某砂質(zhì)邊坡采用土釘墻支護坍塌機理分析與探討

顧成永

中化地質(zhì)礦山總局河北地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050031

由于土釘墻施工工藝簡單、工期短、支護成本低而成為淺基坑支護首選的支護方法，近年來在中國被廣泛應(yīng)用。土釘支護是以較密排列的插筋作為土體補強手段，通過插筋錨體與土體和噴射混凝土面層共同工作，形成補強復(fù)合土體，達到穩(wěn)定邊坡的目的[1]。砂質(zhì)邊坡由于自身結(jié)構(gòu)的特點，較土質(zhì)邊坡更容易引發(fā)邊坡失穩(wěn)。當砂質(zhì)邊坡采用土釘墻支護時，從設(shè)計、施工方案編制到現(xiàn)場管理都應(yīng)該引起各參與方足夠的重視，并且相互配合才能確保支護工程的順利實施。

潤都錦園項目一期主要由2 棟寫字樓（層高分別為19、21）、2～4 層臨街餐飲商業(yè)、1 棟6層快捷酒店及地下車庫等組成，擬建建筑物均為地下2 層。場地原為耕地，局部為廠房拆遷區(qū)，整平標高63.30m?；硬捎谜w開挖方案，開挖底邊界為地下車庫基礎(chǔ)邊界外延800mm，基坑長170m，寬110m，基坑底標高52.55m，開挖深度為10.75m。基坑開挖深度范圍從上到下依次為粉質(zhì)粘土、粉土及細砂層。

該基坑發(fā)生局部坍塌事故的是基坑北坡，坍塌發(fā)生在夜晚，未造成人員傷亡。本文以此事故為例，詳細分析邊坡坍塌的原因及處理方法，并進一步針對砂質(zhì)邊坡采用土釘墻支護時提出合理建議。

1 場地工程地質(zhì)條件

場地地形較為平坦，地面標高為63.00～63.76m。地貌屬太行山山前沖洪積平原。

根據(jù)勘察報告，與基坑支護相關(guān)地層的巖性特征自上而下依次為：

（1）素填土：黃褐色，稍濕，稍密，以粉土及粉質(zhì)黏土為主，含少量磚塊、混凝土塊等，局部為耕土，含植物根系，層厚0.30～3.20m。

（2）黃土狀粉質(zhì)黏土：褐黃-黃褐色，可塑-硬塑，局部堅硬，含姜石、鐵錳氧化物，局部夾粉土薄層，層厚0.80～3.60m。

（3）黃土狀粉土：褐黃色，稍濕-濕，稍密-中密，含云母，局部含砂粒，夾粉質(zhì)粘土薄層。屬中壓縮性土。黏粒含量平均值ρc=15.1%。層厚0.70～5.70m。

（4）細砂：灰白色，稍濕，中密，礦物成分以長石、石英為主，含云母，顆粒級配一般，局部夾粉土薄層，層厚2.50～7.50m。

本次勘察期間由場地內(nèi)水井實測地下水位埋深為42.00m。地下水位埋深較大，可不考慮地下水對基坑開挖的影響。各巖土層主要物理力學指標見表1。

表1 巖土層物理力學性質(zhì)指標Table 1 Physical and mechanical properties of geotechnical layers

2 基坑支護設(shè)計方案

2.1 基坑周邊環(huán)境

基坑北側(cè)現(xiàn)為空地，北距圍墻12.0m（以基礎(chǔ)邊計算，下同），圍墻外有多條地下管線通過，主要為污水管，給水管，雨水井及通信管道等，埋深一般為1.0～4.5m。坡頂與圍墻間不堆放重型物資且不通行重型車輛。

基坑東側(cè)為擬建項目二期，其基底標高為-8.650m（±0.00 相當于絕對高程的63.70m）。與本基坑高差2.5m，兩期地下工程同時施工。

基坑南側(cè)現(xiàn)為空地，南距圍墻5.0m，圍墻外1.5m 處有東西向電纜溝，埋深1.5m。其外為空地，施工期間擬堆放鋼筋、架板等材料，并通行重型車輛。

