某厂房倒塌事故分析

某厂房倒塌事故分析

1地下车库基础支护施工该建筑高度为43.90米，由13层组成。没有地下空间，平面宽度为46.2m15.5m，堆栈结构为a型，共有100个根，由a型管道组成。当施工进行到室内装修、安装与收尾阶段时，在经过一夜的大暴雨后，次日早晨大楼发生倾斜，第3天大楼发生整体倒塌；另一栋相邻的大楼发生水平位移29mm。事发前，大楼南侧的地下车库基坑已经开挖，开挖深度4.6m，基坑围护的搅拌桩复合土钉墙也已施工完成。场地下卧土层为：粘土，厚约2.5m；淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土，厚约17m。基坑开挖出来的土方堆积在大楼的北侧，土堆高度约10m，土堆与大楼之间留设3m宽的通道，土堆北侧为防汛墙及河道（见图1、图2）。根据有关调查，事故的直接原因是：紧贴事故大楼北侧，在短时间内堆土过高，最高处达10m左右；与此同时，紧邻该大楼南侧的地下车库基坑正在开挖，开挖深度4.6m；大楼两侧的压力差使土体产生水平位移，过大的水平力超过了桩基的抗侧能力，导致房屋倾倒。有关事故现场情况如图3～图6所示。2基土堆及下卧土层稳定性分析根据土力学原理和岩土塑性本构理论，在土堆堆土施工过程中，土堆下卧土层中的有效应力和抗剪强度是保持不变的。因超孔隙水压力不断增加，所以总应力也增加，而土堆及其下卧土层的安全系数逐渐降低。在土堆堆土刚完成时，其下卧土层内的超孔隙水压力最大，若场地不排水，则下卧土层内的超孔隙水支撑了堆土的大部分荷载甚至全部荷载，此时其安全系数最低。根据巴隆自由应变固结理论，此时土堆内各质点的变形是自由的，土堆内有可能发生局部自由变形，表现为小范围的滑动坍塌。在土堆堆土结束以后，根据堆土动荷载和土堆及其下卧土层自重的静荷载耦合作用下的渗流固结理论（动与静孔隙水压力发展变化中耦合效应）和太沙基单向渗流固结理论，超孔隙水压力将慢慢消散，土堆及其下卧土层土体强度慢慢增强，安全系数逐渐增加（见图7）。堆土完成后一段时间，达到临时稳定平衡后，在自然状态下（超孔隙水压力自然消散、渗透排水和没有额外补给水），由于土堆及其下卧土层的安全系数逐渐增加，土堆及其下卧土层的稳定性将越来越好。那么，是什么力量打破了这个临时稳定平衡并导致事故发生的呢？单纯土堆及其下卧土层的总侧压力究竟对大楼产生了多大的影响？另外，场地软弱土层在大楼两侧的“压力差”作用下，为什么没有发生桩间土流泥管涌现象，使大楼成为由桩基单独撑起的高脚楼呢？3土墙等土层的影响研究3.1．地下土侧压力根据图1所示，以建筑物或土堆每米长度作为计算单元（以下简称为计算单元），采用基坑工程有关软件计算得到，在大楼北侧边界位置的地下，土堆及其下卧土层产生的土侧压力为68.6kN；在大楼南侧边界（也是基坑边界）位置的地下，土侧压力为147kN。土侧压力的合力作用点位于地下埋深约2.6m处（见图8），则相对于基坑底，大楼南北两侧边界位置的水平土侧压力对大楼产生的推力弯矩分别为137.2kN·m和294kN·m。3.2小区内纤维布桩等效受载力假设基桩具有足够的刚度和强度，不发生拉断、剪断和超限弯曲变形。根据建筑物的长宽尺寸和设计布桩总数，计算单元内平均布桩为2.16根，基桩等效受力模型如图8所示。经计算得到大楼自身抗倾覆弯矩为10044kN·m。可见，大楼抗倾覆弯矩远远大于土堆及其下卧土层和大楼下卧土层共同产生的土侧压力的推力弯矩137.2kN·m和294kN·m，所以在基桩各项能力正常发挥作用的情况下，大楼自身的抗倾覆能力是没有问题的。3.3-ab桩据了解，该大楼基础采用Φ400-95-A管桩（也有说法为PHC-Φ400-80-AB），桩长33m。