【52監測網】第101期 近年來地基基礎工程事故原因分析
 52監測網專家報告分享-第101期 《近年來地基基礎工程事故原因分析》 劉金波 / 張寒 中國建筑科學研究院 城市地下空間設計研究院 目錄 填土地基工程事故 水引起的工程事故 施工順序對工程的影響 內容介紹 地基基礎工程事故離我們不遠，近年來，我們團隊處理了近百項地基基礎工程質量問題，涉及全國20多個省市自治區、一帶一路（東南亞）、澳門特別行政區，通過對這些問題的處理，一些總結和思考和大家分享。
一、填土地基工程事故 1. 規范理解 《建筑地基基礎設計規范》7.5.2條：“地面堆載應均衡，并應根據使用要求、堆載特點、結構類型和地質條件確定允許堆載量和范圍。堆載不宜壓在基礎上。大面積的填土，宜在基礎施工前三個月完成?！?/font> 基礎甚至結構施工完成后，在建筑物周圍大范圍的填土，對于建筑物來說屬于外荷載，會產生沉降和差異沉降，對建筑物的安全有很大的影響。特別是軟土地區，由于地勢低洼，常常需要回填一些土來提高場地標高，如在建筑物完成后回填，會產生很大的沉降。
◎ 建筑施工前填土 ◎ 原始地層在填土堆載下發生沉降 ◎ 建筑完工后，工后沉降僅因建筑自重產生
◎ 填土前進行建筑施工 ◎ 建筑施工過程中或完工后填土 ◎ 建筑工后沉降因自重和填土重量產生 2. 大面積填土附加應力 《建筑地基基礎設計規范》第5.3.5條：計算地基變形時，地基內的應力分布，可采用各向同性均質線性變形體理論。其最終變形量可按下式計算：
計算公式中一個很重要的參數是附加壓力p0，什么是附加壓力，地基規范在術語中沒有解釋，一般計算采用準永久組合下的基底壓力，減去挖掉土的重量，這是狹義的解釋，在一般的工程應用中沒有問題。關于附加壓力，廣義的解釋應為引起地基土變形的外力，不僅僅局限于基底的附加壓力，這在回填土地基尤其明顯。 回填土地基上的工程事故，其中一個很重要的原因，就是相關技術人員忽略了回填土對于原狀土來說也是附加壓力，也會產生很大的沉降。如原狀土性質較差，回填土厚度較大，則沉降時間很長，甚至會危及到建筑物的安全。 3. 工程案例 下圖為某軟土地區建筑物施工全過程的沉降曲線，該建筑總高度40m，采用預應力管樁，主體結構封頂后，在建筑物內及場地周圍進行大范圍填土，在填土期間建筑物產生很大的沉降和差異沉降，沉降速率明顯增大，后不得不采用鉆孔灌注樁進行基礎加固。該事故不僅延誤了交房日期，而且造成了很大的經濟損失。
類似事故在我國沿湖、沿海、沿江的軟土地區每年多有發生，應高度重視。
云南某填土地基事故，詳勘時還未場平施工，完成填土（約15m）后補勘測得原狀土層底標高較之前下降約1m。由于填土厚度不同，其作為大面積荷載引起原狀土層的變形也不同，進而導致上部結構出現不均勻沉降。 以下為回填土引起的建筑物破壞圖。該項目有多棟樓，建成后沉降不穩定直至開裂，建成8年后經檢測鑒定：有4棟樓的安全性評級為Dsu級，其他7棟為Csu級。按照《民用建筑可靠性鑒定標準》規定，安全性鑒定評級為Dsu級的建筑物的處理要求是“必須立即采取措施”，除紀念性或歷史性建筑外，宜予拆除、重建。安全性鑒定評級為Csu級的建筑物的處理要求是“應采取措施，且可能有少數構件必須立即采取措施”。對于本工程，根據以上安全性鑒定評級結果，委托方決定對于Dsu級的建筑物進行拆除處理，對于Csu級的建筑物進行加固處理。
