地基基础的若干工程实录

地基基础的若干工程实录地基基础的若干工程实录同济大学高大钊2017年10月研究工程实录的意义20世纪80年代初，黄文熙教授说过：“总的说来，岩土工程学犹如医学，并不是一门严谨的科学。针对每一个具体问题，只有充分运用这门学科的理论知识和实践经验，综合地、辩证地加以分析研究，才有可能找到一个合适的解决问题的方案。”80年代初，俞调梅教授曾经说过：“由于地层的复杂性、不均匀性，岩土工程总是在不能预先百分之百地掌握所需要资料的条件下进行的，总是要凭经验作出判断（也就是猜测）的；但是岩土工程的安全系数要比结构工程低得多。这就说明了为什么要重视地区经验，地质条件以及工程事故的经验教训；这也说明了为什么要重视观察法。几十前，在基础工程专书上总是有很多工程事例的报道；但是后来就少了，似乎是有了土力学理论就可以解决一切问题了。而且在杂志及刊物上报道的多数是成功的事例。在我国，由于种种社会历史原因，在教本上讲的失败事例总是外国的，例如哥德堡的码头、加拿大的谷仓等。这一切，会使人们盲目相信理论，而这正是导致失去信心的原因。”目录1．上海展览馆的过量沉降2．工业构筑物的过大倾斜3．深基坑围护结构失效事故的四个案例4．深开挖边坡失稳的两个案例5．冻结法施工事故6．地下室的上浮7．抗浮设计分析与底板开裂的处理8．高层建筑桩基的失稳9．上海13层在建住宅整体倒塌的原因讨论上海展览馆的过量沉降这是发生在上一世纪五十年代的故事。当年，建造了一幢沉降值高达1600mm的大厦。这幢建筑物总高九十六米，一九五四年五月开工，当年年底平均沉降六十厘米。到一九五七年六月实测，最大沉降一百四十六厘米，最小沉降一百二十二厘米。箱形基础高度7m；基础平面尺寸46.5m´46.5mm；埋置深度：0.5m；基础底面总压力130kPa；1953年的10m浅孔剖面第1层填土，0.24~0.5m第2层黄褐色粉质粘土，坚硬至可塑，0.96~1.16m第3层棕黄色粘土，可塑，1.60~2.60m第4层灰色粉质粘土，可塑，2.2~6.3m第5层灰色粘土，可塑，未钻穿实测沉降施工期间的沉降速率：5.4mm/d-3.4mm/d施工完成3年以后的沉降速率：0.1mm/d为什么沉降那么大？1．基础底面压力大，土中应力水平高2．基础面积大，压缩土层相对较薄，应力沿深度衰减比较慢3．软弱下卧层应力水平过高，可能发生局部的水平挤出沉降的估算：根据上海的经验，当基础底面附加压力大于100kPa时，沉降经验修正系数取1.3，则得最终计算沉降量为1892mm。工业构筑物的过大倾斜焦化厂配煤房：一座30m高的筒仓最大沉降速率达到每昼夜45mm！！15天内倾斜从2.7‰发展到14.1‰2年倾斜达到24‰会不会成为第二个加拿大谷仓？？基本数据：47.5m´10.8m筏形基础5个直径8m、高31m的储煤斗基础埋置深度1.5m构筑物自重压力76kPa抗剪强度指标：三轴不排水强度20kPa十字板强度22kPa焦化厂配煤房倾斜事故：结构完工后3个月平均沉降47mm，沉降速率0.5mm/d倾斜2.7‰，还比较正常完工后6个月投产5天装煤215吨煤停止时沉降速率8～10mm/d；第4天，27～45mm/d，加速沉降，危险！