某廠房倒塌事故分析

某廠房倒塌事故分析

1地下車庫基礎(chǔ)支護施工該建筑高度為43.90米，由13層組成。沒有地下空間，平面寬度為46.2m15.5m，堆棧結(jié)構(gòu)為a型，共有100個根，由a型管道組成。當(dāng)施工進行到室內(nèi)裝修、安裝與收尾階段時，在經(jīng)過一夜的大暴雨后，次日早晨大樓發(fā)生傾斜，第3天大樓發(fā)生整體倒塌；另一棟相鄰的大樓發(fā)生水平位移29mm。事發(fā)前，大樓南側(cè)的地下車庫基坑已經(jīng)開挖，開挖深度4.6m，基坑圍護的攪拌樁復(fù)合土釘墻也已施工完成。場地下臥土層為：粘土，厚約2.5m；淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粘土，厚約17m?；娱_挖出來的土方堆積在大樓的北側(cè)，土堆高度約10m，土堆與大樓之間留設(shè)3m寬的通道，土堆北側(cè)為防汛墻及河道（見圖1、圖2）。根據(jù)有關(guān)調(diào)查，事故的直接原因是：緊貼事故大樓北側(cè)，在短時間內(nèi)堆土過高，最高處達10m左右；與此同時，緊鄰該大樓南側(cè)的地下車庫基坑正在開挖，開挖深度4.6m；大樓兩側(cè)的壓力差使土體產(chǎn)生水平位移，過大的水平力超過了樁基的抗側(cè)能力，導(dǎo)致房屋傾倒。有關(guān)事故現(xiàn)場情況如圖3～圖6所示。2基土堆及下臥土層穩(wěn)定性分析根據(jù)土力學(xué)原理和巖土塑性本構(gòu)理論，在土堆堆土施工過程中，土堆下臥土層中的有效應(yīng)力和抗剪強度是保持不變的。因超孔隙水壓力不斷增加，所以總應(yīng)力也增加，而土堆及其下臥土層的安全系數(shù)逐漸降低。在土堆堆土剛完成時，其下臥土層內(nèi)的超孔隙水壓力最大，若場地不排水，則下臥土層內(nèi)的超孔隙水支撐了堆土的大部分荷載甚至全部荷載，此時其安全系數(shù)最低。根據(jù)巴隆自由應(yīng)變固結(jié)理論，此時土堆內(nèi)各質(zhì)點的變形是自由的，土堆內(nèi)有可能發(fā)生局部自由變形，表現(xiàn)為小范圍的滑動坍塌。在土堆堆土結(jié)束以后，根據(jù)堆土動荷載和土堆及其下臥土層自重的靜荷載耦合作用下的滲流固結(jié)理論（動與靜孔隙水壓力發(fā)展變化中耦合效應(yīng)）和太沙基單向滲流固結(jié)理論，超孔隙水壓力將慢慢消散，土堆及其下臥土層土體強度慢慢增強，安全系數(shù)逐漸增加（見圖7）。堆土完成后一段時間，達到臨時穩(wěn)定平衡后，在自然狀態(tài)下（超孔隙水壓力自然消散、滲透排水和沒有額外補給水），由于土堆及其下臥土層的安全系數(shù)逐漸增加，土堆及其下臥土層的穩(wěn)定性將越來越好。那么，是什么力量打破了這個臨時穩(wěn)定平衡并導(dǎo)致事故發(fā)生的呢？單純土堆及其下臥土層的總側(cè)壓力究竟對大樓產(chǎn)生了多大的影響？另外，場地軟弱土層在大樓兩側(cè)的“壓力差”作用下，為什么沒有發(fā)生樁間土流泥管涌現(xiàn)象，使大樓成為由樁基單獨撐起的高腳樓呢？3土墻等土層的影響研究3.1．地下土側(cè)壓力根據(jù)圖1所示，以建筑物或土堆每米長度作為計算單元（以下簡稱為計算單元），采用基坑工程有關(guān)軟件計算得到，在大樓北側(cè)邊界位置的地下，土堆及其下臥土層產(chǎn)生的土側(cè)壓力為68.6kN；在大樓南側(cè)邊界（也是基坑邊界）位置的地下，土側(cè)壓力為147kN。