【摘 要】建筑进行基础施工时基坑坍塌的事故时有发生，造成了经济损失及人员伤亡，因此，分析事故原因，制定预防措施十分重要，文章分析了某工程基坑的坍塌原因与破坏机理，探讨了基坑坍塌加固治理措施。
【关键词】建筑基坑；边坡坍塌；破坏机理
1.工程概况
某基坑工程深10.4m。表层土为杂填土，平均厚度约4m，周边水电管线设备等地下设施比较复杂。上部采用桩锚支护，主要支护措施有：微型桩、土钉、喷混凝土护面等，但其设计坡度极陡达到86°，基坑施工阶段又处于多雨时期。其专业分包单位基本按照施工组织设计的要求进行分层开挖与支护，每层开挖深度为2m，开挖后对壁面进行修整，再进行边坡喷锚施工。
2010年9月20日，东侧FG坡段下挖施工至5m便出现严重坍塌，幸无人员伤亡。设计变更后该处采用人工挖孔桩作为支护加固措施。由于6m以下为坚硬岩层施工困难，经设计许可人工挖孔桩没有嵌入基坑底面。目前重新下挖至7m处的支护效果良好，锚索设计与施工正在同步进行。基坑后期主要抗侧力结构将由锚索代替，基坑的安全问题仍应高度重视(图1)。
2.基坑的坍塌原因与破坏机理分析
2.1分析该基坑坍塌的原因
由基坑坍塌原因是设计缺陷、边坡渗水、防雨不到位、离工质量缺陷及土质差且受地下设施限制造成，前期的概念设计是关键，要依据地质资料、气象资料和工程实际情况选取合适的支护方案。而水患控制则是基坑工程施工的重点，应采取合理、有效的防水控水方案。
2.2坍塌坡段的破坏机理分析
基坑工程边坡的破坏类型需到现场根据地形、地质特征及其破坏过程进行辨识，破坏原因包含基因与诱因。地质(边坡的土质特点、地质构造)与地形特征、周边环境和边坡支护结构，属于边坡破坏的内在因素（即为边坡基因)：雨水、地震、人工堆码与扰动等外在因素则为基坑边坡坍塌的诱因。诱因与基因共同决定了边坡坍塌发生的时机与规模。基坑坍塌表现为支护结构的强度、刚度或者稳定性不足，从而引起支护结构的破坏，导致边坡失稳与坍塌。对此事故采取抢险处理或临时加固的措施应迅速辨识边坡破坏类型，以防止措施失当造成包括人员伤亡与财产损失(即二次灾害)，破坏类型同时作为设计变更的考虑依据。由于理论上具有相同类型的边坡基因，应有相同类型的破坏方式，因此，我们可根据不同的坍塌类型自身特殊的辨识指标进行判断。基于台湾张石角的理论，地滑可分为平面型地滑、弧型地滑、楔型地滑与翻转地滑等几种类型，再根据坍塌现场微型桩的倾斜方向，我们对该基坑东侧FG段边坡的破坏方式判定为翻转地滑，即边坡翻转破坏。
边坡翻转破坏是有前兆的，基坑施工过程多次在坡顶出现贯通裂缝，尤其在雨后开裂极其严重。当裂缝出现时，支护单位虽然对其进行了注浆处理，来达到防雨水渗入进一步破坏土体的目的，但这并没有从根本上解决问题。这些裂缝为何反复出现，以及采取什么有效的防坍塌措施。针对坡段坍塌前多次在雨后出现裂缝且有明显的沉降的情况，我们将出现沉降的原因分析如下：
(1)由于支护面在受到土体侧压力的作用下会产生微量位移，从而导致了支护面与以后出现的破坏面之间的夹角变大；
(2)由于夹在支护面与破坏面之间的土体要保持体积恒定，这时在基坑边上、支护面附近的土体因材质不同易出现贯通裂缝，所以在产生相对水平位移的同时，该部分土体(下称夹土)在自重作用下将发生下沉(图2)。
2.3边坡坍塌必然性分析
(1)边坡坍塌的流程为：侧压力作用下产生微量位移→坡顶出现裂缝→雨水侵蚀边坡土体→土体原状结构受破坏→夹土液化丧失粘结力形成薄弱面→形成上大下小的不稳定结构→不利效应的足量积累最终导致坍塌。
