地基基础工程包括地基和基础两部分,地基是整个建筑物的载体,属于岩土工程范畴;基础是上部结构荷载的传递体,属于结构范畴^[1] 。地基基础工程事故是指由于勘察、设计、施工、监理、监测或检测等原因造成的地基基础工程质量问题或对周围环境产生的破坏。地基基础工程事故多为地基的问题造成,如地基变形过大或不均引起基础沉降或差异沉降过大、基坑坍塌、边坡失稳、基坑降水引起的周围既有建筑、管线、道路的沉降及开裂等,也包含如基础筏板开裂、桩身质量问题、基础耐久性问题等基础问题产生的破坏。地基事故具有发生概率高、发生时间不确定、领域广、危害大、处理难度高的特点。

相比较于工程其他部位,如上部结构,地基事故发生概率高,特别是施工、验收阶段,以桩基为例,可能存在桩身混凝土强度等级不满足要求、桩身存在缺陷如颈缩、断桩、承载力不满足设计要求、桩长达不到设计要求、桩偏位、桩倾斜等,且在使用过程中桩基础可能会出现沉降量大、倾斜、差异沉降和桩身耐久性等问题。有关桩基础事故的预防与处理,将在后面的连载中介绍。造成地基事故发生概率高的原因如下。

土由三相组成,三相间的不同比例关系及其相互作用,使岩土形成了极其复杂的物理力学性质,土具有变异性、不连续性和多相性的特点。土的复杂性使有关土的计算理论和参数选取一直处在半理论半经验状态,准确计算存在困难。土是地基基础施工的承受体,施工过程中土体要经受反复扰动,受力非常复杂。如打桩过程产生的挤土效应;挖孔桩造成孔壁和孔底的松弛效应;施工降水会造成土体固结,提高土的抗剪强度;盾构机在推进中土体内产生并积聚超孔隙水压力,而盾构推过以后,孔隙水压力又逐渐消散,也即土体施工期间的主固结,随时间增长发展的流变位移。

一些岩土具有特殊的工程性质,如一些软土的结构性,一但结构受到扰动,土的强度显著降低,甚至呈流动状态,造成周围几十米地面和建筑物下沉、桩的倾斜偏位等。图1为软土地区打桩振动引起淤泥质土沉陷,造成周围建筑开裂图片,图2为软土桩倾斜图片。

湿陷性黄土的湿陷性,表现在一旦受水浸湿,土的结构迅速破坏,并产生显著的附加沉降,其强度也随着迅速降低,引起建筑物不均匀沉降而开裂损坏。

近年来,有关膨胀土、多年冻土、深厚填土等引起基坑破坏、基础沉降等问题也多有报道。有关特殊性土情况下地基基础工程事故的预防与处理,在后面的连载中将分别介绍。

地基土常常是由很多性质差异很大土层组成,一些上硬下软的土层分布如图3所示,当采用上部较硬土层作为持力层时,容易造成建筑物沉降大、沉降时间长。这些事故在一些沿湖、沿海地区容易出现,一些建筑物沉降超过10年。最有名的当属上海工业展览馆,如图4所示。该展览馆于1954年5月开工,实测当年年底基础的平均沉降量达到600mm。1957年6月实测中央大厅四周的沉降量最大为1 465.5mm,而最小处也达到了1 228mm。到1986年9月,中央大厅地下室的累计沉降达到1 650mm。地基下沉如此严重造成了室内外连接困难、内外管网破裂,维护困难。

土层的非均匀性会引起建筑物的差异沉降甚至倾斜,图5为广东某建筑各点沉降。该项目建成后发现建筑物上部结构墙体出现较多裂缝,地基基础出现不均匀沉降,南北差异沉降较大,最大沉降差为132mm。基础整体倾斜值为0.417%,建筑物的地基变形值已超过现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007—2011^[2] 的地基变形允许值。

根据勘察报告,该工程地质剖面如图6所示,土层分布为:①人工填土层平均厚度2.95m;②₁粉质黏土层平均厚度3.23m,可塑~软塑;②₂淤泥

平均厚度13.4m,饱和,流塑;②₃粉质黏土平均厚度7.44m,可塑~软塑;②₄粗砂平均厚度3.18m,稍密~中密;③粉砂岩及灰岩。

分析事故原因为土层厚度不均匀,②₁粉质黏土层局部缺失,沉降大的部位即出现在②₁粉质黏土层局部缺失部位。该项目虽经过水泥土搅拌桩处理,但处理后还存在不均匀,该项目的事故原因涉及设计、施工和检测等问题,在后续连载中将详细介绍。