荷载与地基极限承载力：按固结快剪指标计算为202kPa按不固结不排水剪指标计算为135kPa建筑物恒载38000kN，产生基底压力76kPa，装煤21500kN，产生基底压力44kPa活载与恒载之比0.57基底总压力120kPa地基极限承载力：按固结快剪指标计算为202kPa按不固结不排水剪指标计算为135kPa建筑物恒载38000kN，产生基底压力76kPa，装煤21500kN，产生基底压力44kPa活载与恒载之比0.57基底总压力120kPa固结不排水强度202kPa，恒载76kPa，安全系数2.66;总压力120kPa，安全系数1.68不排水强度135kPa,总压力120kPa,安全系数1.13如果不快速加煤，安全系数1.68；实际快速加煤，故安全系数低于1.68；不考虑施工期的排水固结，安全系数1.13；而实际安全系数介于1.13~1.68之间变形分析:\加煤2年后，平均沉降630mm堆放钢锭纠倾以后沉降达846mm，推算最终沉降量为1150mm按压缩层厚度16.7m，平均模量2MPa计算，得最终沉降量689mm两者之比为1.67，为什么相差那么大？估计发生了侧向挤出，但没有实测水平位移的数据验证。资料对比分析：堆载面积22m´30m，不排水强度31kPa在150kPa荷载作用下，离堆载边缘外0.7m，地面下7m处的实测水平位移810mm，水平位移与竖直位移之比为1.34。深基坑围护结构失效事故的四个案例上海的一个案例、基本数据基底面积4471平方米高层建筑地上29层，地下3层基坑面积2600平方米基坑周边长260m开挖深度12.35m地下连续墙厚600mm，深24m四道支撑，第一道钢筋混凝土支撑，其余三道f609mm´12mm的钢支撑围护结构失效的后果约40m长的围护结构后倾，墙底向内翻，基坑底土体隆起支撑结构体系失稳破坏邻近道路塌陷，塌陷面积约500平方米，最深处6～7m，滑动体后座切口竖直平整煤气管破裂，煤气大量外溢切断两根光缆干线破坏电力电缆、电车电缆、自来水管与下水管道大面积停气、停水、停电，交通中断事故有预兆监测数据显示，事故发生前二周，邻近道路沉降速率最大已达15cm/d事故前一天的半夜，发现基坑底部出现土的局部上涌，钢支撑发出吱吱声音但没有采取任何的工程措施第2天上午7时，事故突然发生对事故原因的分析支撑与连续墙之间直接连接，没有设置围檩，由于支撑与围护结构不正交，无足够承受剪力的构造节点支撑连系杆节点设置不当，连系杆形同虚设插入深度不足和围护结构强度不足施工超挖，未做注浆加固监测未及时报警管理混乱，对事故预兆不重视，没有及时处理发生在杭州的基坑工程事故案例位于风情大道东侧的杭州地铁1号线湘湖站主体为地下两层三跨钢筋混凝土框架结构。基坑长度为106m，宽度20.5m。车站主体结构顶板覆土1.8m，底板埋深16m。主体开挖深度约15.7m∼16.2m，采用800mm厚地下连续墙，连续墙嵌固深度为17.28m。竖向设置4道ф609钢管支撑，支撑中部设置立柱。从现象上看，事故似乎是突然发生的，发生事故那天，基坑旁边道路上的汽车在正常地行驶中，刹那间，杭州市风情大道一下子沉陷了深7m、形成了宽40m、长近百米的大坑，很快漫水；此时百余名在基坑中工作的现场施工人员也纷纷逃离。但事实上，事故发生前,自10月9号至事发前的一个多月间，临近北二基坑西侧的风情大道就曾经不断出现了一些不正常的迹象。例如，位于污水管附近上方的车道路面结构层开裂严重、路面下沉明显；曾多次采取架钢筋、浇灌混凝土、对路面的裂缝进行了勾缝等措施来补救。除基坑外地面开裂现象外，基坑内侧地下连续墙也曾出现过较大的裂缝。实际上，一个特大事故正在悄悄地向人们扑来，但大家似乎都没有觉察到。位于风情大道东侧的杭州地铁1号线湘湖站主体为地下两层三跨钢筋混凝土框架结构。基坑长度为106m，宽度20.5m。车站主体结构顶板覆土1.8m，底板埋深16m。主体开挖深度约15.7m∼16.2m，采用800mm厚地下连续墙，连续墙嵌固深度为17.28m。竖向设置4道ф609钢管支撑，支撑中部设置立柱。