土側(cè)壓力的合力作用點位于地下埋深約2.6m處（見圖8），則相對于基坑底，大樓南北兩側(cè)邊界位置的水平土側(cè)壓力對大樓產(chǎn)生的推力彎矩分別為137.2kN·m和294kN·m。3.2小區(qū)內(nèi)纖維布樁等效受載力假設(shè)基樁具有足夠的剛度和強度，不發(fā)生拉斷、剪斷和超限彎曲變形。根據(jù)建筑物的長寬尺寸和設(shè)計布樁總數(shù)，計算單元內(nèi)平均布樁為2.16根，基樁等效受力模型如圖8所示。經(jīng)計算得到大樓自身抗傾覆彎矩為10044kN·m?？梢姡髽强箖A覆彎矩遠遠大于土堆及其下臥土層和大樓下臥土層共同產(chǎn)生的土側(cè)壓力的推力彎矩137.2kN·m和294kN·m，所以在基樁各項能力正常發(fā)揮作用的情況下，大樓自身的抗傾覆能力是沒有問題的。3.3-ab樁據(jù)了解，該大樓基礎(chǔ)采用Φ400-95-A管樁（也有說法為PHC-Φ400-80-AB），樁長33m。根據(jù)《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》GB13476-1999（以下簡稱《管樁國標》）中的Φ400-95-A有關(guān)參數(shù)，單樁抗裂剪力為173kN，單樁抗裂彎矩為54kN·m，單樁極限抗彎值為81kN·m。1樁間土抗剪能力經(jīng)計算，計算單元內(nèi)工程管樁的總抗裂剪力為373.7kN，大于大樓北側(cè)土側(cè)壓力68.6kN和南側(cè)土側(cè)壓力147kN?？梢姡魳堕g土沒有分擔(dān)任何的土側(cè)壓力，大樓樁基的抗剪能力完全能夠承擔(dān)土堆及其下臥土層產(chǎn)生的水平土側(cè)壓力，并且也不會發(fā)生超規(guī)定的裂縫；若考慮樁間土可承擔(dān)一定量的剪力，則大樓基樁的抗剪能力富余量會更大。2．土側(cè)壓力時，樁頂位移大力經(jīng)計算，計算單元內(nèi)工程管樁的總抗開裂彎矩為116.6kN·m，總極限抗彎為175.0kN·m；而大樓北側(cè)土側(cè)壓力產(chǎn)生的推力彎矩為137.2kN·m，南側(cè)土側(cè)壓力產(chǎn)生的推力彎矩為294kN·m?？梢姡魳堕g土不分擔(dān)土側(cè)壓力時，大樓基樁的抗彎能力是不夠的，這將導(dǎo)致大樓南側(cè)的基樁首先產(chǎn)生彎曲變形和出現(xiàn)水平環(huán)狀開裂，使大樓出現(xiàn)相應(yīng)的傾斜。但是，實際土側(cè)壓力產(chǎn)生的推力彎矩并沒有達到計算值這么大。在土堆及其下臥土層的土側(cè)壓力作用下，軟弱的樁間土沒有提前破壞出現(xiàn)流泥、管涌現(xiàn)象，說明有關(guān)的土側(cè)壓力的影響是有限的。實際工程中的基樁在受彎狀態(tài)下，將以樁頂位移變形來消減彎矩，很小的樁頂位移可消減很大的樁身彎矩；同時隨著樁頂位移的增大，被動土反力也增大，并達到新的平衡。因此，基樁承受的實際彎矩也要比上述計算值小。由于大樓南側(cè)的基樁存在著抗彎不足，可能會導(dǎo)致大樓產(chǎn)生小角度的傾斜或小位移，但不可能發(fā)生較大的危險性傾斜或突然倒塌。由此可見，大樓產(chǎn)生較大并具有危險性的傾斜，應(yīng)該是另有原因的。4土堆滲流應(yīng)耦合作用土堆堆土完成后，大樓未立即發(fā)生明顯的傾斜，這說明土堆及其下臥土層的承載能力已經(jīng)達到一個臨時穩(wěn)定平衡狀態(tài)。雖然根據(jù)土動本構(gòu)特征———土的應(yīng)變滯后于應(yīng)力變化，即土的應(yīng)變還沒有完成，但是土堆及其下臥土層的應(yīng)變過程也不是短時間完成的，更不能突發(fā)完成。