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摘要：本文对某在建深基坑坍塌原因的分析及建议进行了分析探讨。
关键词：深基坑；坍塌；原因；建议
1工程概况和试验结果
项目位于济南市高新区，基坑东侧和北侧距离已建高层建筑约十米，基坑安全等级为二级。采用锚杆喷护加支护桩进行支护。关于筋体材料，土钉采用2Φ25钢筋，锚杆采用2Φs15.2锚索，各三道间隔布置。对于锚杆，基坑开挖支护后两处坑壁发生了坍塌。根据对锚杆和土钉进行抗拔试验，总共检测39根锚杆和9根土钉，不合格率较高，主要有三种情形：
（1）位移不收敛，承载力达不到设计要求。在某级荷载下位移达不到收敛。第一种情况是从第三级荷载开始，本级荷载单位荷载下的位移大于上一级的五倍时，终止加载。第二种情况是本级荷载下产生的位移大于1mm,延长观测60mm,产生的位移大于2mm，视为不收敛。本次检测中土钉3根发生此类不合格，锚杆有9根此类不合格。
（2）弹性变形不符合规范要求。弹性变形是指锚杆自由段的弹性变形，因此该规定仅针对锚杆，土钉没有该要求。有时候锚杆承载力能满足设计要求，但是如果弹性变形不够，锚杆破坏没有预兆，不利于预警，无法及时疏散人员，也应当判定为不合格。弹性变形用最大位移减去卸载至10%的位移的差值计算，《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012要求弹性位移量不小于杆体自由段长度理论弹性伸长量的80％。
举例说明，对某根锚杆，自由段长度为5m,锚固段为12m,抗拔承载力检测值为289.3kN,锚索弹性模量Es=1.95×105N/mm2,截面积A=280mm2,自由段的理论弹性变形的80%根据下式计算，凡是回弹变形量小于该值的视为不合格。该类不合格的锚杆总共13根。
=21.19mm
（3）杆体破坏，主要体现在锚索断裂，多发生于浅表位置。此类不合格在此次检测锚杆中的数量有5根。
2锚杆发挥作用的机理
基坑外地面荷载、外侧水、土压力作用于支护桩,支护桩通过槽钢腰梁、垫板和锚具向杆体传递,向锚杆施加拉力。锚杆受力后自由段产生弹性变形,通过杆体,把拉力传递到锚固段,锚固段的浆体和钢筋的刚度较为接近,变形协调共同作用,拉力经锚固体传递至周围土中,锚固体和土之间存在摩擦力,因此杆体的轴力沿轴向减小。在这个过程中锚固体会产生拉伸变形,同时与周围土体产生剪切变形。随着拉力增加,拉伸变形和剪切变形都会增大,锚杆的拉力通过锚固体向深处土传递,锚固体与周围土之间摩阻力随之增大;如果拉力大于,拉力持续向深处传递,锚固体与土体之间的粘结摩阻力来抵抗这种拉力,这时,锚固体与土体之间的剪切变形逐渐增加,粘结摩阻力也逐渐增大,直到平衡坑外侧土体的压力。当拉力继续增大,粘结摩阻力不能平衡拉力,导致锚固体与土之间的剪切变形快速增加,不能达到收敛,锚杆被整体拔出，从而破坏。这种摩阻力既包括摩擦力，也包括咬合力。它的大小和注浆压力密切相关。
锚固段长度对土锚极限承载力的影响并非一直有效果，增加锚固段长度,可以提高承载力,但达到一定长度后,单纯增加长度对承载力的增加比较有限。这原因在于；拉力型锚杆的锚固段前段出现应力集中,拉力不能向锚固段后部进行有效传递,锚固段后部摩阻力不能充分发挥。传统的荷载集中型锚杆沿锚固段全长的黏结应力一般呈现分布区间短、黏结应力峰值高的特点。锚固段周边岩土体的抗剪强度不能被充分发挥，利用率低，即使增加锚固段长度，也不能有效提高锚杆抗拔承载力。
3基坑坍塌原因分析
根据土钉和锚杆发挥作用的机理的可以看出，土钉和锚杆的抗拔承载力对基坑的安全尤为重要。抗拔承载力影响因素主要摩阻力和长度，如果要增加抗拔承载力，需要从这两方面考虑。由于基坑支护设计和施工前没有进行有效的现场勘察，对地下管道、既有建筑物、河道等复杂因素没有考虑，北部锚杆打穿地下管道导致漏水，西部河道渗水严重，降低了土的抗剪强度，使土和杆体之间的摩阻力减小，于是土钉和锚杆的抗拔承载力降低。附近建筑物地下车库和该基坑距离小于锚杆的设计长度，加之现场监理监管松懈，施工队伍施工经验不足，注浆压力不够，实际施工过程中注浆压力仅为0.2-0.3Mpa,会导致浆液不能深入的渗透到土层中，土和锚杆之间的摩阻力不够。由于碎石土中石块较大，采用冲击钻头钻孔，造成扰动，产生较大空隙，如果注浆压力不够将严重影响抗拔承载力。