基坑全长分为6个作业段（每段20米左右），事故发生前第一段已浇筑完底板结构，第二段浇完垫层，第三段已在辅砂石，第四段还在清底，两台挖机正在第五段和第六段段开挖最后一层土方。事故前基坑已见底而未作结构的区段至少3段（即60∼70米长）以上。事故发生后的搜救工作中，５名蛙人进行潜水作业搜救。在抽干积水之后，还派出了搜救犬帮助确定失踪者方位。救援人员还采取每隔50厘米分区挖沟的方式下探。但均未能有所发现。当时确定17个施工人员死亡，4人失踪。这是一个特大工程事故。地下连续墙的破坏形态根据事故后的钻探资料，连续墙折断、上段后仰、下段前倾。根据事故以后钻探所得到的地下连续墙的位置，连续墙折断的断口大约在顶面以下7.6m处，断口以上的部分墙体向坑内位移，断口处的位移大于顶部，即呈微微后仰的状态；断口以下部分呈前倾状态。路面下沉极其迅速，过往汽车突然下陷，说明由于地下连续墙折断，从基坑侧面往坑内涌土为主，底部涌土情况不明。这一次重大的基坑事故，究其主要技术原因，仍不外乎超挖和没有坑底加固这两项顽症，在十多年来就已经发生过多次。关于被动区没有加固的影响，设计要求在被动区进行加固，但据说有些专家建议取消被动区加工，认为可以用降水固结来取代被动区加固。关于超挖的影响，事故发生时，正在对第五段和第六段段开挖最后一层土方，为了赶进度，采用了大型的挖土机挖土，由于大型挖土机对净空的要求比较高，在第3层支撑完成后就一下子挖到底了，没有撑第四道支撑。这是一个四道支撑的深基坑，开挖深度为16m，由于施工超挖，第四道支撑没有及时支撑。经验算，由于没有第四道支撑的作用，致使第三道支撑的轴力增加了43％～47％，地下连续墙的弯矩增加了37％～51％，剪力增加了38％～40％。钢支撑与连续墙之间没有围檩，只能承受压力，不能受拉，一旦发生连续墙后仰转角，钢支撑作用失效。连续墙的破坏暴露了钢筋混凝土的严重质量问题，碎石表面没有水泥胶结，钢筋与混凝土剥离，连续墙被剪断。施工过程中监测的报告称基坑的变形不大，但与发生破坏的结果不符。后经过公安部门的侦查，证明监测隐瞒了事实真相，报告了假的数据。为什么要隐瞒数据？对谁有好处？局外人只能猜测，可能是掩耳盗铃罢了。施工单位缺乏软土地区的工程经验，对软土地区基坑工程的主要问题理解不深刻，侥幸心理的支配，酿成大事故。基坑对相邻地铁隧道的影响工程场地下有地下铁道两条隧道通过塔楼地上36层,地下3层群房地上6层,地下1层北区深坑开挖深度15.1~16.0m南区浅坑开挖深度7.0m地下铁道位于南区基坑下,距深浅坑之间的中隔墙的距离仅2.8~5.0m先挖深坑分5次开挖第3次开挖，从-1.3m~-4.7m，挖至深度8.3m下行隧道D08和D09两个测点向坑内方向位移达10.7mm和10.1mm，超过了警报值10mm，两天内增加了2.5mm~3.5mm决定采取注浆纠偏措施先挖深坑纠偏步骤：1.在上、下行隧道之间打56只卸压孔2.在下行隧道与中隔墙之间用13只复位孔注浆纠偏3.在下行隧道与中隔墙之间，全范围注浆加固，继续复位珠海的基坑工程事故滨海堆积地貌，地貌高程：3.04m-3.71m;地层情况：海积、海陆交互相沉积、残积层；地下水：上层滞水，潜水，计基岩裂隙水，潜水主要含水层：⑥、⑨砾砂层，由北向南流向大海；勘察期间测得混合水位埋深1.05m-1.55m.无嵌固深度的逆作钢筋混凝土挡墙＋钢构内支撑；四周为搅拌桩＋旋喷桩，搅拌深度18m，用旋喷加深至22m；钢筋混凝土挡墙分六层，钢支撑四层，（-3m,-6.5m,-10m,-13.5m)每层钢筋混凝土挡墙分35段，钢支撑13道，成45°角对撑，东西面水平支撑一道。