河南某基坑失稳原因分析及应急方案

时间：2024-08-31

张永雨，孙玉永

（1.河南省交通规划设计研究院股份有公司，河南郑州 451450；2.铜陵学院建筑工程学院，安徽铜陵 244000）

0 引言

随着我国城市化进程的不断扩大，城市基础设施建设也逐渐转向地下，诸如地下综合体、地下停车场、地铁车站等不断涌现。进行地下空间开发利用，不可避免的会涉及到基坑工程，而基坑工程属危险性较大的分部分项工程，其安全性受到多种因素的影响，如地层参数、水土压力、地下水情况、施工机械、施工临时荷载等因素（徐杨青，2001；杨学林，2012；律文田和李伟勇，2020）。此外，基坑工程一般都作为临时工程，无论是设计单位还是施工单位对其的重视程度都不如永久性工程，因此也造成了一些基坑工程事故。

本文以某一边坡失稳基坑工程为背景，通过现场调研、室内实验、计算分析等手段，系统分析了引起基坑边坡失稳的原因，并针对性提出了一些应对措施，可为类似基坑工程的设计和施工提供借鉴。

1 工程概况

该项目为高层住宅楼，包括34层住宅3栋、3层商业辅助用房及一层地下车库，建筑总面积57119.27 m2，位于郑州市北部，场地地面标高93.1～93.2 m，高层主楼采用锤击管桩，桩径400 mm，车库采用天然地基筏板基础。

该项目基坑形状为梯形，周长379.9 m，开挖深度7.5～8.5 m，地下室开挖采用整体分层开挖。基坑东北侧为40 m宽主干路的绿化带，基坑南侧、西侧为拟建道路。基坑平面布置如图1所示。

图1 基坑平面布置图

2 工程地质条件

场地属黄河冲积平原，地层主要为第四系冲积的粉土、粉质黏土、细砂层，具体包括：①耕植土，稍密，以粉土为主，埋深0.3～1.0 m，平均厚度约0.52 m；②粉土，稍湿～湿、稍密，埋深0.3～5.8 m，平均厚度约2.9 m；③粉土，稍湿～湿、稍密，埋深5.4～10.9 m，平均厚度约2.7 m；④-1粉质黏土，黄褐色～灰褐色，软塑，局部可塑，埋深6.7～12.4 m，平均厚度约2.9 m；④-2粉土，灰褐色，局部为黄褐色，湿，稍密，局部夹薄层粉质黏土，埋深7.5～12.4 m，平均厚度约2.45 m；⑤粉质黏土，灰褐色～黄褐色，可塑，局部软塑，切面较光滑，埋深11.9～15.8 m，平均厚度约3.06 m；⑥粉土，褐黄色，湿，中密，摇震反应迅速，埋深13.0～17.2 m，平均厚度约1.56 m；⑦粉质黏土，黄褐色，可塑，埋深14.8～18.6 m，平均厚度约1.74 m；⑧细砂，灰褐色～黄褐色，饱和，密实，埋深24.5～28.7 m，平均厚度约10.2 m。基坑范围内的地层设计参数如表1所示。

表1 基坑支护设计土层参数

勘察期间为3月份，该场地初见水位位于地面以下11.20～12.50 m，稳定水位位于地面以下17.61～19.30 m，地下水属于潜水，含水层主要为下部粉土层或细砂层。由于场地浅部存在粉质黏土相对隔水层，浅部局部存在上层滞水，上层滞水水位埋深约11.60 m，主要受大气降水补给和地下水开采的影响。

3 基坑设计

依据基坑规模、开挖深度、地质水文条件、周边环境条件及有关技术规定，基坑侧壁安全等级为二级，基坑支护方案采用土钉墙方案，支护平面图详见图1，依据13#钻孔地层资料设计的Ⅰ-Ⅰ’支护剖面图详见图2。依据各层地质参数，计算Ⅰ-Ⅰ’剖面的整体稳定性安全系数为1.329>1.3，抗隆起稳定安全系数（孙玉永和肖红菊，2013；侯晓亮和谭晓慧，2015；胡康俊等，2015；蔡露等，2018）最小值为1.615>1.60。

