結構事故分析與處理AnalysisandTreatmentofStructureAccidents莫玉2014年3月§2.1地基事故§2.2基礎工程事故第2章地基與基礎(ReinforcedConcreteStructure)

§2.1地基事故(Sub-groundAccidents)一、地基事故的分類及原因

1.地基變形造成工程事故當總沉降量或不均勻沉降超過建筑物允許沉降值時，影響建筑物正常使用造成工程事故。特別是不均勻沉降，將導致建筑物上部結構產生裂縫，整體傾斜，嚴重的造成結構破壞。建筑物傾斜導致荷載偏心將改變荷載分布，嚴重的可導致地基失穩破壞。2.地基失穩造成工程事故

地基承載力不足造成的地基土體發生剪切失穩；基坑、邊坡土體的剪切失穩

地基破壞的三種形式(a)整體剪切破壞；(b)局部剪切破壞；(c)沖切剪切破壞

整體剪切破壞——當上部荷載很大，超過地基極限荷載時，地基土從基礎一側到另一側發生連續滑動面的破壞。破壞時基礎四周地面隆起，房屋傾倒乃至倒塌。這種破壞多在壓縮性較小的密實砂和堅硬粘土中發生。

沖切剪切破壞——上部荷載使得地基土連續下沉，建筑物產生過大不容許沉降的破壞。破壞時基礎切入土中，無滑動面，地面不隆起，房屋沒有很大傾斜更不會倒塌。這種破壞多發生在壓縮性較大的松砂和軟粘土中。

局部剪切破壞——介于前二者之間。破壞時滑動面從基礎一邊開始，終止于地基中某點，地面略有隆起但房屋不會明顯傾斜或倒塌。二、地基失穩造成的工程事故1、加拿大特朗斯康谷倉的傾覆

長59.44m,寬23.47m。高31.0m。容積36368m3。谷倉為圓筒倉，每排13個圓筒倉，共5排65個圓筒倉組成。谷倉的基礎為鋼筋混凝土筏基，厚61cm，基礎埋深3.66m。谷倉于1911年施工，1913年秋完工。谷倉自重20000t，相當于裝滿谷物后滿載總重量的42.5%。1913年9月起往谷倉裝谷物，仔細地裝載，使谷物均勻分布，10月當谷倉裝了31822m3谷物時，發現1小時內垂直沉降達30.5cm。結構物向西傾斜，并在24小時間谷倉傾倒，傾斜度離垂線達26°53‘。谷倉西端下沉7.32m，東端上抬1.52m。

1913年10月18日谷倉傾倒后，上部鋼筋混凝土筒倉艱如盤石，僅有極少的表面裂縫。

(a)加拿大谷倉（a）谷倉因地基滑動傾倒現場；（b）谷倉傾倒事故剖面示意

為修復筒倉，在基礎下面設置了70多個支承于深16M的基巖上的混凝土墩，使用388只500KN千斤頂，逐漸將傾覆的筒倉糾正。修復后筒倉位置比原來降低了4m。新的基礎在地表下深10.36m。經過糾傾處理后,谷倉于1916年起恢復使用。事故原因：

對谷倉地基土層事先未作勘察、試驗與研究，采用的設計荷載超過地基土的抗剪強度。基礎下有16m厚的軟黏土層，其承載力為276kpa，破壞時壓力329kPa

是典型的地基整體滑動強度破壞處理辦法：2、美國紐約某水泥筒倉地基失穩破壞

這座水泥倉庫位于紐約市漢森河旁，它的上部結構為圓筒形殼，直徑d＝13m，高度23.33m；其基礎為整塊鋼筋混凝土筏板基礎，筏板厚度0.78m，基礎埋深2.80m。

1940年當這座水泥倉庫裝載水泥后，發生嚴重下沉，隨后整座水泥倉庫發生傾倒。傾倒后倉庫的傾角達450。地基土被擠出地面高5.18m。與此同時，離水泥筒倉凈距23m以外的辦公樓，受水泥倉庫傾倒的影響也發生傾斜。美國水泥倉庫事故（α）水泥倉庫因地基滑動傾倒現場；（b）倉庫傾倒事故剖面圖(a)(b)事故原因：

