某坡前悬臂式支挡基坑开挖失稳案例分析

徐传召 闫建文 张 博

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710043； 2.西安理工大学，陕西 西安 710048; 3.西安市城中村(棚户区)改造建设工程监管中心，陕西 西安 710043)

1 概述

基坑工程作为城市建筑施工过程中最为重要的环节之一得到了大力发展，但今年来复杂基坑结构出现了多起基坑失稳事故，造成严重的损失。基坑失稳事故的原因有多种，土体性质、水的影响、支护结构强度、有无超挖现象、滑面位置及地理位置因素等。当基坑位于坡体附近或坡脚时，基坑侧壁不仅受到土压力还会存在潜在的滑坡推力，这使得在此区域进行基坑施工的难度大大增加。

西北地区多山，大部分地区覆盖着黄土，土体性质较差，滑坡灾害频发。本文依托西北地区某市位于坡体附近的基坑工程发生失稳事故，通过理论计算分析土体滑坡及基坑悬臂式支护结构失稳的原因，并结合滑坡后对滑坡土体的勘察结果综合分析本次失稳事故发生的原因，为今后处于坡体附近的基坑工程施工建设提供案例支持，防止此类事故再次发生。

2 工程概况

本次研究的基坑失稳事故位于陕西省北部某市，基坑平面图如图1所示，基坑西侧为黄土梁与沟谷过渡的斜坡，滑坡前缘距基坑西侧边缘约20 m，滑坡整体形态呈圈椅状，滑向约为45°，最大高差46 m，滑坡体宽约350 m，长约150 m，厚约14 m，体积73.5万m3，为中型推移式古滑坡。基坑西侧设置两级支挡结构，一级支挡为排桩+混凝土挡板+锚索支护，排桩直径1.5 m，间距为3.0 m，桩长30.25 m，排桩桩身设置五排锚索，发生滑坡时，第五排锚索正在成孔施工，施工工作面高程约为955，第一排～第四排锚索按设计要求施工，且能满足设计承载力要求。二级支挡结构为单排抗滑桩，抗滑桩尺寸为2 m×3 m×25 m，桩身材料为C30混凝土，共计26根。

现场基坑开挖至距设计标高2.0 m时，基坑西侧发生滑坡事故，造成基坑底部隆起，排桩支护被剪断，锚索失效，基坑西侧土体向前滑移，如图2所示。位于二级支挡处的土体将抗滑桩推移前进一定距离，部分土体从抗滑桩之间溜下，滑坡体滑动前，坡面高差20 m，坡面平均倾角约22°。但二级支挡之上的土体没有出现大规模的滑坡现象，滑坡主要发生在一级支挡与二级支挡之间的土体中。

根据工程地质勘探报告，基坑周围的地层自上而下主要为杂填土、混合土、粉质粘土、圆砾和泥岩、泥质砂岩互层。

3 排桩受力计算分析

为了分析基坑西侧围护桩被剪断的原因，对受滑坡推力作用下的排桩进行理论计算，得出基坑在开挖过程中排桩的受力变化规律。

3.1 简化计算模型

对滑坡推力、围护桩受力及被动土压力等进行计算时需要建立与实际工况相对应的计算模型。首先对基坑西侧的围护桩及坡体建立计算模型，如图3所示。

其次对围护桩及桩身锚索建立简化计算模型，如图4所示。

3.2 计算参数选取

根据现场工程地质情况对简化的基坑西侧坡体计算模型中各参数进行参数选取，如表1所示。

表1 滑坡体计算参数表

对于滑带土体，通过现场取样分析后确定其强度参数为粘聚力c=16 kPa，内摩擦角φ=13°。基坑内部开挖部分的土体与滑体土参数相同，位于滑床部分的土体主要为泥岩、泥质砂岩及砂岩。

3.3 边坡安全稳定性计算

首先对边坡安全稳定系数进行计算，对于折线形滑面，利用传递系数法计算，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。

得出边坡各参数如表2所示。

3.4 滑坡推力计算

利用折线形滑面传递系数法滑坡推力计算公式，即：

Ei=KTi-(Nitanφi+ciLi)。

在得出的边坡安全稳定系数的基础上对坡体进行滑坡推力计算，得出最后一块土条对支护结构作用的滑坡推力2 893.70 kN/m。

表2 边坡安全稳定计算结果

3.5 支护结构承载能力计算

为了进一步分析滑坡产生的原因，对基坑西侧的支护结构进行推力承载极限值进行计算。由于四排锚索均有部分长度位于滑体内部，需对锚索应力进行修正计算。各计算结果汇总于表3中。

表3 支护结构承载能力计算结果统计表 kN

3.6 开挖深度与支护承载力关系公式

假设基坑开挖土体深度为h，滑坡推力按抛物线型考虑，滑坡推力合力作用点取2/3h0，顺时针方向为正方向，利用极限平衡理论推导开挖深度与支护结构承载力大小关系公式。

被动土压力为：Ep=21.98h2-997.97h+11 254.83。

极限平衡方程为：∑M≥0。

导出开挖深度与支护结构极限状态平衡方程为：

M(h)=-21.99h2+1 037.97h-12 147.29。

去除不合理解可得当开挖深度h≥21.46 m时，支护结构达到极限状态。这一结果较现场支护结构破坏位置低，按理论进行计算时，支护结构在开挖至实际破坏深度时未达到破坏，加之这一标高应当打入第五排锚索，支护结构强度在理论上是可以满足开挖至基底标高的要求，但此时支护结构的剩余强度值较小。

4 滑坡后现场调查结果

滑坡发生后对现场进行调查，发现位于基坑西侧的单排抗滑桩各桩顶发生了不同程度的位移及破坏，根据监测数据显示，最大水平位移可达60 mm，滑坡土体以抗滑桩为界桩与桩背土体有较明显的位移，局部裂缝从桩间穿越。

在对滑坡后的土体进行钻探时发现位于孔深约20 m处土样带有明显的剪切破坏面，见图5，土样已达完全剪切破坏，带有剪切羽状纹。位于滑带附近深度的土体松散破碎明显，钻芯取样后的土体无法成形。另外，在现场打入的探井中出现了底部渗水的现象，渗水位置标高950.20 m，累计24 h渗水量达160 L。

5 结语

1)计算得出开挖基坑坡体安全稳定系数为1.09，属于欠稳定边坡；

2)建立了本次基坑开挖土体深度与支护结构安全系数关系公式：M(h)=-21.99h2+1 037.97h-12 147.29，并得出理论上达到支护结构破坏的开挖深度为21.46 m；

3)明确了造成支护结构破坏及坡体滑动的主要原因：一是地下水的渗流作用弱化了滑带土，使得土体抗滑能力降低；二是滑坡体范围较大，进行设计计算时仅考虑抗滑桩与围护结构之间的土体，实际的围护结构强度不满足实际的滑坡体推力；

4)坡前基坑开挖属高难度工程问题，在设计计算时应充分考虑土坡结构的特点，适当放大安全系数，及时支护，严格控制开挖工序。