基坑西側(cè)現(xiàn)為空地，西距圍墻18.0m，從坡頂線向西6.0m 范圍為施工道路，坡頂線向西6.0m 至西圍墻區(qū)域設(shè)置臨時建筑、鋼筋加工及鋼筋堆放點。

2.2 基坑支護設(shè)計方案

根據(jù)基坑深度、工程地質(zhì)條件及場地周邊環(huán)境對本基坑采取支護方案如下：基坑北邊坡采用土釘墻支護，西邊坡與南邊坡采用樁錨支護，東邊坡由于與二期基坑同時開挖且高差僅2.5m，采用自然放坡?；又ёo情況見圖1。

由于本次坍塌部位為北坡土釘墻支護段，下面僅對北坡支護方案進行詳細介紹。

北坡基坑支護安全等級為二級，設(shè)計荷載為均布15MPa，采用土釘墻支護，按1∶0.4 放坡。坡面設(shè)七排注純水泥漿土釘，土釘直徑100mm，傾角15°，豎向間距1.4m，水平間距1.5m，土釘長度5.8～8.8m，配筋1Φ16 或1Φ18。土釘墻面層配筋φ6.5@150×150，水平加強筋1Φ16，噴射80mm 厚的C20 混凝土。土釘桿筋與加強筋均為HRB400 熱軋螺紋鋼。坡頂設(shè)高0.4m 的擋水墻，坡底設(shè)0.3m×0.3m 排水溝。詳細設(shè)計參數(shù)見圖2。

圖1 基坑支護平面圖Fig 1 Plan of retaining and protecting for foundation excavation

圖2 北坡土釘墻支護剖面圖Fig 2 Soil nail wall-supporting section in north slope

3 基坑坍塌過程

基坑支護單位施工完第四步土釘及面層后，土方施工單位沒有按照設(shè)計要求分層開挖而是直接下挖至基坑底。支護施工無法跟進土方開挖的速度，造成大量坡段砂層裸露。兩天后邊坡發(fā)生了多點局部剝落（圖3）。設(shè)計單位發(fā)現(xiàn)后立即向建設(shè)方及監(jiān)理通報了邊坡的危險程度，并要求采取堆方反壓措施后調(diào)整設(shè)計方案，但沒有引起建設(shè)方及監(jiān)理的足夠重視。建設(shè)方強制要求支護施工隊伍冒險作業(yè)，現(xiàn)場工人用膠合板進行了簡單的支擋反壓措施后繼續(xù)施工土釘（圖4），隨后坡頂距離基坑開挖邊緣3m 處出現(xiàn)了地面裂縫，當晚發(fā)生了邊坡坍塌事故。坍塌長度約10m，土釘未被完全拔出或拉斷，土釘與面層加強筋連接部位破壞?；悠马斖鈬鷫肮芫€未受影響，事故發(fā)生時邊坡下沒有作業(yè)人員，無人員傷亡。事故現(xiàn)場見圖5。

圖3 邊坡細砂層局部剝落Fig 3 Local exfoliation of fine sand layer in the slope

圖4 邊坡局部坍塌Fig 4 Local collapse in the slope

圖5 邊坡坍塌Fig 5 Collapse in the slope

4 基坑邊坡坍塌機理分析與探討

4.1 邊坡坍塌機理分析

土釘墻的坍塌除了在軟土地區(qū)可能呈現(xiàn)圓弧破壞外，多以楔形體滑塌[2]的形式破壞，本次坍塌即屬于此種破壞形式。綜合分析此次邊坡坍塌事故是由多種不利因素組合誘發(fā)的，是個綜合性問題[3]。它與設(shè)計方案、工程地質(zhì)條件、施工措施、監(jiān)測及管理等因素有關(guān)。

