第三章地基基础事故分析

1/18第三章地基和基础工程质量事故与处理建筑物事故的发生，不少与地基问题有关。地基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发生改变引起的，最终表现为产生过大的变形或不均匀沉降，从而使基础或上部结构出现裂缝或倾斜，削弱和破坏了结构的整体性、耐久性，严重的导致建筑物倒塌。地基事故，按其性质可分为地基强度和变形两大类。地基强度问题引起的地基事故主要表现在地基承载力不足或丧失稳定性;地基变形问题引起的事故常发生在软土、湿陷性黄土、膨胀土、季节性冻土等地区。地基事故发生后，首先应进行认真细致的调查研究，然后根据事故发生的原因和类型，因地制宜地选择合理的基础托换方法，进行处理。在进行托换前，要对建筑物被托换的安全性予以论证;在托换过程中，应采取严密的监控措施，保证建筑物的各部位之间不致产生过大的沉降差，还应保证邻近建筑物的安全性。2/183.1地基工程质量事故3.1.1地基工程事故原因分析1.地质勘查深度不足或者根本不勘察2.基础设计不调查、不计算3.软弱地基不处理4.忽视寒冷地区地基土的冻胀5.基础埋置深度不足6.地基基础缺乏防护、防水、排水措施7.不按图纸规范施工，粗制滥造事故实例：某市修建的一座库房楼，该库房为两层楼房，平面呈一字型，东西向长47.28m，南北向宽10.68m，高7.50m。库房正中为楼梯间，东西各两大间，每间长10.89m、宽10.20m。中部有两个独立柱基。内外墙均为条形基础。此楼在使用一年后。库房西侧二楼墙上既发现有裂缝。此后裂缝数量增多，裂缝宽度展扩。据详细调查统计，大裂缝已有33条，有的裂缝长度超过1.80m，宽度达10～30mm，且地面多处开裂。6年之后，再度调查，发现裂缝长达3.20m，裂缝宽为8～10mm，且内外贯通。说明6年多来库房的沉降一直都在发展。事故原因分析：原勘查失误是事故的主因，原勘查报告虽有偿个钻孔资料但仅有库房角线的41#、46#孔分别深5.10m、5.35m，其余5个孔只有2m多，远不及基础受压层深度。更值得注意的是有2个孔已穿过有机土和泥碳层，但却未做记录，在报告中未说明，只是简单地建议地基计算强度为fk=100KN/M2。这是该库房发生严重质量问题的根源；设计人员对这份粗糙的勘查报告，并未提出补做勘查的要求。此外按规范规定对于三层和三层以上的房屋，其长高比L/H宜小于或等于2.5；本例虽为二层砌体结构，但长高比L/H=47.28/7.5=6.3，次值》25，导致房屋的整体刚度过小，对地基过大不均匀沉降的调整能力太弱。设计人员又未采取加强上部结构刚度的有力结构措施，也是导致墙体开裂的重要原因。应吸取的教训：第一，工程勘查工作做的粗糙；第二，地基的选择和处理方法不当，未能使房屋坐落在比较均匀的天然或人工地基上；第三，上部结构整体刚度弱。这三点教训也就是平时常说的“情况不明，决心不大，方法不好”。此外，在勘查时要重视对钻孔深度的选择。由于钻孔深度必须符合设计要求，如果不符合设计上对压缩厚度的需要，或者大不到桩所坐落的土层时，那就不可能正确计算出地基的沉降，或桩的正确承载力，也就达不到基础设计要求。因此必须按设计要求确定合适钻孔深度。如果由于勘查量不足，钻孔和探坑布点少，再加上钻孔深度不够，以致不能表达出土的不均匀性和层理的不一致性，就有可能引起建筑的翘曲和弯折而出现裂缝，造成危害和浪费。3.1.2地基失稳事故地基失稳破坏的原因，是由于地基中各点的剪应力随着荷载的增加而不断增加，当地基中局部范围内的剪应力达到土的抗剪极限强度时，便会产生局部剪切破坏。如局部破坏的范围扩大而连成整体，则地基将失去稳定性，并可能引起建筑物的严重破坏。地基的失稳破坏属剪切破坏，有以下3种情况1.整体剪切破坏当荷载大于某数值时，基础急剧下沉。同时，在基础周围的地面有明显的隆起现象，继而，基础倾斜，甚至倒塌，地基发生整体剪切破坏。