(2)原复合土钉墙的受力原理为重力式挡土墙，但是在设计坡度过陡、钢筋锚固长度较短的条件下，支护面犹如在受拉区域无配筋的竖向悬臂梁，倾覆弯矩完全由单排φ100mm的微型桩承担，然而由于微型桩主要用于坡底抗剪，其抗弯能力极低。当裂缝出现时，注浆处理虽达到了防止雨水继续渗入的目的，但并没有提供维持土体稳定的粘结拉力，故未能有效防止边坡的坍塌(图3)。
3.坍塌加固处理措施及分析
本事故中，设计采用人工挖孔桩的方式增强了坍塌边坡的稳定性，从而防止了二次坍塌，前期作为悬挑构件支护的效果较好，但因实际施工困难、孔桩长度参差不齐且未能嵌入基坑底部，所以在基坑施工达到一定深度后，梳状桩体将转变成钢丝网混凝土护面的竖向连梁与锚索共同工作，后期抗侧力结构将全部由锚索代替，但对其位移应进行严格限制。
锚索施工在满足设计承载力的前提下，还应加强对位移的监测、控制对掌握基坑状况和及时采取有效措施。下面对变更后支护结构的土压力进行等效，通过力的矢量三角形变化(图4)和位移假设法进行研究说明。
(1)当上部位移过大时，由支护体系受力矢量三角形的变化图得知，锚索所受拉力将迅速增大，故在土体提供足够锚固力及钢索与混凝土良好粘结的前提下，应保证锚索具有足够的锚固长度和抗拉承载力(即钢绞线截面)，以确保锚固体的注浆质量及连梁处节点防冲切的构造措施，尤其是第l道锚索的设计位置、承载力和密度要特别得到重视。
(2)当下部位移过大时，孔桩端部的支撑岩面受力面积减小而压强增大，致使桩端岩石破坏围护结构脱落失效。故除了确保桩端岩石自身的稳定外还应限制坡底位移，即：实行信息化施工，尤其对支护结构的位移进行监控，做到及时反馈和处理。
(3)关于支护面位移对土压力的影响，我们可将开挖面以上其外侧土体视作土弹簧。在初始状态，支护面位移为零，土压力P按静止土压力P0考虑。在挡土结构发生变形后，作用在墙上的土压力将随之变化，但其最小值为主动土压力Pao。
即P= P0—Khd (1)
式中: Kh——土弹簧刚度系数；
D——墙体某点的水平位移，向坑内位移时取正值。
位移的发生过程是土压力的释放和重新分布的过程。当发生位移时，土体对支护体系的总侧压力虽然变小，但会产生使基坑安全状态进入恶心循环的不利效应而最终导致护坡的坍塌。因此，在监测到边坡变形超过安全限值时，应迅速对变形严重的位置进行撑锚或其它有效地支撑加固，以防止位移进一步发展。基坑的变形虽释放了土压力，但其破坏了原设计的安全受力状态(让局部支撑构件超过极限承载力)，支护体系因受力不均匀而被各个击破最终失效。
鉴于基坑的变形会严重影响基坑的使用，故在前期设计时就应保证好支护体系的稳定、强度和刚度，即支护结构的抗倾覆验算、抗滑动验算、危险截面应力验算和位移验算。
东侧坍塌坡段设计变更添加的人工挖孔桩前期由于具有足够的嵌固深度，支护效果比较理想。目前已重新下挖至7m，我们通过观测，该段坡顶暂无新裂缝产生，位移也在安全限度内。随着基坑进一步下挖，能否满足l5m深基坑的支护要求，则需继续进行监控。
4.结语
(1)深基坑施工占用资金多、工期长、难度大，基坑支护方案的选择应综合考虑造价、工期、安全及对周围环境的影响，尤其当基坑周围有建筑物、道路和管线时，边坡的变形应严格控制。
(2)支护结构要依据土体的实际状况进行设计，在少扰动原状土前提下，既要有良好的整体性、足够的锚固及可靠的节点构造，又要限制过大位移带来的不利影响。
(3)对于坍塌后的基坑进行施工时，需特别注意坑壁地基土质的稳定性分析和观测，以免重蹈覆辙，从而对工程施工造成不必要的损失。
(4)采用人工挖孔桩加固措施的优点在于：前期可以利用桩自身的抗弯承载力和嵌固深度，作为上部不稳定土体的支撑体系，而后期可作为喷混凝土护面竖向连梁对土体进行防护，其设计调整的空间大。这里要注意的是，在基坑逐步下挖施工过程中必须加强位移的监测、分析与控制。
