因施工不当引起的几起地基事故分析

因施工不当引起的几起地基事故分析南京南房建设监理咨询陈彩朋吴洪如内容提要：本文通过几起地基事故分析，指出在施工过程中，一些看似普通的做法，在一定条件下，会造成严重的工程事故，通过案例分析，值得引起施工从业者的重视。关键词：深厚软粘土地基、地面堆载、附加应力超空隙水压力、固结沉降、降水漏斗曲线、房屋倾斜、降水井。近日上海闵行区莲花河畔的一幢13层住宅楼整体倒塌，无异于在工程界引起了一场强烈“地震〞。使业内人士普遍有闻所未闻的惊叹。而事故的原因又是出人意料的简单，施工者犯了个低级错误：当大楼的一侧进行地下室土方开挖时，将挖出的土堆在大楼的另一侧，从而引起大楼下地基土的剪切破坏而产生的水平剪力，将楼房推到。专家在分析时指出：无知是造成施工不当的主要原因，因为无知，才会在深厚软土地基上堆土十多米高而混然不知危险所在！教训是深刻的。近年来因施工不当造成的重大工程事故屡屡见于报端。其实施工不当是土建工程中最常见的现象，在一定条件下就会发生事故。土建工程不是一门精确的技术，但它是一门复杂技术、一个土建工程实际是一个复杂的系统工程，一些不经意的施工做法可能会导致致命的错误。由于根底工程技术性复杂、隐蔽性强、质量控制难度大，往往发生事故的频率较高，引起的后果较严重，因此特别值得重视与关注。笔者多年从事根底工程施工与设计，拟将一些因施工不当引起的地基事故进行分析，意在与大家共勉，不当之处望批评指正。事故1：因建筑物一侧回填土方引起的房屋倾斜事故。某工程位于南京水西门外茶亭西北〔河西地区〕共有A、B、C三幢七层混合结构住宅楼，其中A、B两幢采用沉管灌注桩，按复合地基加固设计，桩长12米，桩径￠400，满堂正方形布桩，米。加固后复合地基承载力要求大于120KPa，根底为带地下室外墙〔钢筋砼〕的整板筏基，〔整体刚度好〕，为降低基底压力和增加根底稳定，根底板四周〔外墙〕外挑1.2米，，C幢由于位于一条圩埂之上，古代圩埂经过人工加固，地耐力满足设计要求，故采用天然地基〔不打桩〕方案，根底同A、B两幢，其三幢建筑的平面布置如图〔一〕eq\o\ac(○,西)CCAB填土区eq\o\ac(○,东)图〔一〕桩基施工完成后经荷载试验，满足设计承载力要求后进行建筑物结构施工，但主体完工后，发生了此三幢建筑物倾斜的工程事故，其南北沉降差异最大为286mm，倾斜率为2.66%，已超过标准0.4%规定的6.6倍。笔者接报后立即到达现场，A、B两幢楼南侧沉降均大于北侧，向南倾斜，C幢向北倾斜，倾斜率均超过2.5%。在现场，笔者也看见了一个奇特的现象：A、B两幢楼的南侧填土高度近3米，而楼的北侧正在原自然地坪上砌化粪池，南北高差近3米，如下列图：南北CCB填土3米化粪池经询问得知，因场地原标高〔吴淞高程〕仅5.7米，为解决排水、淹水问题，设计室外标高为8.5米这样就需要回填近3米高的土方，由于场地条件限制、土方来源及施工方认为北侧今后要做化粪池，填后再挖重复劳动，于是就在主体施工时逐渐将A、B两幢的南侧进行了回填，而北侧〔C幢的南侧〕寸土未填，大楼的倾斜与填土保持“一致〞，A、B两幢向南，C幢向北，倾斜值相差不大，但均超过25cm，但三幢建筑的墙体均没有裂缝，在桩基施工中，设计曾因为两幢楼的北侧原有一条渠沟穿过，就将桩基北侧四排桩作了如下变更：将这四排桩长由12米改为15米。将这四排桩由正方形布桩改为梅花形布桩〔加密〕。发生倾斜事故后，有人认为是设计变更造成的，北侧桩基变更后得到加强，使南侧相对较弱而引起沉降加大导致建筑物倾斜。笔者认为现场填土不当〔半边填土〕是造成建筑物倾斜的主要原因。C幢建筑物并未打桩，同样产生倾斜且与填土方向是一致，因A、B两幢的倾斜率与C幢相差不大。桩基方案的改变对倾斜的影响不明显。试分析如下：该工程位于河西深厚软土地基上，所谓深厚软土地基是一个岩土工程专用名词，是指地基承载范围内有厚度超过十多米，土质强度低的淤泥、淤泥质饱和软粘土，软粘土具有抗剪强度低、变形大、变形时间长〔低透水性〕的特点，由于上世纪八十年代中期人们还未认识到软粘土的工程特性故采用了所谓挤密桩加固地基方案〔现已经不用〕。布桩密度高达8.7%，打桩产生的挤土效应------超空隙水压力使得软粘土严重隆起，但因工期紧，等不到超空隙水压力消散〔一般要3---6个月〕、土体固结〔隆起消失〕、主体结构就开始施工〔加载〕，沉降就产生了，一般沉降超过10cm多。