那么，是什么原因改變了這一切呢？筆者認為，事故前突發(fā)的暴雨是引發(fā)事故的主要誘因。暴雨使得土體內(nèi)部的地下水水位和孔隙水壓力上升，產(chǎn)生了土堆下地下水滲流（其方向指向土體滑動方向，如圖9所示），加上土堆內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，形成了滲流應(yīng)力耦合。正是土堆內(nèi)的滲流應(yīng)力耦合作用改變了其原來的臨時穩(wěn)定平衡，從而導(dǎo)致大樓產(chǎn)生較大并具有危險性的傾斜。根據(jù)地下水滲流理論，由于地下水的運動非常緩慢，動能可忽略不計，由孔隙水壓力產(chǎn)生的動水力（D）以宏觀平均勢能體現(xiàn)，其滲流應(yīng)力耦合靜力平衡方程為：式中σ’ij,j———單元體積的有效應(yīng)力；pi———單元體積的滲透水壓力；地下水位以下各部位的動水力勢能，可看作是該點處單位重量的水所具有的全部機械能，其滲流動水力（D）的運動方程為：式中GD———作用在單位體積上的動水力（kN/m2）;rw———水的重度；A———滑動土體在浸潤線以下部分的面積；I———水頭梯度的平均值，可視為浸潤線兩端連線的坡度。假設(shè)基坑圍護墻頂（即-2.3m標高處）向坑外延長線土層以下的土體不發(fā)生滑動，地梁埋深范圍（0.0～-1.5m）的土體也不發(fā)生滑動。根據(jù)事故過程中樁間土未發(fā)生明顯的破壞和未發(fā)現(xiàn)流泥管涌的現(xiàn)象，則可認為建筑物范圍下臥土層未發(fā)生動水力作用下的滑動，只考慮土堆及通道范圍的土層發(fā)生了動水力作用的滑動。在圖9中，假定土堆及通道范圍在暴雨后的地下水埋深為0.5m，即地下水動水力梯度基點埋深為0.5m，最高水頭點位于土堆最高點以下0.5m。1土堆滲流動水力考慮到土堆坍塌滑動不是一次滑動完成到位，而是發(fā)生多次的內(nèi)部滑動。根據(jù)土堆南側(cè)最有可能發(fā)生第一次大滑動的土體范圍，計算得滲流動水力D1為1020kN。若土堆內(nèi)多個滑動面基本同時發(fā)生滑動時，即瞬間滑動完成到位，則土堆南側(cè)的滲流動水力D2為1770kN（南、北向不對稱）。經(jīng)計算，滲流動水力的作用點位于地面以下1.9m處，則動水力D1產(chǎn)生的彎矩為2754kN·m，動水力D2產(chǎn)生的彎矩為4779kN·m，兩者均小于10044kN·m，說明大樓自身的抗傾斜仍沒有問題。2創(chuàng)新基樁抗彎能力根據(jù)上述計算結(jié)果，滲流動水力D1和D2都遠遠超過基樁的總抗裂剪力373.7kN，可見大樓的基樁在滲流動水力的作用下，將發(fā)生不同程度的剪切破壞。同樣，土堆及其有關(guān)的土層產(chǎn)生的推力平均彎矩215.6kN·m和動水力D1產(chǎn)生的彎矩之和達到1235.6kN·m，遠遠超過基樁極限抗彎能力的175.0kN·m，兩者相差約7倍?？梢?，盡管有多種因素可以消減樁身承受的彎矩，但基樁實際所受到的外力彎矩遠遠大于其極限抗彎能力，所以建筑物發(fā)生傾斜是不可避免的。綜上分析，就是因為暴雨，使土堆及其下臥土層和大樓下臥土層與地下水之間發(fā)生了滲流應(yīng)力耦合（效應(yīng)），地下水由粘滯力占優(yōu)勢的層流運動轉(zhuǎn)變?yōu)閼T性力占優(yōu)勢的層流運動；在造成土堆自身滑動坍塌的同時，也導(dǎo)致了大樓基樁出現(xiàn)較大的彎曲變形和不同程度的剪切破壞。所以，整棟大樓出現(xiàn)危險性的“向西南方向傾斜”（根據(jù)報道）。