【关键词】建筑基坑；边坡坍塌；破坏机理
1.工程概况
某基坑工程深10.4m。表层土为杂填土，平均厚度约4m，周边水电管线设备等地下设施比较复杂。上部采用桩锚支护，主要支护措施有：微型桩、土钉、喷混凝土护面等，但其设计坡度极陡达到86°，基坑施工阶段又处于多雨时期。其专业分包单位基本按照施工组织设计的要求进行分层开挖与支护，每层开挖深度为2m，开挖后对壁面进行修整，再进行边坡喷锚施工。
2010年9月20日，东侧FG坡段下挖施工至5m便出现严重坍塌，幸无人员伤亡。设计变更后该处采用人工挖孔桩作为支护加固措施。由于6m以下为坚硬岩层施工困难，经设计许可人工挖孔桩没有嵌入基坑底面。目前重新下挖至7m处的支护效果良好，锚索设计与施工正在同步进行。基坑后期主要抗侧力结构将由锚索代替，基坑的安全问题仍应高度重视(图1)。
2.基坑的坍塌原因与破坏机理分析
2.1分析该基坑坍塌的原因
由基坑坍塌原因是设计缺陷、边坡渗水、防雨不到位、离工质量缺陷及土质差且受地下设施限制造成，前期的概念设计是关键，要依据地质资料、气象资料和工程实际情况选取合适的支护方案。而水患控制则是基坑工程施工的重点，应采取合理、有效的防水控水方案。
2.2坍塌坡段的破坏机理分析
基坑工程边坡的破坏类型需到现场根据地形、地质特征及其破坏过程进行辨识，破坏原因包含基因与诱因。地质(边坡的土质特点、地质构造)与地形特征、周边环境和边坡支护结构，属于边坡破坏的内在因素（即为边坡基因)：雨水、地震、人工堆码与扰动等外在因素则为基坑边坡坍塌的诱因。诱因与基因共同决定了边坡坍塌发生的时机与规模。基坑坍塌表现为支护结构的强度、刚度或者稳定性不足，从而引起支护结构的破坏，导致边坡失稳与坍塌。对此事故采取抢险处理或临时加固的措施应迅速辨识边坡破坏类型，以防止措施失当造成包括人员伤亡与财产损失(即二次灾害)，破坏类型同时作为设计变更的考虑依据。由于理论上具有相同类型的边坡基因，应有相同类型的破坏方式，因此，我们可根据不同的坍塌类型自身特殊的辨识指标进行判断。基于台湾张石角的理论，地滑可分为平面型地滑、弧型地滑、楔型地滑与翻转地滑等几种类型，再根据坍塌现场微型桩的倾斜方向，我们对该基坑东侧FG段边坡的破坏方式判定为翻转地滑，即边坡翻转破坏。
边坡翻转破坏是有前兆的，基坑施工过程多次在坡顶出现贯通裂缝，尤其在雨后开裂极其严重。当裂缝出现时，支护单位虽然对其进行了注浆处理，来达到防雨水渗入进一步破坏土体的目的，但这并没有从根本上解决问题。这些裂缝为何反复出现，以及采取什么有效的防坍塌措施。针对坡段坍塌前多次在雨后出现裂缝且有明显的沉降的情况，我们将出现沉降的原因分析如下：
(1)由于支护面在受到土体侧压力的作用下会产生微量位移，从而导致了支护面与以后出现的破坏面之间的夹角变大；
(2)由于夹在支护面与破坏面之间的土体要保持体积恒定，这时在基坑边上、支护面附近的土体因材质不同易出现贯通裂缝，所以在产生相对水平位移的同时，该部分土体(下称夹土)在自重作用下将发生下沉(图2)。
2.3边坡坍塌必然性分析
(1)边坡坍塌的流程为：侧压力作用下产生微量位移→坡顶出现裂缝→雨水侵蚀边坡土体→土体原状结构受破坏→夹土液化丧失粘结力形成薄弱面→形成上大下小的不稳定结构→不利效应的足量积累最终导致坍塌。
(2)原复合土钉墙的受力原理为重力式挡土墙，但是在设计坡度过陡、钢筋锚固长度较短的条件下，支护面犹如在受拉区域无配筋的竖向悬臂梁，倾覆弯矩完全由单排φ100mm的微型桩承担，然而由于微型桩主要用于坡底抗剪，其抗弯能力极低。当裂缝出现时，注浆处理虽达到了防止雨水继续渗入的目的，但并没有提供维持土体稳定的粘结拉力，故未能有效防止边坡的坍塌(图3)。