图2 Ⅰ-Ⅰ’支护剖面图

4 基坑失稳现状及机理分析

2017年6月底，设计单位完成基坑支护设计文件，并通过审查后交付甲方，施工单位8月份进场，8月10日开始土方开挖，支护结构施工于8月14日开始依据土方开挖进度进行施工，交叉作业。由于扬尘管控，土方开挖存在突击现象，支护结构施工跟不上土方开挖进度。基坑开挖至地面下7.2 m时，锤击管桩施工开始。管桩仅在主楼基础下，桩径400 mm，桩间距1.4 m，管桩施工采用跳打原则，隔一打一，先中间后两边，1#楼北侧距离滑塌区域距离在14.4～29.8 m之间。

10月22日，接甲方通知，基坑开挖至地面以下7.2 m，锤击管桩正在施工，第5排土钉准备施工，基坑东北侧出现坑底隆起、坡角突起、失稳滑塌现象。坡脚土体成软塑状，基坑底出现渗水现象，坡面整体没有破碎，但出现多处贯通的竖向裂缝，坡顶5 m范围内呈错台状，错台高度0.3～1.5 m，边坡滑塌长度约51 m，坡顶为40 m宽的道路绿化带。基坑滑塌没有造成道路变形或开裂。滑塌现状照片详见图3和图4。

图3 坡角现状图

图4 坡顶现状图

依据基坑设计文件，结合现场施工顺序，基坑底部正好位于软土层④-1层粉质黏土，该层承载力特征值为80 kPa，压缩模量为3.1 MPa，承载力较低，属高压缩性土，当基坑开挖至地面下7.2 m时，在无侧限情况下该层变形量增大，边坡变形逐步显现。在基坑开挖过程中，挖土机械和拉土车辆的反复碾压下，④-1层土被扰动，强度进一步下降。当锤击管桩施工时，上层滞水水位由勘察时的11.60 m（3月份），上升至7.2 m（10月份），水位上升了4.4 m。水位的上升进一步加剧了④-1层土软化，抗剪强度进一步的下降，变形量进一步加大，边坡内部拉应力逐步增大，最终拉应力超过土钉极限抗拉强度，导致土钉锚固体破裂，钢筋被拔出。最终坑底隆起，坡角失稳，出现边坡滑塌现象。依据边坡失稳机理的分析，边坡剪出口位于基坑隆起位置，边坡的后缘位于坡顶竖向裂缝位置，推测滑动带（张永雨，2020）位置见图2中ABC位置。

5 基坑失稳原因分析

基坑失稳滑塌后，对现场施工情况进行了核查，边坡坡度、面层厚度、面层中钢筋网、土钉长度、锚固体直径、钢筋型号等方面与设计文件基本一致，施工质量基本合格，但质量检验与验收程序缺失。从断裂的锚固体看，钢筋没有完全居中，处于锚固体下部1/3位置。此外，还存在其它如勘察、设计、施工、监测等方面问题。

5.1 勘察因素

（1）地层划分不合理，建议土层指标参数不准确。复核地质勘察报告，第④-1 粉质黏土层的静力触探锥尖阻力范围0.356～0.963，平均值0.567，标准值0.527，最大值是最小值的2.7 倍，说明指标统计离散性大，地层划分不尽合理，该层存在更软弱的夹层，夹层的承载力小于该层的建议值，软弱夹层正是基坑支护设计及施工的不确定性因素之一。

另外，勘察报告中给出第④-1层粉质黏土层承载力特征值80 kPa，压缩模量3.1 MPa，黏聚力为23 kPa，内摩擦角为13°。依据《建筑地基基础设计规范》5.2.5条①，根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值的公式：

式（1）中：fa为由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值，kPa；Mb、Md、Mc为承载力系数，无量纲；γ为基础底面以下土的重度，kN/m3；b为基础底面宽度，m，大于6 m时按6 m取值，对于砂土小于3 m时按3 m取值；γm为基础底面以上土的加权平均重度，kN/m3；d为基础埋置深度，m；ck为基底下一倍短边宽度的深度范围内土的黏聚力标准值，kPa。

