)

（2）第二次出现水平位移突增是在9月18日前后，从图上可以看出N4和N 5点已经破坏，N 1～N 3点曲率比较大。经过调查发现，从9月1日到9月17日，西安降雨量达236.3mm之多，已先后经历了三次大范围强降雨过程。受强降雨影响，现场基坑顶部未进行有效封闭，排水措施也不到位，使得雨水下渗，浸湿坡壁，土体侧压力迅速增加使得水平位移量变大。因此，强降雨导致的地表水下渗，土体抗剪强度降低是支护结构水平位移突增的又一因素。

（3）从地质条件来说，基坑开挖范围内土层基本为湿陷性黄土，水管渗漏和破裂使得土体含水量增加，连续的强降雨后，土体含水量进一步增加。因湿陷性黄土具有大孔隙和欠压密性，含水量的变化对土体的强度影响较大，其在含水量增加的情况下，土的抗剪强度指标会急剧降低，同时坡壁土体的重度增加，支护结构承受的侧向土压力迅速增大，使得按正常状态计算的支护结构强度不能满足饱和状态下的使用要求，因而导致支护结构变形超过预警值或者坍塌。从监测图上可以看出，9月18日FG段坍塌，BC段坡顶水平位移累计最大达23.7mm，超过了其允许值。因此，坑壁浸水增湿[2]，湿陷性黄土抗剪强度急剧下降是导致基坑失稳的主要原因。

图2 基坑南侧水平位移监测点布置图（位移量/mm）

（4）从支护结构的类型上来看，坍塌的部位和位移大的部位均在两种支护结构相接的部位，因在同一坡体，两种支护结构的强度不同，施工时，两种支护结构的衔接不到位，没有可靠的过渡连接措施，成为支护结构的薄弱区，当偶然事件发生时，就会放大这种强度差异，破坏最先发生。因此，同一坡体采用强度相差比较大的支护结构，且衔接部位未采取有效的连接过渡措施是基坑失稳的又一个原因。

4 处理措施

4.1 封闭坡顶，坡脚回填

险情发生后，因降雨持续发生，为了防止雨水继续下渗浸湿坑壁，变形进一步增加，迅速在坡顶和坡壁覆盖塑料膜，并及时在坡脚位置回填反压土方，为进一步采取加固措施创造条件。

4.2 坍塌部位处理措施

对于坍塌的FG段，首先将坍塌坡面的松散土体进行剥离，露出稳定的土体，然后在新的坡面下重新施工土钉，保证钉体进去稳定的土体中。施工过程中注意加强对坡面的观察，靠近坡面的土体需采用人工剥离，以防新的坍塌发生；原有坡面的土钉不能继续使用，必须按照加固方案重新施做。

4.3 变形较大部位处理措施

对于变形比较大的BC段，采用预应力锚杆进行加固。原有支护结构虽然变形比较大，但是未破坏，需要做的就是如何控制变形的进一步发生，设计上采用增设预应力锚杆的方式对原有土钉墙进行加固。在地面下4 m和6.7m处分别增设一排12 m的锚杆，施加预应力80kN。10月15日施工完成后，N 1和N2点的变形速率减慢，变形基本趋于稳定，支护结构稳定。

4.4 衔接部位处理措施

对于两种支护结构衔接的部位，考虑到其强度衔接的问题，在原有锚拉桩下部增设一排18 m的锚杆，将其腰梁和土钉墙的腰梁贯通，然后锁定在坡面上，这样强度上就有了衔接，水平方向的位移也得到了控制。从实际效果来看此种处理方法比较有效。

5 结论

（1）基坑边水管破裂是使边坡失稳的诱因，因各类地下管线对变形的承受能力因管线的新旧和埋设情况等的不同而相差甚远，必须在基坑支护设计前调查清楚，特别是像接头这种最易受损的部位，必须给予高度的重视，采取一定的加强处理措施。

（2）因湿陷性黄土具有受水湿陷、软化，强度迅速降低且基坑侧壁土体重量迅速增加，对支护结构十分不利，黄土基坑失稳或坍塌的工程事故大多与受水浸湿有关。因此必须对周围地面和地下管线排水渗入或排入基坑坡体的可能性取得可靠的资料，以指导基坑设计和施工并采用相应的预防措施。

（3）施工过程中需关注降雨量的变化情况，制定应对紧急突发事件的应急预案；施工前尤其应做好坑外地表排水，杜绝地表水渗入和浸泡坡体，酿成事故。特殊天气情况下尤其要加强基坑变形监测。

（4）同一个基坑可以采用几种支护结构形式或组合，但是同一坡体水平向宜采用相同的支护结构，若采用不同的支护结构时，衔接部位必须采用一定的措施使强度变化均匀过渡，防止不同支护结构衔接部位成为支护结构的薄弱环节。

[1]常士骠，张苏民.工程地质手册（第四版）[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.湿陷性黄土地区建筑基坑工程安全技术规程(JGJ 167-2009)[S].2009,07.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑基坑支护技术规程(JGJ120-2012)[S].2012,10.