如加拿大特朗斯康谷仓，受载后，地基发生滑动严重倾斜，是地基发生整体滑动、丧失稳定性的典型例子(见图3•1)。该谷仓建在较厚的软黏土地基上，受荷后谷仓西侧突然陷入土中8•8m，东侧则抬高1•5m，但该谷仓的整体性很强，仓身完好无损。3/182.局部剪切破坏与前类似，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，基础周围地面也有隆起现象，但基础无明显的倾斜或倒塌。软黏土和松沙地基易发生这一类型的破坏。如广东海康县7层框架结构的旅馆建造在淤泥质软土地基上，设计人员在无地质勘探资料的情况下，盲目地按照100~12OkPa的承载力设计，并错误地采用独立基础，造成因地基失稳而倒塌的严重事故。事故发生后，实测地基承载力仅为40~5OkPa，又由于少算荷载，柱的承载力也远达不到要求。基础的严重不均匀沉降，使上部结构产生很大的附加内力，导致结构倒塌，造成直接经济损失60余万元。图3-23.冲切剪切破坏压缩性较大的软黏土和松沙，由于弱土层的变形使基础连续下沉，产生过大的沉降，基础就像切入土中一样。故称为冲切剪切破坏。在建筑工程中，地基失稳事故比变形事故少，但失稳的后果是严重的，有时是灾难性的。3.1.3地基变形事故1.湿陷性黄土地基的变形湿陷性黄土呈黄色或褐黄色，粉土颗粒含量常占土重的60扒以上，含有大量的碳酸盐、硫酸盐和氯化物等可溶盐类，天然孔隙比在1左右，土中具有肉眼可见的大孔隙。在覆土层的自重压力和建筑物的附加压力作用下受水浸湿，土的结构迅速破坏，其强度也迅速降低，4/18并发生显著的附加沉降。在上覆土层自重应力作用下，或者在自重应力和附加应力共同作用下，因浸水后土的结构破坏而发生显著附加变形的土称为湿陷性土，属于特殊土。有些杂填土也具有湿陷性。广泛分布于我国东北、西北、华中和华东部分地区的黄土多具湿陷性。（这里所说的黄土泛指黄土和黄土状土。湿陷性黄土又分为自重湿陷性和非自重湿陷性黄土，也有的老黄土不具湿陷性）。1)湿陷性黄土地基变形特征：(1)湿限变形特点只出现在受水浸湿部位，其特点是变形量大，常常超过正常压缩变形几倍甚至几十倍，发展快，受水浸湿后1~3h就开始湿陷。湿陷的出现完全取决于受水浸湿的概率。(2)外荷湿陷变形特征发展迅速、湿陷稳定快。(3)自重湿陷变形特征产生与发展比外荷湿陷要缓慢，稳定历时长。且其发展是有一定条件，如浸水面积小时，自重湿陷就很不安分，甚至完全不产生湿陷。2)湿陷变形对上部结构产生的效应：(1)基础及上部结构开裂湿陷性黄土地基引起房屋下沉量大，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。事例：2004年10月甘肃庆阳某办公楼发现南部①～⑤轴线范围内地基局部沉陷，墙体及楼板出现裂缝，并逐步从一层发展到三层，多为斜向裂缝；地坪有空鼓下陷现象，局部最大沉降量达12．0cm。该办公楼建成于1997年，其南北向长约为43．OOm，宽约为l1．00m，为三层局部四层建筑物，砖混结构，属丙类建筑物。设计地基处理采用大开挖，基础埋深为一1．80m，开挖深度为-4．80m，槽底纵横间距1．0m中间加点布梅花型探孔，孔深4．0m，3：7灰土捣实回填，素土回填至一2．1m，要求压实系数不小于0．93；再用300ram厚的3：7灰土回填至一1．80m，要求压实系数不小于0．95。根据室内土工试验结果，按照《湿陷性黄土地区建筑规范》(6BJ50025-2004)，计算出地基土的自重湿陷量介于21．96～32．40cm，总湿陷量介于44．88～75．42cm，经地基处理后，场地为Ⅲ级自重湿陷性黄土场地。分析：通过调查、检测可知，该办公楼采用整片土垫层法处理地基，上部3：7灰土垫层厚度不满足设计要求，地基土经处理后，场地仍为Ⅲ级自重湿陷性黄土场地，剩余湿陷量最大达75．