根据《先张法预应力混凝土管桩》GB13476-1999（以下简称《管桩国标》）中的Φ400-95-A有关参数，单桩抗裂剪力为173kN，单桩抗裂弯矩为54kN·m，单桩极限抗弯值为81kN·m。1桩间土抗剪能力经计算，计算单元内工程管桩的总抗裂剪力为373.7kN，大于大楼北侧土侧压力68.6kN和南侧土侧压力147kN。可见，若桩间土没有分担任何的土侧压力，大楼桩基的抗剪能力完全能够承担土堆及其下卧土层产生的水平土侧压力，并且也不会发生超规定的裂缝；若考虑桩间土可承担一定量的剪力，则大楼基桩的抗剪能力富余量会更大。2．土侧压力时，桩顶位移大力经计算，计算单元内工程管桩的总抗开裂弯矩为116.6kN·m，总极限抗弯为175.0kN·m；而大楼北侧土侧压力产生的推力弯矩为137.2kN·m，南侧土侧压力产生的推力弯矩为294kN·m。可见，若桩间土不分担土侧压力时，大楼基桩的抗弯能力是不够的，这将导致大楼南侧的基桩首先产生弯曲变形和出现水平环状开裂，使大楼出现相应的倾斜。但是，实际土侧压力产生的推力弯矩并没有达到计算值这么大。在土堆及其下卧土层的土侧压力作用下，软弱的桩间土没有提前破坏出现流泥、管涌现象，说明有关的土侧压力的影响是有限的。实际工程中的基桩在受弯状态下，将以桩顶位移变形来消减弯矩，很小的桩顶位移可消减很大的桩身弯矩；同时随着桩顶位移的增大，被动土反力也增大，并达到新的平衡。因此，基桩承受的实际弯矩也要比上述计算值小。由于大楼南侧的基桩存在着抗弯不足，可能会导致大楼产生小角度的倾斜或小位移，但不可能发生较大的危险性倾斜或突然倒塌。由此可见，大楼产生较大并具有危险性的倾斜，应该是另有原因的。4土堆渗流应耦合作用土堆堆土完成后，大楼未立即发生明显的倾斜，这说明土堆及其下卧土层的承载能力已经达到一个临时稳定平衡状态。虽然根据土动本构特征———土的应变滞后于应力变化，即土的应变还没有完成，但是土堆及其下卧土层的应变过程也不是短时间完成的，更不能突发完成。那么，是什么原因改变了这一切呢？笔者认为，事故前突发的暴雨是引发事故的主要诱因。暴雨使得土体内部的地下水水位和孔隙水压力上升，产生了土堆下地下水渗流（其方向指向土体滑动方向，如图9所示），加上土堆内部产生的应力，形成了渗流应力耦合。正是土堆内的渗流应力耦合作用改变了其原来的临时稳定平衡，从而导致大楼产生较大并具有危险性的倾斜。根据地下水渗流理论，由于地下水的运动非常缓慢，动能可忽略不计，由孔隙水压力产生的动水力（D）以宏观平均势能体现，其渗流应力耦合静力平衡方程为：式中σ’ij,j———单元体积的有效应力；pi———单元体积的渗透水压力；地下水位以下各部位的动水力势能，可看作是该点处单位重量的水所具有的全部机械能，其渗流动水力（D）的运动方程为：式中GD———作用在单位体积上的动水力（kN/m2）;rw———水的重度；A———滑动土体在浸润线以下部分的面积；I———水头梯度的平均值，可视为浸润线两端连线的坡度。假设基坑围护墙顶（即-2.3m标高处）向坑外延长线土层以下的土体不发生滑动，地梁埋深范围（0.0～-1.5m）的土体也不发生滑动。根据事故过程中桩间土未发生明显的破坏和未发现流泥管涌的现象，则可认为建筑物范围下卧土层未发生动水力作用下的滑动，只考虑土堆及通道范围的土层发生了动水力作用的滑动。在图9中，假定土堆及通道范围在暴雨后的地下水埋深为0.5m，即地下水动水力梯度基点埋深为0.5m，最高水头点位于土堆最高点以下0.5m。1土堆渗流动水力考虑到土堆坍塌滑动不是一次滑动完成到位，而是发生多次的内部滑动。根据土堆南侧最有可能发生第一次大滑动的土体范围，计算得渗流动水力D1为1020kN。若土堆内多个滑动面基本同时发生滑动时，即瞬间滑动完成到位，则土堆南侧的渗流动水力D2为1770kN（南、北向不对称）。