回填土引起的建筑物破壞圖 二、水對地基基礎的安全影響 對于地基基礎的安全而言，水是一個非常重要但又易于被忽視的問題，所謂的忽略不是規范忽略，如《建筑地基基礎設計規范》有關水的條文有幾十條，而是相關技術人員忽略。水可能在以下幾方面對地基基礎工程的安全構成影響，引起工程事故： （1）影響土的力學性質（2）砂土的液化；（3）一些巖石，如泥巖的軟化；（4）濕陷性土；（5）膨脹土；（6）水位變化；（7）水的流動；（8）耐久性問題；（9）凍脹問題；（10）地下水排水路徑改變；（11）承壓水問題。 結合近幾年我們處理的工程事故，重點從以下幾方面介紹： ? 沒有預料到水的影響 ? “勘察期間沒有水”的誤導 ? 影響土的力學性質； ? 水位變化； ? 水的流動； ? 承壓水問題； ? 地下水排水路徑改變； 1. 沒有預料到水影響 太沙基（Terzaghi）在其1943年著作《理論土力學》里這樣寫到：“在土工工程領域內每年都發生數個重大事故，而且這些事故不止一次是因為沒有預料到水的作用”。 太沙基（Terzaghi）在70多年前的描述與我國的現狀非常類似，我國每年發生很多起由水引起的地基基礎工程事故。
下圖為某項目墻體開裂圖片，該工程采用人工挖孔樁，樁端落在泥巖，水沿樁土界面進入樁端，長期浸泡，泥巖軟化，產生沉降。同樣的，采用天然地基，如基底是泥巖，也需要避免水通過肥槽進入基底。
墻體開裂圖 《建筑樁基技術規范》4.1.13條：“樁端嵌入遇水易軟化的強風化巖、全風化巖和非飽和土的預應力混凝土空心樁，沉樁后，應對樁端以上約2m范圍內采取有效的防滲措施，可采用微膨脹混凝土填芯或在內壁預涂柔性防水材料。” 東部某項目采用預應力管樁，樁端持力層為泥質粉砂巖強風化：巖芯呈可塑~硬塑的土狀，夾少量角礫、碎塊狀巖芯，手搓易散，無水干鉆可鉆進。該層遇水軟化，失水崩解，暴露于空氣中加劇風化。根據巖芯性狀判定，該巖石屬極破碎的極軟巖，基本質量等級Ⅴ級。
樁基設計要求按上述規范條文進行封堵，但沒有明確要求及時封堵，因為規范也沒說。樁施工完成后，沒有及時進行樁端封堵。后進行靜載試驗，試驗結果顯示，打樁和試樁間隔時間超過90天的均不滿足設計要求，應為泥質粉砂巖軟化造成。 這個工程案例提醒我們：要理解規范規定要實現的目的，此條是為避免樁端持力層由水引起的樁端軟化，應及時進行封堵，超過一定時間后，再行封堵已失去其要實現的目的。也應意識到，規范規定的目的是封閉水，推薦用“微膨脹混凝土填芯”只是手段之一，實際也可根據施工的難易程度，采用其它方法，只要實現規范的目的即可。 2. “勘察期間沒有水” 一些情況下，勘察報告“勘察期間沒有地下水”的結論，也會誤導工程技術人員。 西南某工廠正在施工的冷卻液設備基槽上浮。基槽長ｘ寬ｘ高=111.45mｘ14.5mｘ7.5m，剖面見下圖?；凵细〔痪鶆?，其中沿長向一端上浮560mm，另一端端上浮200mm，上浮造成設備基礎相鄰跨屋架與托架的連接螺栓被剪斷掉落，數量約有50多個，上部鋼結構變形嚴重。根據地勘報告，該工程場地較高，為巖石地基，地下水位很深，勘探期間沒有發現地下水，應全過程分析是否存在水的問題。
3. “水影響土的力學性質和承載力 水是巖土體的組成部分，直接影響巖土體的工程特性，下圖為土的力學性質隨含水量變化的曲線，隨含水量增大，力學指標降低。對于填土地基，應高度重視土的含水量變化對沉降的影響。
西南某強夯工程靜載試驗曲線圖，由于靜載檢測期間出現降雨，降雨前后靜載檢測曲線明顯不同，降雨后沉降明顯增大。