估算得到该层的承载力特征值为165.0 kPa，与勘察报告给出的建议值（80 kPa）相差较大。因此勘察报告给出的第④-1 层粉质黏土层抗剪强度指标明显不合理，与该层承载力建议值不匹配。

（2）水文地质条件未完全查清。勘察期间地下水初见水位埋深11.20～12.50 m，稳定水位埋深17.61～19.30 m，上层滞水水位埋深约11.60 m；而基坑开挖至7.2 m时，地基土含水量较大，呈软塑状。因此，水文地质条件与实际情况不符，尤其是上层滞水的富存情况，也未进一步评价其对基坑工程的影响。另外，下部承压水及其与上层滞水的相互关系也未查清。

5.2 设计因素

通过现场取样试验，勘察报告提供的④-1层粉质黏土层抗剪强度指标与承载力不匹配，指标偏大。复核Ⅰ-Ⅰ’剖面支护设计，④-1层黏聚力和内摩擦角按11.4 kPa、8.6°估算时，三个工况的整体稳定性验算安全系数分别为1.276、0.954、0.993，均小于1.3，整体稳定性验算不满足规范要求；基底抗隆起稳定性安全系数为0.598，远小于1.6，抗隆起稳定性验算不满足规范要求。

因此设计单位应当结合区域经验正确鉴别和使用勘察资料，尤其是影响基坑设计的关键指标。同时还应了解主体设计施工中影响支护结构的主要因素，尤其是大型机械、基桩施工等方面的影响，提出合理的施工时序建议，明确施工中影响支护结构的注意事项。

5.3 施工因素

（1）超挖严重，支护不及时。现场施工未严格遵循基坑开挖施工的时空效应。土方开挖时，超挖比较严重，且支护不及时。依据现场施工记录，竖向分层厚度超过2.4 m，水平向分段开挖整个基坑东侧，分段长度为120 m，土方开挖结束时间与基坑刷坡开始时间间隔近3天，基坑刷坡结束时间与土钉成孔开始时间间隔近2天。

（2）基础施工扰动。依据广东省《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》②相关规定，锤击管桩施工影响范围较大，至少影响周围150 m范围，尤其是对基坑工程和周边建（构）筑物的影响。本项目主楼基础采用锤击管桩，锤重6.3 t，落距3 m，夯击能为189 kN·m。桩基施工在基坑开挖至7.2 m时进行，但由于压桩机的行走、管桩的挤土效应以及锤击振动会造成上层滞水孔隙水压力增大，水位上升，进而引起坡角土体软化，抗剪强度降低，从而诱发边坡变形迅速加大，造成边坡失稳滑塌。为了获得施工扰动对坡脚土体的影响程度，边坡发生失稳后，对坡脚土体进行了现场取样，依据现场情况在坡体下部和基底土体采取环刀样，并做了室内直剪试验。由试验结果可知，坡体下部土体黏聚力为11.4 kPa，内摩擦角为8.6°，按公式（1）估算承载力特征值为86.4 kPa；受管桩施工影响的基底土体黏聚力9.4 kPa，摩擦角3.5°，估算得到承载力特征值为59.8 kPa。由黏聚力和内摩擦角按公式：

式（2）中：τ为土的抗剪强度，kPa；c为土的黏聚力，kPa；σ为作用于剪切面上的法向应力，kPa；φ为土的内摩擦角，° 。

估算抗剪强度，分别为19.8 kPa、11.4 kPa，可见扰动土体的抗剪强度仅为原土体的57.6%。

因此，地基施工对基底土体影响较大（李亮辉，2019），造成基底土体的抗剪强度和承载力大幅降低，进而影响了边坡稳定性和基础稳定性。结合本项目的实际情况，通过土工试验及原位测试，估算出水位变化及管桩施工对边坡土体的影响程度，土体的抗剪强度折减系数约为0.576，承载力折减系数约为0.692（郑瑞雄和刘祖德，2005）。