4.1.1 基坑支護設(shè)計方面的原因

（1）基坑支護設(shè)計時采用的是非正版的理正深基坑軟件，計算存在一定的偏差。經(jīng)正版理正軟件驗算發(fā)現(xiàn)土釘局部抗拉驗算大部分未能通過，面層配筋計算未通過。設(shè)計本身存在一定問題。

（2）設(shè)計時考慮了砂土中的假粘聚力，細砂粘聚力取值5kPa。砂土中的假粘聚力是由砂粒間結(jié)合水[4]的毛細作用形成的，當砂由于風干日曬而失去毛細水或水含量加大毛細水成為了自由流動的重力水時，毛細作用就會消失。在砂質(zhì)邊坡采用土釘墻支護時，一般不考慮假粘聚力，如果考慮了就必須保證邊坡在使用期間砂層不失水、不滲入水。

4.1.2 地層結(jié)構(gòu)因素

本邊坡10.75m 深的基坑范圍內(nèi)，上部黃土狀粉質(zhì)粘土與黃土狀粉土厚度占到了整個邊坡厚度2/3，其余為細砂層，這屬于典型的上土下砂型的砂質(zhì)邊坡。砂層較土層最大的不同在于沒有粘聚力，這一特性導(dǎo)致在凝聚力相同、厚度相同及比重相同的情況下，砂層的主動土壓力明顯大于土層的主動土壓力。這也是當砂質(zhì)邊坡采用土釘墻支護時容易坍塌的內(nèi)在原因。

砂層邊坡按一定角度開挖后，由于存在砂粒間的毛細作用，暫時處于穩(wěn)定狀態(tài)。當砂層風干失去水分后在重力的作用下砂粒逐層剝落，這是砂層區(qū)別于土層的獨有結(jié)構(gòu)特性。這一特性也是誘發(fā)本次事故的原因之一。

4.1.3 支護結(jié)構(gòu)因素

基坑邊坡支護方法有很多，按支護結(jié)構(gòu)分為四大類：支擋式結(jié)構(gòu)、土釘墻、重力式水泥土墻及放坡[5]。放坡是用土體自身抗剪強度抵抗下滑力，支擋式結(jié)構(gòu)與重力式水泥土墻均是用支擋結(jié)構(gòu)或重力式擋墻抵消邊坡土體滑動力，屬于被動制約機理。土釘墻支護結(jié)構(gòu)與其它支護結(jié)構(gòu)均不相同，屬于主動加固機理。土釘墻支護結(jié)構(gòu)由土釘和面層兩部分組成，土釘主要是改善土體的結(jié)構(gòu)性能，提高原狀土強度和剛度，由土釘與原狀土體共同作用形成物理力學性質(zhì)較好的復(fù)合土體。土釘墻面層起到均衡各個土釘?shù)氖芰栴}，同時限制坡面局部膨脹和局部坍塌，對坡體水平位移起到約束的作用，尤其對砂層和軟土顯得尤為重要。

中國現(xiàn)行的基坑支護規(guī)范中將面層按構(gòu)造處理，不承受土壓力，但實際上面層仍存在一定的土壓力。國內(nèi)某土釘墻支護實測面層土壓力分布見圖6。法國一般按土釘拉力的30%～40%來設(shè)計面層，德國在永久支護面層設(shè)計中按主動土壓力的85%考慮[6]。

圖6 面層土壓力隨深度變化（實測）Fig 6 Facing earth pressure varies with depth

國內(nèi)外對面層受力情況進行了許多的研究，主要通過現(xiàn)場實測和室內(nèi)模擬試驗進行研究，有的把土釘墻面層看成豎直放置在地基上的有限長梁進行分析計算[7],其計算結(jié)果與實測值基本吻合。研究結(jié)果表明噴射混凝土面層承受的側(cè)向土壓力，呈現(xiàn)上、下小，中間大的特點且最大側(cè)向土壓力位于中下部。這與本案例中開始局部坍塌位置基本相同。