42cm，且处理后的素土垫层压实程度欠均匀，局部压缩性高，并具湿陷性，是造成该楼地基产生不均匀沉降的原因之一；下卧层马兰黄土①具强烈湿陷性，并具较高压缩性，若有水下渗，必将产生湿陷变形；同时，上部回填土回填质量差，造成了地坪空鼓下陷。2软土地基的不均匀沉降1)软弱土地基变形特征软土一般是指抗剪强度较低、压缩性较高、渗透性较小的淤泥、淤泥质土、某些冲填土和杂填土及其他高压缩性土层。软弱土地基的变形主要有以下3个特征。(1)沉降大而不均匀软土地区大量沉降观测资料统计表明，砖混结构的建筑物3层房屋的沉降量约为15~2Ocm，4层房屋一般为20一5Ocm，5~6层房屋的沉降可达到7Ocm。有吊车的单层工业厂房沉降约为20~4Ocm。如果上部结构各部分荷载的差异较大，建筑物的体型又较复杂，或者土层不均匀，将会引起很大的不均匀沉降。软土地基的不均匀沉降，是造成建筑物裂缝损坏或倾斜等事故的重要原因。(2)沉降速率大软土地基的沉降速率较大，一般工业与民用建筑，活荷载较小时，竣工时沉降速率大约为0·5~15mm/d，活荷载大的工业建筑(构筑)物，最大沉降速率可达45mm/d。约在施工期0·5~1a的时间内，是建筑物差异沉降发展最为迅速的时期，也是建5/18筑物最易出现裂缝的时期。(3)沉降稳定历时长因软弱土的渗透性低，孔隙水不易排除，故沉降稳定历时记在比较厚的软土层上，建筑物基础的沉降往往持续几年乃至十几年。图3-42)不均匀沉降对上部结构产生的效应(1)砖墙开裂。不均匀沉降使墙体受弯或受剪而开裂。(2)砖柱断裂。砖柱断裂产生水平和垂直两种裂缝。前者是因不均匀沉降使柱产生纵向弯曲所致，多出现在柱中部，沿水平灰缝发展，使砖柱受压面积减少，严重时可使局部压碎。垂直缝一般因承压强度不足所致，发生在强度薄弱处。(3)钢筋混凝土柱倾斜或断裂。因沉降差别大使柱倾斜，并在柱顶产生较大的水平力，使柱身弯矩增大而开裂，且集中在柱身变形截面处及地面附近。(4)高耸建筑物倾斜。建立在软土地基的烟囱、水塔、筒仓、立窑、油罐和储气柜等高耸构筑物，如采用天然地基，则产生倾斜的可能性较大。3膨胀土地基膨胀或收缩1)膨胀土地基涨缩变形特征膨胀土是指黏粒成分主要由强亲水性矿物组成，具有吸水膨胀和失水收缩且胀缩性能较大的黏性土。膨胀土地基的变形主要表现为不均匀性和可逆性。随季节气候的变化，反复吸水、失水，会使地基变形不均匀，且长期不稳定。膨胀土是种高塑性黏土，一般承载力较高，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定。常使建筑物产生不均匀的竖向或水平的胀缩变形，造成位移、开裂、倾斜甚至破坏，且往往成群出现，尤以低层平房严重，危害性很大，裂缝特征有外墙垂直裂缝，端部斜向裂缝和窗台下水平裂缝，内、外山墙对称或不对称的倒八字形裂缝等；地坪则出现纵向长条和网格状的裂缝。一般于建筑物完工后半年到五年出现。(1)胀缩变形的不均匀性与可逆性随着季节气候的变化，反复吸水，会使膨胀土地基变形不均匀，而且长期不能稳定。中国膨胀土多位于亚干旱和亚湿润区，土的天然含水率多在塑限上下波动。如安徽合肥地区某平房，经过5年观测，每年4—8月份下沉，其他月份上升，随着季节出现周期性变化。(2)坡地变形特征现场观测表明，边坡不但有升降变形，还有水平位移。升降变形幅度和水平位移量都以坡面上的点最大，睡着离坡面距离的增大而逐渐减小。位于斜坡地段的膨胀土地基问题，较平坦地更为复杂。在斜坡上建筑时，整平场地必然有挖有填，土的含水率也必然不一样，因而使土的膨胀变形不均匀。在斜坡整平后，场地前缘形成坡陡或土坡，这时地面蒸发加快，既有坡肩蒸发，也有临空的坡面蒸发，其含水率变化幅度较坡面部分高出1~2倍，致使房屋临坡面变形增大。6/182)膨胀变形对上部结构产生的效应膨胀土地基变形对上部结构的效应，主要是使结构开裂，且开裂有如下特点。(1)建筑物的开裂破坏某区域范围内的房屋大部分出现开裂现象，一般在建成后三五年出现开裂，也有少数在施工期就开裂的。(2)遇水膨胀、失水收缩引起墙体开裂(3)在地质条件相同情况