老黏性土场地深基坑工程的施工探讨

王珍菊

老黏性土一般都具一定膨胀性和微裂隙性,在非饱和状态下具有较高的抗剪强度,尤其是凝聚力高。在基坑开挖过程中,如无外水浸入则土压力较低,其土压力呈太沙基—佩克包络线分布,一般不出现朗肯土压力破裂面,裸露边坡因干裂出现剥落或坍塌,此时土压力小于朗肯理论计算值;如果土体受外水浸入而部分饱和,其凝聚力显著降低,此时土压力会增大,往往大于朗肯理论计算值。进一步发展将会出现楔形滑裂面,并渐进式发展成为滑坡[1,2]。从武汉市来看,老黏性土主要分布在武昌、青山和汉阳市区及其以南的郊县,汉口、东西湖的北部及其以北的郊县。由于在武昌已兴建了一批高层建筑,故老黏性土场地的深基坑工程案例已不在少数,成功、失败,经验、教训均可借鉴。

1 老黏性土场地深基坑工程设计施工中的主要问题

1)正确认识、运用老黏性土的高强度。老黏性土在未经扰动情况下,确实具有很高的强度和很低的压缩性,但在开挖卸荷、浸泡、干裂等外界条件改变后,其强度将急剧衰减。而在其结构破坏、含水量反复变化后的残余强度又将是极低的。因此,在选取利用老黏性土的力学指标时,要根据工程可能出现的各种情况慎重选取。

如勘察资料完整可靠,场地环境条件简单并且充分明确,施工队伍素质高,施工组织合理,质量和工期可以严格控制,那么我们在支护工程的设计计算中,就可以取较高的指标,以充分利用黏性土的高强度,节省工程造价;反之,就只能选取较低的指标,以保证安全。

2)老黏性土的破坏模式及支挡结构上土压力的分布。深基坑支挡结构上所受侧压力,应随被支挡土体的性质计算所选取的破坏模式及支挡结构的不同而不同。老黏性土边坡的破坏,是从表层浅部的土块沿裂隙面的崩落、滑塌开始的。各种地质营力是促使裂隙发育的外部原因,表层裂隙发育后,各种地质营力又通过裂隙向深层作用,促使裂隙向深层发展。简单的边坡保护就可大大减小地质营力对土体的侵蚀,一定的约束力就足以阻止浅层裂隙的发育。我们应当在这个前提下,来讨论研究老黏性土场地深基坑支挡结构的土压力问题。

如对悬臂式支挡而言,其变形通常认为是绕基底下某一点转动的,而对于桩锚结构所有的锚杆都可以看成为一个固定荷载支点,在这两种情况下,其侧向压力分布按静水压力公布图式考虑已具有足够的工程精度。但由于老黏性土具有较高的凝聚力,在支护结构某些部位算得土压力可能为负值,此时考虑到老黏性土的某些特性,在其主动侧凡 ea(ema)＜0.25γz处,均应加至0.25γz的土压力。

对内支撑挡土结构,由于内支撑约束力的强度大,变形甚至是不可能的(绝对地说),老黏性土的裂隙也无法向深层发展,加上其自身的高强度,可以认为在这种支挡结构保护下的老黏性土边坡,其作用在支护结构上的土压力可能在很大的范围内都是恒定的。其分布模式可按图1考虑。

根据现有资料,对老黏性土场地采用此种土压力计算图形计算,可使支护结构达到安全、经济的效果。不然,也可借鉴常规的土坡稳定分析方法中的基本思想,根据深基坑工程技术规定确定的老黏性土的潜在破坏模式,求出作用在支护结构上(0.20～0.30)H宽度范围内侧压力最大值Ea,以此作为支护结构的设计依据。Ea的作用点,为简化计算,可假定作用在支护结构的中部。在计算中,裂缝开展深度可按Ⅲ估计,裂隙开展深度内应不计抗滑力,如图2所示。

3)老黏性土场地深基坑支挡设计的指导思想。从以上的讨论中,可以得出这样的结论,在老黏性土场地的深基坑支护设计中,应特别针对老黏性土边坡破坏是从地基浅层小块土体崩裂、滑塌开始的,实际着眼于抑制这些裂隙的发生、发展,以达到保护整个边坡安全稳定的目的。需要指出的是允许支挡结构有少量的变形,以释放老黏性土中的应力而又保持其较高的强度,则是十分必要而又要求慎重掌握的。

下述工程B在支挡设计中,首先采用邓肯—张模型用反转荷载法模拟深基坑开挖卸荷过程,研究其边坡拉裂区的发展状况,找出在边坡拉裂区发展到某种状况时,既可保证基坑壁的安全,又能充分发挥老黏性土的自身强度(该例为:卸荷67%时拉裂区仅发展到临空面的2 m～3 m之间),并计算出此时的荷载,再用极限平衡法计算在这种情况下保证边坡稳定所需的单元锚固力,两者比较选取合理的设计值设计支挡结构。实践证明,这种做法是安全,且经济合理的。

