威海某基坑事故原因分析

威海某大厦位于威海市新威路，主楼12层，地下一层，采用桩基础，总建筑面积约30000m2。该建筑物基坑深度：南侧、北侧和西侧均为6.2m， 东侧为6.0m。基坑东西长81.5m，南北宽47.7m。基坑东侧9m为城市主干道，南侧距建筑物11m，西侧6m处有一6层建筑物，基坑平面如图1所示。
2 工程地质概况：
经地质勘察，该场地结构较复杂，自上而下主要由以下几部分组成：
1．杂填土：土褐色～灰黑色，稍湿～饱和，松散，主要由粘性土、砂及建筑垃圾组成，厚度1.9～3.2m。
2．中砂：黄色～灰黑色，饱和，松散，颗粒不均，厚度1.1～3.0m。局部夹灰褐色粉土，湿，可塑，厚度为0.6～1.1m。
3．中砂：黄灰色～深灰色，饱和，稍密～中密，厚度1.3～4.1m。
4．粉砂：浅灰～深灰色，饱和，松散～稍密，颗粒均匀，磨圆度中等，局部夹细砂薄层，厚度2.0～4.0m。
5．粉质粘土：深灰色～灰绿色，饱和，可塑状态，土质均匀，厚度1.9～5.4m。
6．中砂：黄色，饱和，中密。颗粒不均，含较多粘性土及片麻岩碎块，厚度1.2～2.7m。
7．碎石：灰白～黄褐色，饱和，稍～中密。粒径大小不等，4～10cm，含量大于50%，由中粗砂混粘性土充填或呈半胶结状，局部夹中细砂、粘性土薄层数层,局部含漂石。该层厚度8.7～13.9m。
地下水位深1.1～1.8m。
3 事故经过：
该基坑支护工程采用悬臂式钢筋混凝土桩支护，支护桩桩径为800mm，内配26根 25钢筋，支护桩间距为1000mm，桩端进入粉质粘土层。支护桩外采用两排相互咬合的粉喷桩作为止水帷幕，粉喷桩直径为400mm，纵向间距为700mm，帷幕厚度为700mm。支护桩及帷幕施工完成一月后，开始基坑土方开挖，开挖分两步进行，首先将基坑下挖3.5m，然后进行建筑物工程桩的施工。工程桩直径为1.0m，桩端进入碎石层1.0m，采用人工挖孔桩，外设钢套筒护壁，边挖钢套筒边向下沉（类似沉井施工）。当挖孔桩开挖至粉砂层时，因坑内仅采用明沟排水出现流砂，大量砂土进入桩孔内，且由于挖孔桩没有采用间隔施工，致使支护桩向基坑内位移，后采用间隔施工措施继续挖孔桩施工，直至挖孔桩全部完成。待挖孔桩施工完成后，基坑边坡顶部观测点位移值如下：西侧最大为106mm，南侧最大为157mm，东侧最大为2mm，北侧最大为62mm。基坑南部、西部和北侧地面出现开裂和下沉，西侧建筑物部分墙体出现裂缝。
挖孔桩施工完成后，基坑边坡水平位移慢慢趋于稳定。于是施工单位决定在南侧边坡处进行试开挖，开挖深度为1.5m，宽度约为2.5m。试开挖后南侧边坡顶部水平位移一夜之间激增42mm，开挖被迫停止。
4 事故原因分析
4.1 设计原因
4.1.1 方案选择
支护方案的选择对基坑支护的成败往往起决定性的作用。对本基坑边坡支护工程，由于施工单位缺乏理论知识和工程经验，采用了悬臂桩支护方案，其支护边坡剖面如图2所示，其中南侧、北侧和西侧基坑深度为6.2m，东侧深度为6.0m,支护桩的嵌固深度均为7.4m。
由于该基坑距周围建筑物、道路和管线较近，因此对该基坑支护的位移控制应特别注意。由于工程技术人员经验不足，没有考虑上述危险，采用了悬臂桩支护方案。众所周知，悬臂桩支护是以基坑底面土的被动土压力来平衡边坡的主动土压力和水压力的作用。而被动土压力的提供则需要较大的位移，因此，边坡的位移将会很大，从而导致基坑周围地面、建筑物、道路和管线的开裂和破坏。
4.1.2 设计计算
由于地质勘探报告中，未提供基坑底面以上土的土性参数，因此，只能根据地质勘察报告提供的砂土的标准贯入锤击数N值推算出砂土的内摩擦角。其各层土的土性参数见表1。
　
表1 各土层土性参数值
序号 土层名称 (KN/m3) C(kPa) (o)
1 杂填土 18.5 0 10
2 中砂 18.8 0 20
3 中砂 19.0 0 25
4 粉砂 19.0 0 25
5 粉质粘土 20.1 4.2 20
　
　
经计算复核，当该基坑开挖至坑底时，其支护边坡（坑深6.2m）支护桩的嵌固深度约为12m，而支护桩的实际嵌固深度仅为7.4m，远达不到规范要求。若按实际支护条件验算，该支护边坡的抗倾覆安全系数和抗滑移安全系数分别为0.3和0.67，远低于有关规范的要求。当基坑挖至5.0m时，基坑边坡的抗倾覆安全系数和抗滑移安全系数分别为0.71和0.96，均小于1.0。因此，设计失误是该导致基坑事故的主要原因。
4.2 施工原因
4.2.1 施工方法和施工顺序
该基坑工程出现事故的另一原因是施工方法和施工顺序不当。对本项工程，由于地下水位高，有较厚的粉细砂层，因此，支护桩和工程桩均应采用钻孔灌注桩，并应采用泥浆护壁以防流砂现象出现，且支护桩和工程桩应同时施工完成，支护桩混凝土达到设计强度后，再进行基坑的开挖。但施工单位以经济利益和工期出发，又缺乏必要的工程经验。施工中，先将支护桩和帷幕施工完成后，将基坑挖深3.5m，再采用人工挖孔桩进行工程桩的施工，从而造成挖孔桩内出现流砂现象，进一步加剧了事故的发展。
4.2.2 排水措施
基坑周围排水不畅，是该基坑