但在建造中地面的回填土是一种地面附加荷载，该工程产生的量值估算为18×2.8﹦50.4Kpa,而建筑物基底的平均压力由于底板外挑，面积增大，估算只有80—90Kpa，也就是填土产生的附加应力超过基底压力的60%。一般来讲，建筑物的变形影响深度约为根底宽度的2.0倍，该工程为整板筏基，板宽约13米，即深度影响超过25米，地基为深厚软粘土〔厚度超过40米〕，加固深度仅约为变形影响深度的一半〔12米〕，根底底板外挑，上部的填土附加应力大约为50Kpa，必然会引起附加沉降，因半边填土〔加载〕引起建筑物半边沉降加大而向回填土一侧倾斜。有人提出：同样是倾斜，上海倒塌的住宅楼的倾斜方向为何与本文提及的倾斜方向相反？即上海楼房倒塌的方向背向堆土一侧。笔者试作如下分析：上海倒塌楼房的地基也属于深厚软土地基，其地耐力是所谓的“老八吨〞即80Kpa，实际地耐力只有60—70Kpa，而楼一侧堆土高达十多米，估计堆土面基底的压力近200Kpa，高于地基承载力约三倍，远大于土的极限承载力。加之加载速度快〔几天就堆土十几米高〕连续降雨而使楼房与土堆之间大量积水，这些均使地基土的抗剪强度急剧降低、地耐力下降，最终造成地基土的整体失稳。因土的强度破坏表现为剪切破坏，剪应力将滑动体向受载面外侧挤出，倒塌楼房正好位于受载面的外侧即滑动体之上见示意图〔二〕：示意图〔二〕因此在剪应力作用下的物体位移方向总是背向受载面，这与基坑开挖时支护结构总是趋于向坑内位移是一致的，因为土压力也是水平方向力，剪应力也是水平方向的力。而本工程沉降倾斜是正应力〔垂直压力〕作用下的变形，因沉降不均匀，大楼必然向正应力大的一侧倾斜，不同的应力是产生方向差异的原因。在深厚软土条件下进行土建施工，应重视各种施工活动引起的土中应力、应变的改变。控制应力、应变的剧烈变化才能有效防止这类地基事故的发生。事故2：抽取地下水造成的在建房屋不均匀沉降事故某住宅片区位于南京河西中堡村，共有十几幢六～七层砖混结构住宅，因场地位于河西深厚软土区域，设计采用深层搅拌水泥桩复合地基方案，加固后承载力要求大于150Kpa。值得指出的是在该工程事故前，从1988～1996年间，河西软土地基上的多层住宅绝大多数采用此类方案，建房计超过千幢，无论从设计到施工均已根本成熟，工程事故很少，建成后房屋沉降一般在10cm左右，能满足此类房屋沉降的要求，比此前采用的沉管灌注砼挤密桩〔事故1的加固〕、振冲碎石桩、石灰桩等几种加固方式均优越。但该片区在采用水泥桩加固后，经过试验等验收程序，满足设计要求。1995年10月底开始主体结构施工，主体施工一个月后〔主体结构施工共计63天〕，发现08幢沉降加快且沉降差值增大，渐渐发现，片区内几乎所有建筑均出现沉降大且不均匀，至1996年4月，最大沉降近50cm，外墙出现明显裂缝。现场建筑物分部及沉降见如下列图：经现场了解，建设场地因地处偏僻而无水源，建设方进场后就打井取水，井深70米，主要取水层为地表下40～60多米的砂土层、砾石层。见水井柱状图。水井柱状图地层年代层底孔深〔米〕地层厚度〔米〕含水层划分层号岩性描述水井结构Q1.20①浮土层为耕植土。淤泥质粉质粘土砾石层4粉质粘土夹粉土，粉砂。5砂砾层6粉砂质泥岩37.10②37.70③48.84④61.70⑤K81.30⑥自1995年7月份开工至1996年4月共10月，每天抽水约150～240立方，在该场地软土厚度近40米的地质条件下，长时间抽取地下水必然会引起地面沉降的严重后果。这其实是岩土工程方面的根本常识，上海的地面沉降引起的建筑物下沉，苏锡常地区大面积地面沉降引起的区域性地质灾害，均是抽取地下水引起的。长期抽水降低原有地下水位，在地下形成大范围向井倾斜的漏斗曲线见图〔三〕土中水疏干必然产生固结沉降，靠近井的一侧沉降大，远离井的一侧沉降小，使上部的建筑受影响而产生倾斜、开裂。根据现场沉降观测资料显示，沉降曲线大致围绕水井且由小到大向水井方向倾斜见图〔三〕。根据降水井下土层分布状况，该工程在软粘土中的水位降低曲线深达三十多米，降水影响范围以井为中心估算约300～400米。因此该工程的所有房屋均在降水井形成的沉降漏斗曲线范围内，出现沉降大，向井倾斜是必然的。故该工程虽然进行了水泥桩加固处理，但由于抽水产生的漏斗曲线深度远大于加固深度，而加固之下仍为软土，因此沉降加大，倾斜就必然发生。该工程事故应与水泥桩的质量无关，也与水泥桩采用的干喷、湿喷工艺无关。只要加固体下存在软土层，降水形成的附加应力必然引起土体固结沉降而带动上部建筑物的下沉。与第一个工程事故原理相同，在软土地基条件下，土中应力变化是引起沉降的主要原因。工程设计考