第二章--地基与基础工程事故分析与处理

1第二章地基与基础工程事故分析与处理第一节地基工程质量事故分析与处理一、建（构）筑物对地基的要求1．地基承载力或稳定性问题地基承载力或稳定性问题是指地基在建（构）筑物荷载（包括静、动荷载的各种组合）作用下能否保持稳定。若地基承载力不能满足要求，在建（构）筑物荷载作用下，地基将会产生局部或整体剪切破坏，影响建（构）筑物的安全与正常使用，甚至造成建（构）筑物的破坏。天然地基承载力的高低主要与土的抗剪强度有关，也与基础形式、大小和埋深有关。边坡稳定也属于这类问题。2．沉降、水平位移及不均匀沉降问题在建（构）筑物的荷载（包括静、动荷载的各种组合）作用下，地基将产生沉降、水平位移以及不均匀沉降。若地基变形（沉降、水平位移、不均匀沉降）超过允许值，将会影响建（构）筑物的安全与正常使用，严重的将造成建（构）筑物破坏。其中不均匀沉降超过允许值造成的工程事故比例最高，特别在深厚软粘土地区。天然地基变形大小主要与荷载大小和土的变形特性有关(见图2-1)，也与基础型式有关。3．渗透问题渗透问题主要分两类：一类是堤坝蓄水构筑物地基渗流量超过其允许值时，其后果是造成较大水量损失，甚至蓄水失败；另一类是地基中水力比降超过其允许值时，地基土会因潜蚀和管涌产生破坏，严重的将导致建（构）筑物破坏。天然地基渗透问题主要与地基中水力比降和土的渗透性有关。二、建筑工程地基事故类别及特征建筑物事故的发生，不少与地基问题有关。而地基工程事故的主要原因是由于勘察、设计、施工不当或环境和使用情况改变而引起的。其最终反映是产生过量的变形或不均匀变形，从而使上部结构出现裂缝，倾斜，削弱和破坏了结构的整体性、并影响到建筑物的正常使用。严重者，地基失稳，导致建筑物倒塌。地基事故可分为天然的地基事故和人工地基事故两大类。无论是天然地基上事故还是人工地基上事故，按其性质都可概括为地基强度和变形两大问题。地基变形问题引起的地基事故常发生软土、湿陷性黄土、膨胀土、季节性冻土等地区。地基强度问题引起的地基事故主要表现在下列两方面：（1）地基承载力不足或地基丧失稳定性；（2）斜坡丧失稳定性。（一）地基失稳事故特征对于一般地基，在局部荷载作用下，地基的失稳过程，可以用荷载试验的P~S曲线来描述。图2-1表示由静荷载试验得到的两种类型的荷载P沉降S的关系曲线。当荷载大于某一数值时，曲线1有比较明显的转折点，基础急剧地下沉。同时，在基础周围的地面有明显的隆起现象，基础倾斜，甚至倒塌，地基发生整体剪切破坏。图2-2所示的加拿大特朗斯康谷仓的地基破坏情况，是地基发生整体滑动、建筑物丧失了稳定性的典型例子。曲线2没有明显的转折点，地基发生局部剪切破坏。软粘土的松砂地基属于这一类型如图2-3。它类似于整体剪切破坏。滑动面从基础的一边开始，终止于地基中的某点。只有当基础发生相当大的竖向位移时，滑动面才发展到地面。破坏时，基础周围的地面也有隆起现象，但是基础不会明显倾斜或倒塌。图2-1图2-22对于压缩比较大的软粘土和松砂，其P~S曲线也没有明显的转折点，但地基破坏是由于基础下面软弱层的变形使基础连续下沉，产生了过大的不能容许的沉降，基础就象“切入”土中一样，故称为冲切剪切破坏，如图示2-4所示。例如建在软土层上的某仓库，由于基底压力超过地基承载力近一倍。建成后，地基发生冲切剪切破坏，造成基础过量的沉降。地基究竟发生那一种形式的破坏，除了与土的种类有关以外，还与基础的埋深、加荷速率等因素有关。例如当基础埋深较浅，荷载为缓慢施加的恒载时，将趋向于形成整体剪切破坏；若基础埋深较大，荷载是快速施加的，或是冲击荷载，则趋向于形成冲切或局部剪切破坏。在建筑工程中，地基失稳的后果常很严重，有时甚至是灾难性的破坏。如广东海康县7层旅店大楼因地基失稳而倒塌的事故。该大楼地处沿海淤泥质土地区，而设计人员在没有工程地质勘察资料的情况下，盲目地按100~120KPa的地基承载力进行设计。