3.坍塌加固处理措施及分析
本事故中，设计采用人工挖孔桩的方式增强了坍塌边坡的稳定性，从而防止了二次坍塌，前期作为悬挑构件支护的效果较好，但因实际施工困难、孔桩长度参差不齐且未能嵌入基坑底部，所以在基坑施工达到一定深度后，梳状桩体将转变成钢丝网混凝土护面的竖向连梁与锚索共同工作，后期抗侧力结构将全部由锚索代替，但对其位移应进行严格限制。
锚索施工在满足设计承载力的前提下，还应加强对位移的监测、控制对掌握基坑状况和及时采取有效措施。下面对变更后支护结构的土压力进行等效，通过力的矢量三角形变化(图4)和位移假设法进行研究说明。
(1)当上部位移过大时，由支护体系受力矢量三角形的变化图得知，锚索所受拉力将迅速增大，故在土体提供足够锚固力及钢索与混凝土良好粘结的前提下，应保证锚索具有足够的锚固长度和抗拉承载力(即钢绞线截面)，以确保锚固体的注浆质量及连梁处节点防冲切的构造措施，尤其是第l道锚索的设计位置、承载力和密度要特别得到重视。
(2)当下部位移过大时，孔桩端部的支撑岩面受力面积减小而压强增大，致使桩端岩石破坏围护结构脱落失效。故除了确保桩端岩石自身的稳定外还应限制坡底位移，即：实行信息化施工，尤其对支护结构的位移进行监控，做到及时反馈和处理。
(3)关于支护面位移对土压力的影响，我们可将开挖面以上其外侧土体视作土弹簧。在初始状态，支护面位移为零，土压力P按静止土压力P0考虑。在挡土结构发生变形后，作用在墙上的土压力将随之变化，但其最小值为主动土压力Pao。
即P= P0—Khd (1)
式中: Kh——土弹簧刚度系数；
D——墙体某点的水平位移，向坑内位移时取正值。
位移的发生过程是土压力的释放和重新分布的过程。当发生位移时，土体对支护体系的总侧压力虽然变小，但会产生使基坑安全状态进入恶心循环的不利效应而最终导致护坡的坍塌。因此，在监测到边坡变形超过安全限值时，应迅速对变形严重的位置进行撑锚或其它有效地支撑加固，以防止位移进一步发展。基坑的变形虽释放了土压力，但其破坏了原设计的安全受力状态(让局部支撑构件超过极限承载力)，支护体系因受力不均匀而被各个击破最终失效。
鉴于基坑的变形会严重影响基坑的使用，故在前期设计时就应保证好支护体系的稳定、强度和刚度，即支护结构的抗倾覆验算、抗滑动验算、危险截面应力验算和位移验算。
东侧坍塌坡段设计变更添加的人工挖孔桩前期由于具有足够的嵌固深度，支护效果比较理想。目前已重新下挖至7m，我们通过观测，该段坡顶暂无新裂缝产生，位移也在安全限度内。随着基坑进一步下挖，能否满足l5m深基坑的支护要求，则需继续进行监控。
4.结语
(1)深基坑施工占用资金多、工期长、难度大，基坑支护方案的选择应综合考虑造价、工期、安全及对周围环境的影响，尤其当基坑周围有建筑物、道路和管线时，边坡的变形应严格控制。
(2)支护结构要依据土体的实际状况进行设计，在少扰动原状土前提下，既要有良好的整体性、足够的锚固及可靠的节点构造，又要限制过大位移带来的不利影响。
(3)对于坍塌后的基坑进行施工时，需特别注意坑壁地基土质的稳定性分析和观测，以免重蹈覆辙，从而对工程施工造成不必要的损失。
(4)采用人工挖孔桩加固措施的优点在于：前期可以利用桩自身的抗弯承载力和嵌固深度，作为上部不稳定土体的支撑体系，而后期可作为喷混凝土护面竖向连梁对土体进行防护，其设计调整的空间大。这里要注意的是，在基坑逐步下挖施工过程中必须加强位移的监测、分析与控制。