正常施工的情況下面層最大受力位置隨著土釘墻分層向下施工逐漸下移，而在本案例中直接開挖到基坑底，使得面層最大土壓力位置處沒來得及施工土釘和面層。在沒有土釘改善土體結(jié)構(gòu)性能和沒有面層約束的情況下，極易引發(fā)邊坡局部坍塌。

4.1.4 施工方面的原因

（1）土方開挖違章作業(yè)

土方施工不按設(shè)計要求分層分段開挖，從地表到基坑底僅分兩步作業(yè)，與設(shè)計工況嚴重不符。開挖到坡底時僅靠上部四排土釘及面層無法提供足夠的抗滑力，從而引發(fā)坡體發(fā)生蠕變變形。違章作業(yè)是導(dǎo)致本次事故的根本原因。

（2）施工措施不當

當土方施工不按設(shè)計要求開挖時，支護單位應(yīng)及時對施工方案做出相應(yīng)調(diào)整，針對違章開挖及砂層保水采取適當?shù)难a救措施，來確保邊坡支護過程中的安全。

首先對砂層機械開挖時要盡量放大坡，通過預(yù)留土方壓住坡腳的方式來保證邊坡的穩(wěn)定性。預(yù)留土方在支護施工時再用小型機械或人工清坡運走，從上至下逐排施工土釘及面層。

其次應(yīng)做好砂層防護措施，防止風干日曬導(dǎo)致砂層剝落。砂層的這一特點易于在噴射混凝土面層后形成掏空區(qū)。初始坍塌位置為側(cè)向土壓力最大部位，而砂層失水份后開始逐層剝落，在“內(nèi)擠外剝”的雙重作用下，由剝落轉(zhuǎn)變?yōu)榫植刻趪娚浠炷撩鎸雍笮纬商涂諈^(qū)（圖7a），掏空區(qū)頂部砂土繼續(xù)塌方，坡體加速向下位移，當滑裂面形成后發(fā)生整體坍塌（圖7b）。

圖7 邊坡坍塌示意圖Fig 7 Schematic diagram of slope collapse

當發(fā)現(xiàn)邊坡砂層局部剝落后，沒有及時采取有效的處理措施，僅用膠合板與少量反壓土無法阻擋坡體繼續(xù)變形，最終導(dǎo)致邊坡整體坍塌。

4.1.5 監(jiān)測、管理因素

基坑監(jiān)測與基坑設(shè)計、施工同被列為基坑工程質(zhì)量保證的三大基本要素[8]，可見監(jiān)測在基坑支護中的重要性。設(shè)計單位按照規(guī)范要求進行了基坑變形監(jiān)測設(shè)計，但在實施過程中建設(shè)方?jīng)]有按設(shè)計要求找第三方做基坑監(jiān)測，邊坡支護單位也沒有進行嚴格的施工監(jiān)測，僅靠現(xiàn)場巡視來發(fā)現(xiàn)問題。

從土方開挖失控、不做基坑監(jiān)測、邊坡出現(xiàn)局部坍塌強迫工人冒險作業(yè)，無不體現(xiàn)該項目管理混亂、建設(shè)方與監(jiān)理方嚴重失職，這是導(dǎo)致本次事故的人為因素。

4.2 基坑邊坡坍塌處理

邊坡坍塌后，建設(shè)方組織了相關(guān)人員進行了現(xiàn)場分析，進行了如下處理：對坍塌段仍采用土釘墻支護，從上至下重新施工土釘和面層，土釘垂直位置不變，水平方向錯開原有土釘，原土釘作廢；放坡角度按塌方后形成的坡角施工，將表層松散土清理干凈，逐層清理逐層支護；嚴格按照設(shè)計要求請第三方做好基坑的監(jiān)測工作，發(fā)現(xiàn)問題及時解決；對開挖后未來得及支護的坡段進行反壓回填，再按設(shè)計要求施工；該處理方案實施后未再發(fā)生坍塌事故。