紐約水泥倉庫的地基土分為4層：

表層①為粘土，黃色，厚度5.49m；第②層為粘土，藍色，層狀，標準貫入試驗錘擊數N＝8～11，估計承載力為84—105kPa，厚度17.07m；

第③層為碎石混粘土，棕色，厚度僅1.83m；

第④層為巖石。水泥倉庫筏板基礎位于表層黃色粘土中部；

由于黃色粘土層不厚，基礎底面以下僅約2.7m，基礎寬度超過13m，地基主要持力層為第②層藍色粘土；

水泥倉庫高度達23.33m，裝載水泥后的基地荷載估計在200～250kPa之間，遠大于藍色粘土的地基承載力，使倉庫地基發生剪切強度破壞而整體滑動；

由于地基軟弱，地基整體滑動產生巨大的滑動力，使滑動體外側土發生變形，也導致23m外的辦公樓地基變形而傾斜。

美國紐約水泥倉庫設計時沒有認真進行地基承載力的計算，這是這次事故的主要原因。當這座水泥倉庫開始發生大量沉降災難預兆時，如果立即卸除儲藏的極重的水泥，很容易挽救，可以在倉庫下托換基礎。但倉庫負責人僅安排了仔細進行沉降觀測與記錄，未采取卸荷措施，結果發展成整體滑動破壞的災難。

[應吸取的教訓]

這兩個工程事故是典型的地基整體剪切破壞實例。它造成的災害比一節所述因地基過大不均勻沉降給工程帶來的損害嚴重得多，它必須引起土建工程技術人員的極度重視。

設計人員應當認識到地基沉S與地基受到的壓應力P有密切關系，如圖所示。當P不大時P-S呈直線關系，地基為壓密階段(Ⅰ)；

P增大后，P-S呈曲線關系，這時基礎邊緣出現塑性變形區，

圖P-S關系曲線稱為局部剪裂階段(Ⅱ)；當P很大時，地基塑性區連成一個連續滑動面，稱為滑動破壞階段(Ⅲ)，它會使基礎以上的建筑物傾倒。地基承載力的基本值f0應取(Ⅰ)和(Ⅱ)的交界處P。，或取(Ⅱ)和(Ⅲ)交界處PU的50％。

如地基壓應力達到PU，對于壓縮性較小的土層，必將產生整體剪切破壞；而對于壓縮性較大的土層，則會產生沖切剪切破壞。

所以設計人員應當慎重對待工程勘察報告提供的地基承載力建議值，嚴格計算基礎的實際土壓力。若對勘察報告的建議值有懷疑，可以在現場做載荷試驗驗證。

施工人員在天然地基上建造大中型工程時，應復核設計地基承載力的合理性。一旦發現地基產生較大的沉降或傾斜，必須立即停工，會同勘察、設計和使用單位共同研究，采取必要措施，防止地基和建筑物發生災難性破壞。二、地基不均勻沉降造成的工程事故

不均勻沉降對上部結構產生的影響——

磚墻開裂；（磚砌體受彎，受主拉應力過大開裂）磚柱斷裂；水平縫（下部）及垂直縫（上部）鋼筋砼柱傾斜或斷裂；（裂縫多為水平縫，且集中在柱身變截面處及地面附近）高聳建筑物傾斜；1、某教學樓的不均勻沉降

某教學樓為三層磚混結構，二、三層為現澆鋼筋混凝土大梁和預制樓板，屋蓋為木屋架、瓦屋面，西側輔助房間及樓梯間為四層鋼筋混凝土現澆樓蓋。設計時即發現基礎落在不均勻土層上：東南角下為較堅實的亞粘土，而西北總面積2／3范圍內卻有高壓縮性有機土及泥炭層，厚2—3m(圖)。于是對可能位于泥炭層上的基礎采用鋼筋混凝土條形基礎，并將地基承載力由120kN／m2降至80kN／m2，同時在二、三層樓板下設置圈梁。建成使用后第二年即多處開裂，房屋微傾，不得不停止使用，12年后進行加固。(a)房屋軸線西側；(b)房屋軸線東側裂縫狀況：