4. 水位變化 水位的變化指水位的升降，水位大范圍下降會引起建筑物和場地的沉降，而水位上升則可能造成一些建筑物上浮、結構開裂。近年來，由于對環保的重視，很多地區地下水上升，此方面案例很多。下圖為某項目由于地下水上升引起的基礎筏板開裂并冒水圖片。
設計人應高度重視抗浮水位確定問題！ 《高層建筑巖土工程勘察規程（JGJ72-2017）》8.6.2條提到：一般來說，當有地下水長期觀測資料時，可根據歷史上最高水位來推定和預測今后使用期間的地下水最高水位；當沒有地下水長期觀測資料，而對當地不同地貌單元地下水季節變化幅度有經驗數據時，可按“勘察期間實測地下水位” +“地下水季節變化幅度”+ “意外補給可能帶來的地下水升高值”來預測和推定抗浮設防水位。
西南某項目，抗浮水位根據勘察觀測水位確定，未考慮勘察所處年份為干旱年，且周邊水系在勘察期間施工截留等影響；后期建筑使用中地下水位上升超過抗浮水位，發生嚴重破壞。
局部結構剛度改變引起開裂圖片。因此對于可能產生較大沉降和差異沉降情況下，應考慮剛度變化的過度，避免剛度突變，切記剛度突變必出現應力集中。 5. 地下水流動 地下水的流動可能引發如下地基基礎工程事故：1）掏空地基產生很大沉降；道路塌陷，回填土地基；2）灌注樁樁身質量問題；3）基坑止水帷幕失效。
東部省份某項目受暴雨影響地面下沉嚴重，工程樁樁側土下沉約50cm，基礎墊層破壞嚴重。已完成結構底板與地基土脫離最大達1m。周邊道路開裂嚴重。原因為地面雨水大量匯集在低洼處，下滲沖刷、沿古河道（填土掩埋）地下滲流，在此作用下地基土中細顆粒從粗粒骨架孔隙中被滲流攜走。使土層的孔隙度增大，強度降低，對路基邊坡（建筑基坑）的穩定性、地基沉降變形等造成不利影響。
下圖左為正常的樁-承臺-土共同工作的圖片，右圖為樁間土變形造成的高承臺樁示意。高承臺樁出現后，樁的受力模式與設計不一致，存在一定的安全隱患。
6. 承壓水問題 承壓水常常引起地基基礎工程事故，其中發生概率最高的是基坑工程。在一些地區開挖深基坑時，常會遇到承壓水，由承壓水引起的基坑失穩風險包括以下類型： 坑底突涌，是指在基坑底部存在承壓水時，隨著開挖的進行，含水層上覆坑底土層厚度逐漸減小，當存在局部超挖或勘察孔在隔水層封堵方面存在問題時，隔水層常被頂穿，地下水涌入坑內，伴隨坑外地表下陷的現象。一般基坑突涌有三種形式：①基底頂裂，出現網狀或樹枝狀裂縫，地下水從裂縫中涌出并帶出下部土顆粒；②基坑底發生流砂現象，從而造成邊坡失穩和整個地基懸浮流動；③基底發生類似“沸騰”的噴水冒砂現象，使基坑積水，地基土擾動。
7. 排水路徑改變 主要表現在山區地基，由于開挖、回填等引起排水路徑改變，如下圖，前面介紹的某項目設備池子上浮、山區填方和排水路徑改變有關。
《建筑地基基礎設計規范》 6.1.1條：“山區（包括丘陵地帶）地基的設計，應對下列設計條件分析認定：8 地面水、地下水對建筑地基和建設場區的影響?！?/font>
6.1.4條：“山區建設中，應充分利用和保護天然排水系統和山地植被。當必須改變排水系統時，應在易于導流或攔截的部位將水引出場外。在受山洪影響的地段，應采取相應的排洪措施?！?/font>