5月6日上午，坑外地面已经累积下沉176mm，基坑南侧工棚向南倾斜200mm;下午2时，基坑南侧钢支撑突然发出连续爆裂声，钢支撑端部多处开裂、脱落、失稳，坑底隆起200mm;下午4时，人员全面撤离，附近居民疏散；4:30左右，坑内频繁发生爆裂声，基坑东南角首先坍塌（该处缺打6根φ400的预应力管桩），支撑墙呈后仰（踢脚）滑入坑内；基坑西南角（该处缺打两根φ400的预应力管桩）也支撑墙呈后仰滑入坑内；4:30，坑外3栋楼房整体滑入坑内，滑距约为20余米；晚上8时左右，基坑北侧相继相坑内滑入，整个基坑全部倒塌；由于人员撤离及时，未造成人员伤亡－不幸中之大幸。珠海基坑事故的主要教训不成熟的方案不能用大型工程做试验，更不能用之于政治性的重大项目。一种新的技术方案能否用于工程，首先是在力学概念上是否满足平衡的原理，在构造上是否符合施工稳定性的要求，这是判断是否可行的基本前提。拱圈逆作法的主要问题１．大面积的建筑基坑平面受力状态不同于圆拱的受力条件；２．从上而下修筑的栏墙没有插入深度，对于敞开开挖的施工条件，会发生从底部涌入坑内的塑性流动；3．止水措施不足以阻止地下水从坑外向坑内流动。深开挖边坡失稳的两个案例泵站进水渠道滑坡泵站进水渠全长487.7m为梯形明渠，渠底宽70m，渠底高程-2.50m，渠道边坡1:3，在高程3.20m处设宽5m的马道堤防顶高程7.00n，渠道边坡采用分段衬砌，高程-2.50~2.10m采用浆砌块石，高程2.10～3.20m采用干砌块石加水生植物生态护坡，高程3.20m至堤顶采用生态护坡，渠底根据流速的分布，部分采用浆砌块石护底。在导流墩附近南堤发生滑坡滑坡范围52m左右堤脚向外滑移30m左右，顺顶堤轴线方向在坡面上出现宽度和深浅不一的较多纵向裂缝堤脚的滑动面是自然坡状态，未出现隆起现象试验结果分析(1)

淤泥质粉质粘土②3的原状土ps平均值为518kPa。滑坡体内曾受很大扰动的土体现时ps值只有原状土的43%和33％滑坡体边缘受局部扰动的土体ps值是原状土的85%、77%和45％(2)

软弱土层剖面基本与原地勘资料接近，但②3土层底面下还有一个很软弱的土层(-5.3~-8.5m高程)，其ps平均值只有1084kPa，明显弱于邻近孔位值。初步判断滑动面经过J3和J4的-2.05和-2.44高程。(3)

淤泥质粉质粘土②3的原状土不排水强度为26kPa。滑坡体内受很大扰动的土体现时不排水强度只有原状土样强度的63%(4)

天然土层中淤泥质粉质粘土强度随深度而增加。②3土层从上部的15kPa(高程-3.2)逐渐增加到下部的41kPa(高程-6.2)(5)现时软土层②3的灵敏度。滑坡体上T6处为3.1，滑坡体外T7处为2.1。引水渠道基坑开挖边坡失稳4孔箱涵，单孔尺寸为3.25m´3.60m，总长75m。地面标高＋4.2~4.7m，设计基坑底面标高－5.33m，开挖深度近10m。按三级放坡，从上至下依次为1:1.5、1:2和1:3，变坡处留1.0m宽的马道。二级轻型井点降水。采用水冲法施工，泥浆沉淀池设置在基坑顶部南北两侧，距基坑外缘12m～15m。滑坡发生在挖到基坑底面，浇筑垫层后，正在绑扎箱涵的钢筋时没有进行任何的位移观测，因此没有发现滑坡的预兆，突发性的事故。入基坑中的土方5000立方米，泥面涌高6m，第一级井点向基坑中移动13m。事故分析1.10m的高差形成的压力差超过了软土的承载能力；2.由于坡面非常平缓，滑动的形式是深层滑动，以中点圆的形式破坏；3.卸载引起负的孔隙水压力，产生强度较高的假象，随着负压的消散，土的抗剪强度降低，滑坡并不发生的开挖的同时，而滞后一定的时间；4.