東、西立面墻體裂縫如圖c、d所示。其中最寬的裂縫在西立面⑧軸線邊，自墻頂起直達房屋半高，裂縫寬30mm左右；⑧軸線屋架下內縱墻的壁柱也被拉裂，錯開30mm左右，這是北墻一端下沉，與內縱墻相連的拉梁將壁柱拉裂的緣故。在二、三層樓面上，⑨、⑩軸線附近有貫通房屋東西向的裂縫，寬10～20mm不等。房屋東南角沉降小，西北角沉降大，相對沉降差82—84mm左右(e)。西北南東西1)本樓位于古池塘邊緣，泥炭層邊線正處于房屋對角線上。如果該樓在規劃設計時東移、西移或做穿越泥炭層的樁基、采用換土地基等措施，都能避免此事故。所以事故主因是未處理好勘察、地基處理和建筑總平面三者關系。2)對已發現局部超壓縮性軟弱地基的處理方案是錯誤的。僅采用降低地基承載力、加大鋼筋混凝土基礎底面積、在二、三層設置圈梁的做法，對地基實際發生的不均勻變形基本不能起作用。3)房屋上部結構布置未適應地基變形特色。有三點失誤：

①房屋中部有兩個空曠樓梯間，整體性在此處嚴重削弱；

②教室，三層基本上是一個56m寬12m的大房間(中間只有兩排磚垛作為橫墻相連)，整個房屋的空間剛度太弱；

③房北端為階梯教室，室內填土從北向南坡下，加劇了北部的沉降。

事故原因分析:加固處理做法：(a)平面；(b)頂層圈梁；(c)三層圈梁；(d)二層圈梁；(e)窗間墻和墻面做法。1)暫拆木屋蓋，在三層頂部增設一現澆內外墻交圈的鋼筋混凝土圈梁540mm×350mm，4?22，做完后再將木屋蓋恢復；2)在三層樓板頂皮標高處加設一層現澆內外墻的鋼筋混凝土圈梁(室外160mm×680mm，8?22；室內260mm×200mm，4?22)，每隔lm用螺栓穿過磚墻加以連接；3)在二層樓板頂皮標高處也增設類似圈梁4)在外墻窗間墻和4個墻角，加設上下貫通的鋼筋(4?16)，并錨固在基礎上，保證各層圈梁的共同工作；5)外墻內外兩面加設?6＠200的鋼筋網并噴一層30mm水泥砂漿。目前，此教室樓已安全使用多年，未發現新的開裂情況。2、比薩斜塔1）工程狀況：。比薩斜塔基礎底面傾斜值，經計算為0.093，即93％,等于我國國家標準允許值的18倍。由此可見，比薩斜塔傾斜已達到極危險的狀態，隨時有可能倒塌。第一期，自1173.9.8-1178，建至第4層高度約29m時，因塔傾斜而停工。第二期，中斷94年后，1272年-1278年，建完第7層高48m，再次停工。第三期，經第二次施工中斷82年后，于1360年再復工，至1370年竣工，全塔共八層，高度為55m。