4.3 土釘墻的護坡建議

造成邊坡事故的因素有很多，有人曾對太湖軟土區(qū)的47 個基坑坍塌事故進行了分析[9]，發(fā)現(xiàn)由勘察的不確定性[10]因素導(dǎo)致的事故占4.3%，設(shè)計因素導(dǎo)致的事故占38.3%，施工因素導(dǎo)致的事故占34.9%，水力破壞導(dǎo)致的事故占比21.3%，其它因素導(dǎo)致的事故占2.1%。雖然僅是小范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，但設(shè)計因素與施工因素是導(dǎo)致基坑事故的兩大主要因素是沒有異議的。砂質(zhì)邊坡采用土釘墻支護做為基坑支護中的難點之一，我們只有在充分了解土釘墻支護結(jié)構(gòu)受力情況與砂質(zhì)邊坡的特性才能做好支護工作。根據(jù)多年的實踐經(jīng)驗并結(jié)合上述工程實例，本人針對砂質(zhì)邊坡采用土釘墻的護坡工程總結(jié)如下幾點經(jīng)驗。

4.3.1 土釘墻的護坡設(shè)計建議

設(shè)計計算時慎重利用砂土的假粘聚力，雖然可以降低支護成本，但同樣存在風險，一般將假粘聚力做為安全儲備；邊坡中部與中下部位置處土釘受力最大，也是面層受力最大的位置，設(shè)計時不僅要加長土釘與提高面層強度外，土釘筋與面層加強筋的連接強度也是設(shè)計的關(guān)鍵；對于砂層盡量放大坡，這是提高邊坡的穩(wěn)定性最經(jīng)濟、最安全的方法；必要時在受力最大位置加設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿，可顯著減少坡體變形，提高邊坡的穩(wěn)定性；縮短基坑監(jiān)測間隔時間。

4.3.2 土釘墻的護坡施工建議

嚴格控制土方超挖，務(wù)必按設(shè)計要求分層開挖，必要時要分段開挖，如果現(xiàn)場確實無法協(xié)調(diào)，可留足夠?qū)挾鹊耐僚_，后期采用小型機械和人工二次修整邊坡；由于巖土工程勘察的不確定性，在施工過程中要密切注意地層巖性、厚度、含水量等是否與設(shè)計條件一致，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時向設(shè)計人員反映；砂層開挖后可采用塑料布覆蓋或噴水泥漿保持水分，人工修坡后可先噴一層混凝土，再施工土釘；采用洛陽鏟成孔過程中，要經(jīng)常旋轉(zhuǎn)洛陽鏟，可以起到密實孔壁四周砂體的作用，使得土釘孔呈最佳受力狀態(tài)；成孔后，如果不能立即注漿要采取封堵孔口措施，以確?？變?nèi)砂體濕度，防止因失水造成孔體坍塌；成孔時盡量避免用力過大從而造成孔體坍塌；放植土釘桿筋與插入注漿管時均要動作輕緩，避免對土釘孔的擾動，尤其在插入注漿管時，務(wù)必保證注漿管順直；做好基坑監(jiān)測工作，加強現(xiàn)場巡視，及早發(fā)現(xiàn)問題。

5 結(jié)語

砂質(zhì)邊坡采用土釘墻支護是基坑支護工程中的難點之一，通過本案例基坑事故的調(diào)查分析得出如下結(jié)論：

(1)在充分了解砂質(zhì)邊坡的特點和土釘墻支護結(jié)構(gòu)受力特點的基礎(chǔ)上，做好支護設(shè)計和制定出有針對性的施工措施。

(2)加強現(xiàn)場管理工作，嚴格按照設(shè)計進行施工，嚴禁超挖等冒險違章作業(yè)，任何的僥幸行為都可能帶來嚴重的后果。

(3)加強基坑支護監(jiān)測工作，發(fā)現(xiàn)問題及時采取有效的處理措施。