地下水对地基基础的影响非常大,几乎涉及地基基础工程的各个方面,很多地基基础工程事故和水有密切关系,如地下水上升可能引起建筑物上浮、开裂。图7a~7c为内蒙古某地,由于地下水上升造成地下室墙体开裂以及梁、柱开裂的图片。图7d为地下室外墙由于开裂漏水结冰。

地下水位下降会造成建筑物沉降增大。我国每年由于基坑降水造成地面沉降、建筑物、地下管线开裂的事故很多。2014年12月,江西某城市基坑土方挖至9m时,基坑涌水量剧增,日抽水量1万m³,抽水时间持续至少30 d,造成周边100m以内几十栋建筑不同程度开裂,平均沉降量超过150mm,最大沉降超过200mm。所造成的直接经济损失以亿元为单位计算,且影响新建筑的施工。有关地下水与地基基础工程事故的关联性将在后续连载中介绍。

从工程施工开始一直到建筑物的使用,都可能发生地基基础工程事故。例如:打(压)桩过程中有可能造成桩身破坏;灌注桩施工过程可能塌孔;桩基施工完毕后,桩的长短不一需要截桩,而截桩可能造成桩的承载力不满足要求甚至会引起将来基础产生差异沉降,图8为江苏某工程预应力管桩长短不一的图片。

图9为河北某工程人工挖孔桩静载试验曲线,该工程桩端持力层为基岩,桩长从6.2m到8.9m,从桩的检测结果看,部分桩承载力满足设计要求,部分桩不满足,且最长的桩(8.9m)承载力不满足要求^[3] 。

图10为陕西某项目基础沉降。该项目为1栋地下1层(层高4.4m)、地上24层(层高3m)的住宅,东西向长45.6m,南北向长11.9~20.8m,建筑高度72m,结构形式为钢筋混凝土剪力墙结构。场地为II级自重湿陷性黄土场地,地基处理采用素土挤密桩(消除湿陷性)+CFG桩,基础形式为钢筋混凝土筏板基础。当主体施工到18层时,平均沉降103.6mm,最大沉降131.8mm,最小沉降66.0mm,沉降量远大于设计计算值,不得不停工进行地基二次加固。

图11为内蒙古某工程,由于房心土不密实,压实系数0.7左右,造成地面下沉、墙体开裂。该项目仅使用1年,由于地面下沉、墙体开裂,已完成装修全部破坏,共有140多户,造成近千万的直接经济损失。

图12为山东沿海某高承台桩,该项目使用超过20年,由于混凝土耐久性问题,高承台桩钢筋锈蚀膨胀,造成混凝土开裂,开裂后加剧钢筋锈蚀,不仅影响使用,且维修费用巨大。

地基基础工程事故可以发生在土木工程的各个领域,如民用和工业建筑、地铁、公路、铁路等等各个领域,以下列举几例。

2009年6月23日凌晨5点35分许,位于上海市闵行区淀浦河南岸的在建楼盘“莲花河畔景苑”7号楼,1座高38m、至少1万t重的13层高楼,在不到10分钟的时间里向南侧整体倾倒,最终异常完整地平躺在两栋楼间的空地上,如图13所示。

房屋倾倒的主要原因是,紧贴7号楼北侧,在短期内堆土过高,最高处达10m左右;与此同时,紧邻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,如图14所示,施工顺序和周边环境改变对工程安全有较大影响。

2008年11月15日15时20分,浙江省杭州市地铁1号线湘湖站工段施工工地(露天开挖作业)发生地面塌陷事故,如图15所示。坍塌首先从基坑西面地段开始,紧接着基坑里的支撑管架不断倒塌,然后整个路面开始下陷,造成长约100m、宽约50m的正在施工区域塌陷。施工现场西侧路基下陷达6m左右,将施工挡土墙全部推垮,自来水管、排污管断裂,大量污水涌出,同时东侧河水及淤泥向施工塌陷地点溃泻,导致施工塌陷区域逐渐被泥水淹没。多名工人被压在坍塌的坑道中。有关专家称,这起地铁塌陷事故是中国地铁修建史上最大事故。

由于基坑土方开挖过程中,基坑超挖,钢管支撑架设不及时,垫层未及时浇筑,钢支撑体系存在薄弱环节等因素,引起局部范围地下连续墙墙底产生过大侧向位移,造成支撑轴力过大及严重偏心。同时基坑监测失效,未采取有效补救措施。以上直接因素致使部分钢管支撑失稳,钢管支撑体系整体破坏,基坑两侧地下连续墙向坑内产生严重位移,其中西侧中部墙体横向断裂并倒塌,风情大道塌陷。