3土堆殘余土堆上的動水力在防汛墻破損和局部潰堤以后，北側(cè)河道的河水與土堆、建筑物范圍的地下水建立了直接或間接的聯(lián)系。加之傾斜的大樓導(dǎo)致了基坑圍護墻（攪拌樁復(fù)合土釘墻）的破損，這樣坍塌后的殘余土堆（高度約2.5～4.0m）南側(cè)及大樓下臥土層內(nèi)部的孔隙壓力的性質(zhì)也發(fā)生了改變，即地下水水頭梯度增加，由孔隙壓力產(chǎn)生的動水力（D）體現(xiàn)的宏觀平均勢能增加（見圖10）。此時，殘余土堆南側(cè)及大樓下臥土層內(nèi)的地下水滲流應(yīng)力耦合加劇，并出現(xiàn)較大的新滑動面，表現(xiàn)出較活躍的蠕動變形與局部流動變形———地下水的動能增加；滲流形式由粘滯力占優(yōu)勢的層流運動又轉(zhuǎn)變?yōu)閼T性力占優(yōu)勢的層流運動。經(jīng)推算，土層中較活躍的慣性力占優(yōu)勢的層流運動區(qū)域位于地面以下1.9～2.3m區(qū)間，影響最深界面位于約-3.0m處。假定建筑物地梁埋深范圍（含土堆坍塌后緊貼建筑物的三角形范圍）的土體不發(fā)生滑動，地下水埋深為-0.5m，則計算單元內(nèi)土堆南側(cè)慣性力占優(yōu)勢的層流運動動水力D3為1983.7kN，大于D1和D2，動水力D3產(chǎn)生的彎矩為5356kN·m?？梢姡?dāng)土堆坍塌、防汛墻破損或潰堤、基坑圍護墻破損以后，不考慮粘滯力性質(zhì)范圍的動水力，僅考慮慣性力性質(zhì)范圍的動水力，就已經(jīng)大于土堆坍塌前的動水力，因此大樓將進一步加劇傾斜。5預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁樁頂斷裂失效機理大樓傾斜后，使其基礎(chǔ)中的管樁存在不對稱的受力狀態(tài)，即臨近基坑一側(cè)（大樓南側(cè)）的管樁出現(xiàn)超載受壓；臨近河道一側(cè)（大樓北側(cè)）的管樁出現(xiàn)卸載（最終受拉、上拔）。由于預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁具有先天性的脆性，在遇到堅硬持力層或偏心受力或超載的情況下，樁端或樁頂易產(chǎn)生剪切裂縫而爆裂脆斷，所以大樓南側(cè)的樁基超載受壓后，樁頂很容易發(fā)生爆裂破壞（見圖6），使整個建筑物在大傾斜的基礎(chǔ)上進一步失穩(wěn)傾斜，以致快速倒塌。在倒塌之前的瞬間，大樓產(chǎn)生的下滑力彎矩為12781kN·m，而大樓北側(cè)基樁抗拔產(chǎn)生的反力彎矩為3047kN·m，兩者相差4倍多，因此，大樓北側(cè)的管樁根本拉不住即將倒塌的大樓。6管樁傾斜失穩(wěn)的思考綜上計算與分析，導(dǎo)致大樓倒塌的原因是：1）大樓南北兩側(cè)的外力壓力差和暴雨后土堆內(nèi)地下水滲流應(yīng)力耦合綜合作用，導(dǎo)致大樓出現(xiàn)傾斜；2）防汛墻破損或潰堤、基坑圍護結(jié)構(gòu)破損以后，河水補給滲流，殘余土堆及大樓下臥土層中的滲流應(yīng)力耦合作用加劇，使大樓傾斜進一步加?。?）建筑物傾斜后，其南側(cè)的管樁出現(xiàn)超載受壓，樁頂爆裂破壞，使整棟大樓在已出現(xiàn)較大傾斜的基礎(chǔ)上，進一步傾斜失穩(wěn)，并最終快速倒塌。在這一事故中，應(yīng)總結(jié)和吸取的教訓(xùn)很多，但筆者認為，在今后的工程設(shè)計與施工中，以下3個問題值得思考和探討。1）臨近建筑物的一側(cè)進行深基坑開挖施工，同時另一側(cè)堆積太高的土堆是不應(yīng)該的。但是，如果在暴雨來臨之前，能夠?qū)ν炼巡扇∮行У姆烙晁采w和