4)切实重视水对老黏性土边坡的危害。老黏性土不是含水层,这是众所周知的。但水对老黏性土边坡稳定的严重危害却并非人人都知晓的。实际上,老黏性土基坑边坡失稳,几乎百分之百与水直接或间接有关。

从场地地质构成看,多数老黏性土场地上都覆盖有人工填土或第四纪全新世(Q4)的堆积物,它们多是含水的,有些甚至是软塑、流塑状淤泥或淤泥质土。这些含水层的补给来源十分复杂,除大气降水外,对城市居民区来说,管网破损的渗水,居家生活污水,其他来源的地表水等都是补给源,而且这些补给源往往都是难于预测控制的。它们不断补给这些含水层,使它们长年处于饱水状态,使下伏老黏性土接触面上的土含水量增高,物理—力学性质急剧恶化。更重要的是在基坑开挖后,老黏性土被暴露,裂隙张开,这些水迅速浸入裂隙中,使裂隙急剧扩大。土的整体性急剧破坏,土的强度急剧降低。

在租金方面，按照350元/间·年⑤的统一标准出租，租期至少15年及以上，一次性将房租租金支付给户主，租房者出钱装修。调研时，村民对于将老宅出租的做法很是认可，认为是“划得来”的生意。闲置的老宅重新得到利用开发，不仅增加了农户的财产性收入，新业态也带来了人气，带动了农副产品的销售，村民们足不出户就能享受到旅游发展带来的增值。

更应引起我们重视的是,即使老黏性土上没有覆盖含水地层,在基坑施工开挖过程中,上述地表水如浸入场地(这在许多工地是经常发生的),也同样会对坑壁造成严重的危害。采取的对策应该是:对上述含水层在基坑开挖过程中即予封堵,或堵截补给源,并予排除。保证上述含水层中的水不浸入新开挖的老黏性土层中,排除基坑周边一定范围内的地表水通道;固化基坑周边3 m～5 m的地面(做成混凝土路面),封闭一切开挖后暴露的作业面(用砖砌或喷抹水泥砂浆);及时排除基坑中的积水,以避免老黏性土含水量急剧变化。

5)信息化施工是深基坑工程顺利进行的保证。基坑工程是岩土工程中的一种,其事故的发生,必然有一个从量变到质变的过程,信息化施工是岩土工程—深基坑工程施工的一个原则,按设计进行施工,在施工过程中不断观测获得各种相关信息,对设计进行调整修改,再按新的设计进行施工,以此循环往复直至工程完成。

由于老黏性土的高强度指标容易被滥用,如环境(特别是水)的条件改变时,很容易出现支挡结构审美观点破坏,如果设计上采用了以抑制裂隙发育为目的的设计思想,也容易出现类似的问题,加上老黏性土达到峰值强度的变形值很小,所以,对支挡结构的变形监测就显得特别重要。

“水”是老黏性土边坡的大敌。对水(地下水和地表水)的观测,更应放到最重要的位置上,对任何地位可勘察资料未提及、设计中未考虑的、新出现的有关水的情况,都必须由勘察、设计、施工各方共同研究作出评价处理。如暴雨时期沿斜坡、电缆沟、管道沟、旧的甚至已被废弃的排水道冲来的雨水,上下水管道突然破裂涌出的自来水或污水。基坑周边硬化路因堆料、行车压裂而可能导致地表水深入基坑,因油墨锚杆或其他施工作业破坏了基坑作业面保护层(砖或水泥砂浆抹面)可能导致老黏性土水含量变化,施工人员的生活污水或施工用水管理不当流入基坑的水等。

2 工程案例分析

武汉地区老黏性土一般是指分布在河流高阶地,沉积于第四纪晚更新世(Q3)及其以前的黏性土,其矿物成分主要为石英、长石,但也含有较多高岭土、伊利石、云母和一定数量的蒙脱石。具亲水性,有一定的膨胀—收缩潜势。老黏性土在力学特征上是一种高度超固结裂隙黏土,自然条件下呈坚硬或硬塑状态,强度较高,在排水情况下,它具有峰值强度后应变软化的特征[3]。这里来分析一下同样位于武昌Ⅲ组阶地,相距仅千余米的两个开挖深度相近的深基坑工程,从中获得一些启示。

1)工程A:以直径 900 mm,长20 m,桩距1.40～1.80的人工挖孔桩作支挡结构,桩身配以17根φ 25的主筋对场地附近的水及已有建筑未做任何处理。在开挖到设计深度(9.00 m左右)时,发生了12根桩倒塌折断、4根桩严重歪斜变形的严重事故。造成这一事故的直接原因是该处基坑壁出现了长约31 m、宽约7 m,后缘落差达5 m,坍塌量约1 200 m3的滑塌体。这一事故的发生,造成了巨大的经济损失和严重的不良社会影响。2)工程B:基坑周边先做地表浅层卸荷减载,再设置直径400 mm,间距1 m,长10 m的钻孔灌注桩,桩身配以8根φ 16的主筋,加两排长 9 m、直径150 mm的锚杆作为支挡,同时对水及周边邻近的已有建筑均做了妥善处理。