事故发生后，在建筑现场旁边1.8m的地下取土测定，土的天然含水量为65~75%，按当时的地基基础设计规范规定，这种土的容许承载力只有40~50KPa，仅为设计承载力的40%。又由于少算荷载，实际柱基底压力为189.6KPa，为土容许承载力的4倍左右。由此造成基础的严重不均匀沉降，使上部结构产生较大的附加应力，导致建筑物破坏倒塌，造成了多人伤亡的严重事故。因此，对地基强度破坏的危害性应有足够的重视，特别是在土承载力不高，渗透性低而加荷速度快（如过快的施工速度），或有水平荷载作用（如风荷载），或在斜坡及丘陵地段进行建筑时，更应慎重处理。（二）地基变形事故特征1．软弱地基变形特征（1）沉降大而不均匀：软土地区大量沉降观测资料统计表明，砖墙承重的混和结构建筑，如以层数表示地基受荷大小，则三层房屋的沉降量为15~20cm；四层变化一般为20~50cm；五层至六层则多超过70cm。有吊车的一般单层工业厂房沉降量约为20~40cm，而大型构筑物，如水塔、油罐、料仓、储气柜等，其沉降量一般都大于50cm，有的甚至超过100cm。过大的沉降造成室内地坪标高低于室外地坪，引起雨水倒灌，管道断裂，污水不易排出等问题。软土地基的不均匀沉降，是造成建筑物裂缝损坏或倾斜事故的主要原因。影响不均匀沉降的因素很多，如土质的不均匀性、上部结构的荷载差异、建筑物体型复杂、建筑物间相邻影响、地下水位变化及建筑物周围开挖基坑等等。即使在同一荷载及简单平面形式下，其差异沉降也有可能相差很大。（2）沉降速率大：建筑物的沉降速率是衡量地基变形发展程度与状况的一个重要标志。软土地基的沉降速率是较大的，一般在加荷终止时沉降速率最大，如图2-5所示。沉降速率也随基础面积和荷载性质的变化而有所不同。一般民用或工业建筑活荷较小时，其竣工时沉降速率大约为0.5~1.5mm/d；活荷较大的工业建筑物和构筑物，其最大沉降速率可达45.3mm/d。随着时间的发展，沉降速率逐渐衰减，但大约在施工期半年至一年左右的时间内，是建筑物差异沉降发展最为迅速的时期，也是建筑物最容易出现裂缝的时期。在正常情况下，如沉降速率衰减到0.05mm/d以下时，差异沉降一般不再增加。如果作用在地基上的荷载过大，则可能出现等速下沉，长期的等速沉降就有导致地基丧失稳定的危险。（3）沉降稳定历时长：建筑物沉降主要由于地基土受荷后，孔隙水压力逐渐消散，而有效应力不断增加，导致地基固结作用所引起的。因为软土的渗透性低，孔隙水不易排除，故建筑物沉降稳定历时均较图2-3图2-4图2-53长。有的建筑物建成后几年、十几年甚至几十年沉降尚未完全稳定。例如上海展览馆的中央大厅为箱形基础，基础面积为46.5×46.5m半地下室，基底压力约为130KPa，附加压力约120KPa。1954年建成，30年后累计沉降量已起过1.8m，沉降影响范围超过30m，使相邻两侧展览厅墙体严重开裂。2．不均匀沉降对上部结构产生的效应（1）砖墙开裂：由于地基不均匀沉降使砖砌体受弯曲而导致砌体因受主拉应力过大而开裂。（2）砖柱断裂：砖柱裂缝有水平缝及垂直缝两种类型。前者是由于基础不均匀沉降使中心受压砖柱产生纵向弯曲而拉裂。此种裂缝都出现在砌体下部，沿水平灰缝发展，使砌体受压面积减少，严重时将造成局部压碎而失稳。垂直裂缝一般出现在砖柱上部，例如某平面为“Π”字形四层教学楼，因一翼下沉较大，外廊的预制楼板水平位移，使支承楼板的底层中部外廊砖柱柱头拉裂，裂缝上大下小，最宽处达8mm，延伸1.3m。（3）钢筋混凝土柱倾斜或断裂：单层钢筋混凝土柱的排架结构，常因地面上大面积堆料造成柱基倾斜。由于刚性屋盖系统的支撑作用，在柱头产生较大的附加水平力，使柱身弯矩增大而开裂，裂缝多为水平缝，且集中在柱身变截面处及地面附近。露天跨柱的倾斜虽不致造成柱身裂损，但会影响吊车的正常运行，引起滑车或卡轨现象。例如上海某厂铸钢车间露天跨，车间内堆载为100KPa，造成轨顶最大位移值达8.5cm，柱基最大相对内倾值达0.0125，导致吊车卡轨、滑车，工字形柱倾斜、裂缝。1964~1965年曾凿开基础杯口，用钢丝绳纠偏，目前柱子尚有明显倾斜。