2005年5月9日上午,浙江萧甬铁路路基发生整体下沉事故,如图16所示。发生塌陷的铁路位于浙江余姚市牟山镇境内,塌陷路段全长100多m,两条铁道全部悬空,塌陷处的铁轨严重变形,路基旁的树木、电线杆纷纷倾倒,旁边的一条机耕路也被横向折断,向南侧平移了5,6m,导致行车中断。

近年来,一些城市相继报道路面塌陷的事故,大部分原因为路基回填不密实或路面下水土流失引起地基掏空造成的。如2016年5月,江西某城市基坑出现涌水涌砂,造成周边道路塌陷。塌陷处呈椭圆形,最长直径达10m,如图17所示。不仅在国内出现城市道路塌陷的报道,在国外也有类似报道。

从上面列举的工程事故案例可看出,地基基础工程事故可能在土木工程的各个领域内发生。地基基础工程事故的发生轻则延误工期、造成经济损失,重则造成人员伤亡,甚至引发社会问题。

地基基础工程事故处理应遵循以下原则。

1)首先应保证相关人员的安全。

2)采取措施避免事故进一步扩大。

3)在分析事故原因的基础上制定处理方案。

4)采取的加固措施应具备安全、施工速度快、经济的特点。

5)应高度重视加固方法和加固施工过程对既有建筑地基基础安全的影响。

以上5项原则中,1),2)条不需要过多解释,4),5)条在后面的连载中根据具体案例进行分析,本篇重点介绍事故原因分析的重要性。

地基基础工程事故原因分析是事故处理的先决条件,如原因分析不正确,可能造成处理方法的错误,加剧工程事故的危害。

北京某工程由于楼梯支撑柱的倾斜,使楼梯和主体结构的外挑梁板发生轻微碰撞,引起局部混凝土压碎。该工程为一教学楼,地上5层,地下3层,筏板基础,基坑支护采用桩锚支护体系。教学楼东西两侧各设一个独立附属楼梯,连接室外地坪到教学楼1层,出现倾斜的是东侧楼梯。楼梯采用钢筋混凝土结构,楼梯内边侧距离主体结构外挑梁板50mm,楼梯采用3个柱下独立基础和1个首步条形独立基础作为楼梯基础。在施工独立基础时,由于基础轴线外侧存在护坡桩,施工方将基础轴线外侧部分搭接在护坡桩上,护坡桩上填土0.5m,内侧压在肥槽回填土上,如图18所示。

该事故初步分析很容易认为基础作用在软硬不均土层引起基础倾斜。但现场调查发现,附属楼梯柱底部向内侧的位移值较上部更大,而上部由于被外挑梁板所抵住,位移不再继续发展,而下部继续向内侧移动,造成楼梯柱从下到上向外侧倾斜的现状。进一步分析发现,楼梯基础施工时,护坡桩上部的锚杆被拆卸,回填土不密实导致护坡桩向坑内侧位移,桩顶位移带动桩顶附近土层和楼梯基础向内侧移动,出现楼梯底部向内侧的位移值更大的现象。对比教学楼西侧的附属楼梯,护坡桩顶部由于没有拆卸锚杆,西侧楼梯基本无水平变位现象。

如按初步分析的原因,加固的方法需要加固肥槽回填土,然后将肥槽部分基础顶升,纠正楼梯倾斜。而实际上楼梯柱向外倾斜,如采用基础内侧顶升,会加剧柱子倾斜,造成更大的事故。正确的处理方法应是先将基础整体向外移动,然后再加固肥槽回填土。考虑到施工的复杂性,该室外楼梯被迫拆除重建。

由于事故原因不明,仅按表面现象盲目处理造成事故加剧的案例很多,如挤土桩引起桩承载力不满足要求,还采用挤土桩进行处理,则加剧挤土效应,引起更多的桩承载力不满足设计要求,关于此方面的工程案例,将在后面连载的桩基工程事故处理与分析中介绍。

本文对地基基础事故的特点进行了总结,并对地基基础事故的原因进行了探讨和分析,得出了以下结论。

1)地基基础工程事故发生概率高、发生事故时间段的不确定性、涉及工程领域广且危害大、处理难度大,应高度重视,以预防为主。

2)地基基础施工不当容易引起地基基础工程事故,施工时应注意周边环境的影响。

3)地基基础工程事故原因的正确分析,对于事故的处理方法及防止类似事故发生都是非常必要的。