经计算，渗流动水力的作用点位于地面以下1.9m处，则动水力D1产生的弯矩为2754kN·m，动水力D2产生的弯矩为4779kN·m，两者均小于10044kN·m，说明大楼自身的抗倾斜仍没有问题。2创新基桩抗弯能力根据上述计算结果，渗流动水力D1和D2都远远超过基桩的总抗裂剪力373.7kN，可见大楼的基桩在渗流动水力的作用下，将发生不同程度的剪切破坏。同样，土堆及其有关的土层产生的推力平均弯矩215.6kN·m和动水力D1产生的弯矩之和达到1235.6kN·m，远远超过基桩极限抗弯能力的175.0kN·m，两者相差约7倍。可见，尽管有多种因素可以消减桩身承受的弯矩，但基桩实际所受到的外力弯矩远远大于其极限抗弯能力，所以建筑物发生倾斜是不可避免的。综上分析，就是因为暴雨，使土堆及其下卧土层和大楼下卧土层与地下水之间发生了渗流应力耦合（效应），地下水由粘滞力占优势的层流运动转变为惯性力占优势的层流运动；在造成土堆自身滑动坍塌的同时，也导致了大楼基桩出现较大的弯曲变形和不同程度的剪切破坏。所以，整栋大楼出现危险性的“向西南方向倾斜”（根据报道）。3土堆残余土堆上的动水力在防汛墙破损和局部溃堤以后，北侧河道的河水与土堆、建筑物范围的地下水建立了直接或间接的联系。加之倾斜的大楼导致了基坑围护墙（搅拌桩复合土钉墙）的破损，这样坍塌后的残余土堆（高度约2.5～4.0m）南侧及大楼下卧土层内部的孔隙压力的性质也发生了改变，即地下水水头梯度增加，由孔隙压力产生的动水力（D）体现的宏观平均势能增加（见图10）。此时，残余土堆南侧及大楼下卧土层内的地下水渗流应力耦合加剧，并出现较大的新滑动面，表现出较活跃的蠕动变形与局部流动变形———地下水的动能增加；渗流形式由粘滞力占优势的层流运动又转变为惯性力占优势的层流运动。经推算，土层中较活跃的惯性力占优势的层流运动区域位于地面以下1.9～2.3m区间，影响最深界面位于约-3.0m处。假定建筑物地梁埋深范围（含土堆坍塌后紧贴建筑物的三角形范围）的土体不发生滑动，地下水埋深为-0.5m，则计算单元内土堆南侧惯性力占优势的层流运动动水力D3为1983.7kN，大于D1和D2，动水力D3产生的弯矩为5356kN·m。可见，当土堆坍塌、防汛墙破损或溃堤、基坑围护墙破损以后，不考虑粘滞力性质范围的动水力，仅考虑惯性力性质范围的动水力，就已经大于土堆坍塌前的动水力，因此大楼将进一步加剧倾斜。5预应力高强混凝土管桩桩顶断裂失效机理大楼倾斜后，使其基础中的管桩存在不对称的受力状态，即临近基坑一侧（大楼南侧）的管桩出现超载受压；临近河道一侧（大楼北侧）的管桩出现卸载（最终受拉、上拔）。由于预应力高强混凝土管桩具有先天性的脆性，在遇到坚硬持力层或偏心受力或超载的情况下，桩端或桩顶易产生剪切裂缝而爆裂脆断，所以大楼南侧的桩基超载受压后，桩顶很容易发生爆裂破坏（见图6），使整个建筑物在大倾斜的基础上进一步失稳倾斜，以致快速倒塌。在倒塌之前的瞬间，大楼产生的下滑力弯矩为12781kN·m，而大楼北侧基桩抗拔产生的反力弯矩为3047kN·m，两者相差4倍多，因此，大楼北侧的管桩根本拉不住即将倒塌的大楼。6管桩倾斜失稳的思考综上计算与分析，导致大楼倒塌的原因是：1）大楼南北两侧的外力压力差和暴雨后土堆内地下水渗流应力耦合综合作用，导致大楼出现倾斜；2）防汛墙破损或溃堤、基坑围护结构破损以后，河水补给渗流，残余土堆及大楼下卧土层中的渗流应力耦合作用加剧，使大楼倾斜进一步加剧；3）建筑物倾斜后，其南侧的管桩出现超载受压，桩顶爆裂破坏，使整栋大楼在已出现较大倾斜的基础上，进一步倾斜失稳，并最终快速倒塌。在这一事故中，应总结和吸取的教训很多，但笔者认为，在今后的工程设计与施工中，以下3个问题值得思考和探讨。1）临近建筑物的一侧进行深基坑开挖施工，同时另一侧堆积太高的土堆是不应该的。但是，如果在暴雨来临之前，能够对土堆采取有效的防雨水覆盖和