（4）高耸构筑物的倾斜：建到软土地基上的烟囱、水塔、筒仓、立窑、油罐和储气柜等高耸构筑物，采用天然地基，则产生倾斜可能性较大。例如某厂紧邻建造的两个高32.43m的石灰窑，其中北窑先投入生产，造成南窑向北倾斜，相对倾斜值达0.016。当南窑投产时，北窑又向南倾斜，相对倾斜值达0.0114，最后不得不采用加压措施纠偏。3．湿陷变形对上部结构产生的效应（1）基础及上部结构开裂：黄土地基湿陷性引起房屋下沉量大，墙体裂缝大，并开展迅速。（2）倾斜：湿陷变形只出现在受水浸湿部位，而没有浸水部位则基本不动，从而形成沉降差，因而整体刚度较大的房屋和构筑物，如烟囱、水塔等则易发生倾斜。（3）折断：当地基遇到多处湿陷时，基础往往产生较大弯曲变形，引起房屋基础和管道折断。当给排水干管折断时，对周围建筑物还会构成更大的危害。4．胀缩变形对上部结构产生的效应（1）建筑物的开裂破坏一般具有地区性成群出现的特性。大部分是在建成后三、五年，甚至一、二十年后才出现开裂，也有少部分在施工期就开裂的。主要是受地基含水量、场地的地形、地貌、工程与水文的地质条件、气候、施工等综合因素的影响。例如四川成都尤潭区三级阶地上的房屋，大数在建成五、六年后出现了地基干、湿变化，造成建筑物开裂、变形，尤其以平房和三层以下的建筑物更为普遍和严重。（2）遇水膨胀、失水收缩引起墙体开裂：墙体裂缝有正、倒八字形、X形，还有水平缝及局部斜裂缝（见图2-6）。随着胀缩反复交替出现，墙体可能发生挤碎或错位。（3）在地质条件相同情况下的房屋开裂破坏，此种破坏以单层、二层房屋较多，三层房屋较少、较轻。单层房屋尤其单层民用房屋的开裂最为普遍，其破坏率占单层建筑物总数的85%；二层房屋破坏率为25%~30%；三层房屋一般略有轻微的变形开裂破坏，其破坏率约为5%~10%。由于基础形式的不同，房屋开裂也不同，条形基础的破坏较单独基础破坏更为普遍。排架、框架结构房屋，其变形开裂破坏的程度和破坏率均低于砖混结构。体型复杂的房屋由于失水和得水的临空面大，受大气的影响也大，故变形开裂破坏较体型简单的严重。地裂通过处的房屋必定开裂。（4）外墙与内墙交接处的破坏。（5）室内地坪开裂，特别是空旷的房屋或外廊式房屋的地坪易出现纵向裂缝。5．冻胀、融陷变形对上部结构的效应4当基础埋深浅于冻结深度时，在基础侧面作用着切向冻胀力T，在基底作用着法向冻胀力N。如果基础上荷载F和自重G不足以平衡法向和切向冻胀力，基础就被抬起来。融化时，冻胀力消失，冰变成水，土的强度降低，基础产生融陷。不论上抬还是融陷，一般是不均匀的，其结果必然造成建筑的开裂破坏。例如，河北崇礼县某住宅楼，上冻前地下室施工完毕，只进行了外侧回填，地下室内没有采取任何保温措施，第二年开春发现大部分有门洞口的圈梁出现裂缝，最宽达8mm，最后不得不加固补强。建筑物因地基冻融产生的破坏现象，可概括如下：（1）墙体裂缝：一、二层轻型房屋的墙体裂缝很普通。从裂缝形状上看，有斜裂缝、水平裂缝，垂直裂缝三种，如图2-6。这些裂缝与膨胀土地基上房屋开裂情况是十分相似的。垂直裂缝多出现在内外墙交接处或是外门斗与主体结构连接的地方。（2）基础拉断：这种情况经常发生在不采暖的轻型结构砖砌基础中，主要因侧向冻切力作用所致。电杆、塔架、桥墩、管架等一般轻型构筑物基础，在侧向冻切力的作用下，有逐年上拔的现象。例如东北某工程的钢筋混凝桩，3~4年内上拔60cm之多。（3）外墙因冻胀抬起，内墙不动，天棚与内墙分离：这种情况常发生在采暖房屋里，因内墙与外墙不连，天棚支承在外墙上，当外墙因冻胀抬起时，天棚便与内墙分离，最大可达20mm。（4）台阶隆起，门窗歪斜：据哈尔滨市调查，部分居民住宅，每到冬天由于台阶隆起导致外门不易推开，来年开冻以后台阶又回落。经多年起落，变形不断增加，出现不同程度沉落和倾斜。因为台阶埋深小，与房屋基础埋深相差很多，冻结融化都较敏感。而在构造上它又与房屋不相连接，故台阶变形较为显著且极为普遍，在冻胀性地区到处