没有进行监测的教训。加载与卸载的比较冻结法施工事故上海地铁施工中成功采用冻结法施工技术，现在已经成为成熟的施工方法，用以区间隧道的修筑旁通道。根据上海的经验，冻土平均温度达到－10°C时，抗压强度可达3.5MPa，抗折强度可达1.8MPa，抗剪强度可达1.5MPa。可根据性能指标对应的安全系数来核算冻土的安全厚度。曾经发生的一次事故主要用于旁通道的开挖施工，是局部的降温冻结后开挖。事故的原因是冻结的温度不够低，致使冻结的土部分出现软化，应该加用备用的冷冻机降温。但是，现场只有一台冷冻机，于是，采取了冒险的行为，继续开挖，致使冻土壁溃决。造成一次大事故，黄浦江下的地铁隧道全部淤塞，西岸的建筑物倾斜、破坏。地下室的上浮地下水的浮力作用是基础设计时需要考虑的重要问题地下水的浮力大小可能是一个有争议的问题但对基础底板的内力计算和对地下室上浮的平衡都是无法回避的问题1996年9月，海口市经受12级飓风袭击，拌有大暴雨，一座停工中的占地面积达3000m2的2层地下室突然窜出地面5~6m，整体倾斜，犹如平地出现一艘水泥船。虽然经过降水、牵引、归位等工程措施处理，但因地下室两端高差仍有90cm无法扶正，且顶板和外墙均已开裂，不能继续利用而报废。抗浮设计分析与底板开裂的处理某工程由2层的大底盘车库上建筑裙组成，大底盘车库的长度约200m，宽度约100m，在3幢建筑物设置了下沉式广场，面积约1000m2，亦即在下沉式广场以下的地下室只有1层，地下室柱距8.4m，底板厚度500mm，顶板厚度200mm，在下沉式广场上覆土1.2m。地下水的最高水位距地下室底板的距离8.5m。发现地下室因抗浮问题而产生结构开裂的时间是在地下室结构已基本完成，但下沉式广场上的覆土还没有填筑，但降水已经停止，后浇带也已经封闭。此时，在地下二层的顶板处，局部框架梁柱的节点区域都出现了裂缝，在地下室的底板出现了连通的T字形裂缝。裂缝分布区域主要集中在下沉广场处。在框架梁柱的节点附近，框架柱在接近梁底处出现了水平裂缝，框架梁在接近柱处出现了垂直或斜裂缝。发现地下室出现开裂以后立即采取了如下的应急处理措施：`1安排变形及裂缝观测：对相关区域地下二层底板及顶板标高测定，并观测其变化情况；在地下二层相关区域内设置稳定的观测点，进行二等水准测量，每24小时应观测两次，并做好详细记录及对比数值，及时提供各方单位；每24小时对已出现的裂缝进行观测一次，密切注意裂缝宽度及长度变化，并详细记录，如有突变应立即通知各有关单位。2．采取底板开孔排水卸荷措施，在底板相应位置开孔，并取得底板水压力数据。考虑实施条件，开凿500mm×500mm的孔坑，局部以小孔穿透底板，并设置滤网防止土体流失，测定水压，并记录涌水量，及时排出涌出的水。3．在此区域地下二层顶板上按设计的要求尽快进行覆土加载。根据实测数据，计算的整体挠曲矢高比（上浮变形量与平均跨距之比）约为6‰左右，已超过钢筋混凝土板所能承受的挠曲变形。地下室底板各测点间的局部挠度如以平均斜率计算，平均斜率从2.4‰～16.0‰。采取底板开孔排水卸荷措施以后，效果非常明显，底板的上抬变形量迅速回沉。产生裂缝的原因既有设计方面的，也有施工方面的。设计时，浮力的分项系数采用了1.05，结构自重的系数取1.0，单桩抗浮承载力的分项系数取1.6。显然这里取用1.05的系数是偏小了，与单桩抗浮承载力的系数1.6相匹配的应取1.2的浮力分项系数。以某号柱为例，作用在柱下底板计算面积上的浮力值5425.0kN（乘以1.05系数）和结构及覆土自重2487.7kN（乘以1.0系数），单桩承载力采用700kN（分项系数取用1.6），则计算的桩为4.2根。