塔總重約為145MN，塔身傳遞到地基的平均壓力約500kPa。目前塔北側沉降量約90cm，南側沉降量約270cm，塔傾斜約5.5°，十分嚴重。比薩斜塔向南傾斜，塔頂離開垂直線的水平距離已達5．27m，等于我國虎丘塔傾斜后塔頂離開水平距離的2．3倍。幸虧比薩斜塔的建筑材料大理石條石質量優，施工精細，尚未發現塔身有裂縫。2）事故原因分析（1）鐘塔基礎底面位于第2層粉砂中。施工不慎，南側粉砂局部外擠，造成偏心荷載，使塔南側附加應力大于北側，導致塔向南傾斜。（2）塔基底壓力高達500kPa，超過持力層粉砂的承載力，地基產生塑性變形，使塔下沉。塔南側接觸壓力大于北側，南側塑性變形必然大于北側，使塔的傾斜加劇。（3）鐘塔地基中的粘土層厚達近30m，位于地下水位下，呈飽和狀態。在長期重荷作用下，土體發生蠕變，也是鐘塔繼續緩慢傾斜的一個原因。（4）在比薩平原深層抽水，使地下水位下降，相當于大面積加載，這是鐘塔傾斜的重要原因。在60年代后期與70年代早期，觀察地下水位下降，同時鐘塔的傾斜率增加。當天然地下水恢復后，則鐘塔的傾斜率也回到常值。3）事故處理方法（1）卸荷處理為了減輕鐘塔地基荷重，1838年至1839年，于鐘塔周圍開挖一個環形基坑。基坑寬度約3.5m，北側深0。9m，南側深2.7m。基坑底部位于鐘塔基礎外伸的三個臺階以下，鋪有不規則的塊石。基坑外圍用規整的條石垂直向砌筑。基坑頂面以外地面平坦。（2）防水與灌水泥漿為防止雨水下滲，于1933—1935年對環型基坑做防水處理，同時對基礎環周用水泥漿加強。（3）為防止比薩斜塔散架，于1992年7月開始對塔身加固。以上處理方法均非根本之計。其關鍵應是對地基加固而又不危及塔身安全。其難度是很大。§2.2基礎工程事故

(FoundationAccidents)

除地基工程事故外，基礎工程事故也將影響建筑物的正常使用和安全。基礎工程事故可分為基礎錯位事故、基礎構件施工質量事故、以及其它基礎工程事故。

基礎錯位事故是指因設計、或施工放線造成基礎位置與上部結構要求位置不符合。如工程樁偏位，柱基礎偏位，基礎標高錯誤等。

基礎施工質量事故類型很多，基礎類型不同，質量事故不同。如樁基礎，發生斷樁、縮頸、樁端未達設計要求、樁身混凝土強度不夠等；又如擴展基礎，混凝土強度未達要求，鋼筋混凝土表面出現蜂窩、露筋或孔洞等。1、混凝土樁質量問題

深圳某15層綜合樓采用鉆孔灌注樁。主樓部分99根，直徑φ1000；副樓部分23根，直徑φ800。設計單樁承載力分別為4500kN和3200kN，設計樁長47m，要求進入中風化花崗巖不少于1m；樁頂混凝土應澆筑至設計樁頂標高以上0.5～0.8m。施工采用黃河鉆，正循環泥漿護壁鉆孔，導管水下澆筑混凝土成樁。該場地土層自上而下為：

1)填土，未經壓實的亞粘土，厚2～4m；

2)淤泥，軟一流塑狀，高壓縮性，厚2～4m；

3)淤泥質土，軟塑，高壓縮性，厚3～5m；

4)可塑性粘土及少量砂層；

5)地下水埋深2m，蘊藏量豐富。

(1)樁基質量問題

樁施工后先發現有21％混凝土試塊未達到設計強度要求。抽測25根φ1000的樁，其中有局部斷裂、泥質夾層、承載力低的三類樁6根，有其它局部問題的二類樁7根。

開挖檢查，36＃及39＃樁挖至-7.5m樁頂設計標高處無混凝土，其中36＃樁在-13m處、39＃樁在-11.7m處始遇硬物。對7根樁進行鉆探抽芯檢查，發現：

1)有5根樁尖未進入中風化花崗巖層；

2)有5根樁孔底部沉渣超厚；

3)有4根樁有一處以上樁芯破碎不連續；

4)有1根為斷樁；

5)樁身普遍局部含泥、砂，集料松散(設計要求混凝土為C28，個別芯樣混凝土抗壓強度只有16.8MPa)