三、施工順序不當引起的工程事故 地基基礎施工順序不當可能影響地基加固效果，還可能引起地基基礎工程事故。地基基礎施工順序應考慮地質條件、地下水情況、周圍環境條件、地基處理設計及施工方法、樁基設計和施工工藝、季節、施工速度、經濟等因素?？茖W合理的施工順序對保證工程質量、加快施工速度、降低工程造價和避免地基基礎工程事故非常重要。 很多設計人員認為施工順序是施工單位考慮的問題，與設計無關；很多施工單位安排施工順序時更多考慮的是施工的便利和經濟因素，而沒有分析對地基基礎安全的影響。設計人員的不重視和施工單位考慮的局限性造成施工順序存在盲區，施工順序不當可能會引起地基基礎工程事故和周圍環境的破壞。 1. 工程樁與支護結構施工順序 某海外項目地基基礎工程事故處理，該項目周圍10m左右范圍內存在多棟老舊建筑，樁基施工過程周圍建筑出現不同程度墻體開裂。設計采用灌注樁，樁端支承在中風化花崗巖，套管護壁，潛孔錘成孔。先進行樁基施工，后進行基坑支護。 事故的主要原因一是場地存在靈敏度高的淤泥（Mud）；二是潛孔錘的振動；三是周圍老舊建筑基礎淺。不能忽視的重要原因還有施工順序，如先進行基坑支護，后進行樁基施工，則可能避免周圍建筑開裂的事故發生。
先打樁還是先做支護需要根據地基土性質判斷。在以下幾種情況下，應先進行基坑支護施工，后進行地基處理或樁基施工： （1）地基基礎施工場地周圍有重要的對地基變形敏感的建（構）筑物、市政管線、道路； （2）地基處理、樁基施工存在擠土效應； （3）樁、CFG樁施工存在較大空孔； （4）靈敏土場地采用振動施工工藝； （5）施工荷載引起地面下沉； （6）周圍既有建筑基礎埋深淺于擬建筑物。 2. 填土施工順序 土方的回填對地基基礎來說是個加荷過程，和施工上部結構增加荷載一樣，不論是房心土、肥槽，還是場地回填，都會對地基基礎沉降產生影響，即增大沉降?；靥畹捻樞蚝蜁r間不同，增大的沉降對建筑物的影響不同。從減小沉降對結構影響的角度出發，應及早回填。
主裙樓結構，裙房開裂，由于結構完工后才進行房心土回填。房心土導致主樓沉降加大，裙房不沉，產生明顯斜裂縫。 施工順序問題，某工程實測沉降曲線，見下圖。施工順序很重要，相關規范有很多規定，如建筑地基基礎設計規范約有8條；樁基規范約有13條。
（其中斜率最大的部分為填土施工期間） 3. 結構施工順序不當
施工順序不當，也可能出現單側裙樓的效果：主樓形心與中心不重合，偏心距增大，造成主樓傾斜。 《建筑地基基礎設計規范》7.1.4規定：“荷載差異較大的建筑物宜先建重、高部分，后建輕、低部分”。但實際工程中，常常主裙樓同步施工，為避免主裙樓差異沉降對結構的影響，一般在主裙樓之間設置沉降后澆帶。關鍵點在于沉降后澆帶的澆筑時間和順序。 《建筑地基基礎設計規范》8.4.20規定“當沉降實測值和計算確定的后期沉降差滿足設計要求后，方可進行后澆帶混凝土的澆筑”。從規范的規定可看到，后澆帶的澆筑時間是澆筑后主裙樓之間的沉降差滿足設計要求，而不是結構封頂或建筑竣工。這應引起我們注意，單側裙房的的情況下，后澆帶澆筑時間不妥可能造成建筑物傾斜。對于雙面裙樓，從施工順序講，最好對稱澆筑。 主裙樓連體建筑施工順序和地基變形與基礎沉降有關系，相關技術人員應分析不同施工順序對基礎沉降的影響，特別是對不均勻沉降的影響。
《近年來地基基礎工程事故原因分析》 劉金波 / 張寒 中國建筑科學研究院城市地下空間設計研究院 （注：本期《專家報告》內容僅用來學習及交流，版權歸原作者所有，侵權刪） |
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