如果按上海地基基础设计规范规定，浮力应乘以1.20系数，则为6210.0kN，相应的单桩承载力也采用700kN，则计算的桩数为5.3根。如果浮力值用5425.0kN，相应的单桩承载力采用560kN（安全系数取2.0）则计算的桩数也是5.3根。比较上述三种方法计算的结果，第2和第3种方法的系数是按照上海地基基础设计规范的规定匹配取值，其计算的结果是一致的，而第1种方法由于系数不匹配，计算的结果比按规范方法的结果少了一根桩。也就是说，由于系数的不匹配，使有些承台下的桩数少了，使每根抗浮桩大约超载了10％～15％。施工在浇筑地下室底板时就停止了降水，这不符合验算抗浮稳定性时计入了结构和覆土自重的设计状况。此外，采用预应力管桩作为抗浮桩，桩长取33m，致使桩的接头比较多。这两个因素都对抗浮稳定性是不利的。对底板开裂的修复加固处理，比较了设置抗浮锚杆和压重两种方案。加固设计时，考虑到底板的上抬变形量已远远超过了桩的抗拔承载力所对应的变形量，判断抗浮桩均已失效，因此浮力扣除结构自重以后，全部由锚杆或者压重来平衡。加固锚杆的数量比较多，因此采用锚杆加固方案时对底板整体性的损伤比较严重；采用压重方案的施工比较方便，但对地下室使用面积的影响比较大。经过方案比较的结果，最终采用压重方案加强地下室的抗浮能力，在压重满足抗浮设计要求以后再封堵排水孔，并修补混凝土结构的裂缝。高层建筑桩基的失稳（夯扩桩方案使用不当）在20世纪90年代初，岩土工程界开始推广夯扩桩，由于造价低廉而受到青睐，发展到后来，不管地质条件是否适用，盲目地大量采用。90年代中，便发生了一幢18层楼的高层建筑，因采用夯扩桩，桩基发生整体失稳而被爆破拆除的事故。某栋新建的18层住宅楼，在结构封顶以后由于建筑物桩基整体失稳，导致该楼发生严重倾斜，其顶端倾斜的水平位移达2884mm。为根除工程质量隐患，在采取工程补救措施无效后，对该楼实施整体定向爆破拆除。成为桩基严重事故的第一例。建筑物体型为十字形的点式楼，基础底面积约800m2，地上18层，地下1层，总高度56.6m，钢筋混凝土剪力墙结构，基础采用夯扩桩基础，设计桩径480mm，施工桩长16～20m，桩端持力层粉细砂，桩端进入持力层约0.8m。工程于1995年1月进行桩基施工，共完成336根夯扩桩。1995年4月初开始开挖基坑土方，9月中旬完成主体工程结构封顶，11月底完成室外装修和部分室内装修。地貌属长江一级阶地，地势平坦，表层填土，其下为9.4~14.4m的厚层淤泥及2.2～2.4m的淤泥质粘土，有机质含量达30％，再下为稍密～中密的粉细砂。在这样的地质条件下，能否采用夯扩桩呢？当年，正是夯扩桩风行的年代，这个案例给了最好的说明。事故概况：1995年12月3日，突然发现建筑物向东北方向明显倾斜。建筑物顶端的水平位移470mm，在东北方向的沉降量55mm，而西南方向仅沉5mm。采取抢救措施，在沉降量小的一侧加载500吨，在沉降量大的一侧挖土卸载，还进行了粉喷桩和注浆加固，并打了7根锚杆静压桩。建筑物在12月21日突然转向西北方向倾斜，至12月25日，建筑物顶端的水平位移已达2884mm，整栋建筑物的重心偏移了1442mm。决定于12月26日爆破拆除。事故原因分析：1.桩型用错了，在厚层淤泥中不能采用夯扩桩，把土层的结构都破坏了，将工程桩挤歪了。2.基坑开挖时未分层挖土，桩发生偏移。3.172根桩的偏位超过允许偏差，最大偏位达1700mm。4.底板的标高抬高2m，在倾斜的桩上接长，形成偏心的桩轴力。5.形成了不稳定的机动体系。关于上海13层在建住宅整体倒塌的原因讨论2008年上海发生了1