對質量問題嚴重的31＃及l07＃樁進行單樁靜載試驗：3l＃樁壓至5400kN破壞，容許承載力為2250kN。其中摩擦力約占90％；107＃樁壓至6400kN破壞，容許承載力2800kN，摩擦力占70％。說明這些樁只能起摩擦樁作用，且均未達到4500kN的設計承載力要求。(2)質量問題原因分析

1)入巖程度判斷失誤。由于停鉆前終孔采樣中已含有中風化顆粒，誤認為已進入中風化層而停鉆。經抽芯鑒定，樁尖只是接近而未進入中風化層，離設計要求更遠。

2)沉渣超厚普遍。由于孔深在45m以上，孔徑大，擴孔要求高，泥漿泵能量低(泵量180m3／h)，泥漿循環速度慢(泵入泥漿經15分鐘才能返回地面)，排渣困難，以至于從提升鉆具至下導管澆筑混凝前的一段時間內，會在孔底沉淀不少渣土。

3)樁芯破碎及斷樁。由于導管埋管及拆管長度控制不嚴，有時導管埋入深度不夠或埋入混有泥漿的浮漿層(從鑿開樁頭時看，有的浮漿層競有2m厚)，有時拆管過快或幾節一起拆(導致混凝土側壓力不足，被泥漿擠入)，造成樁身夾泥、混凝土松脆破碎及斷樁等現象。如何測量鉆孔深度？4)樁頂未達設計標高。原因有三：(a)由于所澆筑的混凝土不斷上升，混凝土面以上的泥漿不斷被擠出孔外，使所剩的泥漿變稠甚至形成泥團，受到側邊鋼筋籠的阻滯，上升的混凝土難于進入混凝土保護層內，形成大體以鋼筋籠為邊界的假樁側壁，這時測得混凝面的標高為假標高；待澆筑完混凝土后，初凝前混凝土內的側壓力增加，它與樁壁間的側壓力差會使混凝土又擠入保護層，使混凝面的標高下降(b)導管埋入混凝土太深，拔出后造成混凝土頂面下降；(c)混凝土的側壓力大于淤泥孔壁壓力，會使混凝土擠向四側，形成鼓肚使混凝土頂面下降。鉆孔灌柱樁混凝土頂面下降原因示意

1導管；2泥漿；3混凝土面；4鋼筋籠；5被鋼筋籠阻滯的泥團；6孔壁；7測錘；8側壓力差5)樁身混凝土強度低。原因有二：(a)由于要使混凝土充填鉆孔，必須增加混凝土的流動性，提高其水灰比，必然會降低強度。(b)由于混凝土內混有泥漿也必然會降低強度。(3)事故處理辦法1)減層：考慮到有相當部分的樁未按設計要求進入中風化花崗巖層、樁底沉渣過厚、試樁承載力過低(試驗結果與摩擦樁承載力相應)等原因，決定上部由15層減至10層。2)減層后的樁基尚需作如下加固處理：

(a)挖除樁頂積土，支模板接樁至設計標高；

(b)通過鉆探抽芯孔，以清水高壓清洗樁身混凝土破碎帶，壓灌水灰比為0.5的純水泥漿入裂隙及芯孔；

(c)設法加固各樁之間的承臺和承臺梁，使它們盡可能連成一個整體，調整各樁間可能產生的不均勻沉降。作業案例分析1.工程概況1)設計要點某新建學校一次性建設了近20000m2的六層或七層框架結構學生宿舍樓，其結構平面如圖12.7所示。基于建筑功能上的特殊要求，宿舍樓的前后均被設置了寬度為1.2m的封閉式晾曬衣服的廊道，中間為寬度1.8m的過道。因此結構平面內共出現了6道長的縱向大梁，其中3道為縱向框架梁，3道為縱向承重梁，均擁有足夠的剛度。注：1.邊框架梁300×