该基坑不但安全开挖完成,而且停工暴露两年之久未出现任何不安全迹象,该工程现已全部建成完工,取得了理想的技术经济效果。

上述两个工程,处于同一地貌单元,有相似的地质构成和岩土工程条件,环境亦相差不大,且开挖深度相同,但其技术经济效果却相差甚远,最根本的原因就是对老黏性土的认识不同。

其一:工程B的设计施工人员,对老黏性土的工程特性有较正确全面的认识,故他们在支护设计的指导思想上是“充分发挥土体的自身强度”,但他们也了解到,老黏性土因裂隙发育,在开挖暴露后必将出现土质变化,强度衰减,故关键是抑制住开挖初期土体裂隙的扩张胀大,故其计算扩散工艺主要就是着眼于抑制早期坡面的变形,从而达到整个边坡稳定的目的。

而工程A的设计施工者将老黏性土边坡等同于一般黏性土边坡,他们在支挡工程设计中不但未深入分析老黏性土的物理力学特性,而且将土工试验报告中提供的力学指标加大、提高使用。故其支护工程在老黏性土边坡开挖浸水、强度急剧降低后,根本无法保证边坡的稳定(偏于不安全),而在和其他技术措施共同作用控制边坡的初期变形上,又显得过于浪费、保守。

其二:工程B的设计施工者深知“水”对老黏性土的危害,对水的治理十分重视。他们首先表明了覆盖于老黏性土上的“填土中的上层滞水及大气降水是影响基坑施工及边坡稳定的主要来源”,又了解到“上层滞水的主要补给源为生活污水”,因而针对性地采用了对生活污水进行源头封堵的措施。在锁口梁上设截水沟,截住流向基坑的地表水及上层滞水的侧渗,对基坑边,包括地面,以砂浆或混凝土封闭,最大限度地减少老黏性土含水量的变化,从而保持其工程质量的稳定。该工程由于对场地水文地质条件的正确认识,采取的防水保湿措施恰当,使工程实际运行期间基坑周边土体的工程性质因为土体含水量的稳定而未发生变化衰减,从而保证了工程的长期有效。

工程A的设计施工者认为老黏性土本身为不含水层,明确提出“不考虑地下水的作用”。事故发现后“该坡段有居民楼和公共厕所化粪池两处,且都有水泄漏”“使周围土体日渐饱和,此外,尚有多处被堵塞的在使用中的下水道长期向外渗水”。事实上“施工期间居民楼的生活污水、大气降水长期向工地渗流”,当时的城建简报称“在倒塌的护坡桩范围内,发现有5股应该排向市政排水管的下水,却因堵塞,大量的水通过窨井、化粪池滞留在这一段护坡桩内侧”。故“支护桩成孔开挖和基坑开挖中……就有大量的水沿井圈及坡面流出,以致施工工人必须穿雨衣工作”。

以上这些情况说明,上层滞水、地表水的浸泡使老黏性土的工程性质恶化,是导致基坑支护工程失效的直接原因。这一点在本基坑其他地段,因不存在地表水和上层滞水危害,而支护工程至今完好无损可以得到印证。

其三:工程A在设计文件和图纸中均未提出施工监测方面的要求,施工一开始,此坡段就有严重的地表水渗入和浸出问题,设计施工者都未因此而改变原“不考虑地下水的作用”的前提,8月6日已出现“地面变形裂缝,住户反映可能发生危险,要求采取措施确保安全”。在此情况下施工者仍未采取任何加固措施,失去了一次最后的抢救机会,以致8月8日22时20分事故发生。

工程B从基坑开挖前到基础施工完毕,对护坡桩及锁口梁进行了精密水平位移观测,发现基坑长边中心附近的 A4点最大水平位移仅18.5 mm,且位移速率与土方开挖(进程)密切相关。另外,对紧邻基坑的一老建筑进行的沉降观测表明,其最大沉降值为4.07 mm。这些沉降观测资料反映了支护工程的工作状态,使设计、施工者认识到支护工程足以保证基坑的稳定,对工程保持了信心,设计计算及施工方法都是符合实际的。

3 结语

在老黏性土场地深基坑工程的施工过程中,我们应做好以下几个方面的工作:1)深入分析老黏性土的物理力学特性,抑制住开挖初期土体裂隙的扩张胀大。2)正确认识场地的水文地质条件,采取恰当的防水保湿措施。3)最大限度地减少老黏性土含水量的变化,从而保持其工程质量的稳定。4)做好施工监测工作。

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[3]司马军,刘祖德,邓小雄,等.老黏性土中某喷锚滑坡事故的分析及处理[J].岩土力学,2003(10):81-82.

[4]王 钊.基础工程原理[M].武汉:武汉水利电力大学出版社,1998.

[5]蔡美峰,何满潮,刘东燕.岩石力学与工程[M].北京:科学出版社,2002.

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