锚杆的弹性变形不够，主要是因为锚索不合格或自由段长度不够造成的，而后者是工程中更常见的情况。如果锚杆总长满足要求，那么注浆过多会导致自由段长度不够。
杆体断裂的原因可能是由于杆体材料本身质量达不到要求，也不排除在施工和检测过程中锚索受到损伤，导致伤口处应力出现集中发生破裂。此外施工过程中管理混乱，存在不同规格的钢筋锚索混用的现象，导致有些钢筋误用了直径较小的钢筋，检测过程中发生断裂。
除了锚杆本身不合格外，槽钢腰梁不符合设计的型号，刚度较弱，容易变形，不能维持支护结构的整体性和稳定性，部分锚索没有预加拉力，存在明显的偷工减料现象，这些也是导致基坑坍塌的重要原因。
4处理措施和设计施工改进建议
关于该事故基坑的处理，建议如下：（1）对于既有基坑支护土钉和锚杆扩大检测范围，对不合格的锚杆土钉进行增打，由于不合格数量较多，可在既有六道土钉和锚杆之间增设五道土钉或锚杆，需设计单位出具设计文件后实施。（2）对河道所在的方向增设止水帷幕，修补破坏的地下管道，减轻地下水对基坑稳定的不利影响。（3）加强基坑变形监测，建立预警机制，必要时暂停施工，防止突发事故造成人员伤亡和经济损失。（4）满足施工条件时及时进行回填。
为避免此类事故的再次发生，提出以下建议：
（1）采用更先进的基坑锚杆技术，根据现场的实际情况采用合理的支护形式，注重经济性和安全性的统一。对于传统的锚杆，限于土质或场地条件，承载力难以满足要求时可以考虑以下形式的锚杆。
可重复高压灌浆型锚杆：采用特殊的注浆套管、注浆枪,对锚杆的锚固段注浆体进行二次或多次高压劈裂灌浆,可显著提高锚固体与土体的粘结强度，进而增强锚杆承载力,保证锚固体周边土体的劈裂注浆形成的范围大且均匀，具有良好的地层加固效应。通常可提高大约一倍。
扩体锚杆：采用高压喷射原理、机械方法（例如台湾久耀地锚工程技术公司研发的旋转叶片进行底端扩大）或爆破在锚杆锚固段端部对土体进行切割扩孔并置换充填水泥浆,形成圆柱状的扩大,充分发挥端承作用,显著提高抗拔承载力,第一种方法通常称作旋喷灌浆扩体锚杆，扩大直径约0.7到0.8m,甚至1.2m。台湾久耀公司研发的技术将底端扩成直径为0.6m的锥体。扩体部位可以是在端部，也可以放在中间部位进行多段扩体。
单孔复合锚固法(荷载分散型锚杆)：在同一钻孔中安装几个单元锚杆，每个单元锚杆有独立的杆体，自由长度和固定长度，荷载各自通过千斤顶张拉，通过预先补偿张拉(补偿各单元锚杆在同等荷载下因自由段长度不等而引起的位移差)，使所有单元锚杆承受相同荷载，可以解决锚杆长度增加承载力却不能继续增加的问题。
分散压缩型锚杆：属于荷载分散型锚杆的一种特殊形式，将无粘结力的钢绞线加工成U字型,分别装入按一定间距配置的“承载体”上,锚杆受力时锚固体内部以承压方式作用灌浆材料,形成分散压缩型锚固体,当锚杆功能完成后,钢绞线可从无粘结的包裹体中取出。
锚固体长度范围内,粘结摩阻应力均匀分布,充分地调用土体的抗剪强度,提高单位锚固段长度上的锚杆承载力。承载体对锚固体浆体的压缩,引起径向扩张,提高锚固体与土体之间的粘结摩阻力，进而提高了土体剪抗切强度(=c+σtgφ),提高承载力。
（2）勘察单位进行提供详尽的勘察，供岩土工程设计使用，在实际工程中存在勘察点数量和钻孔深度不满足岩土工程勘察规范要求的现象，不能体现完整的场地土质情况，使设计工作发生偏离。岩土工程的设计单位在基坑支护设计前应当进行充分的现场勘察，要求甲方提供周围地形、建筑物的图纸资料。遇到河道应当考虑进行隔水设计，例如可以采用止水帷幕、降水等措施，遇到地下管线应当避开。
（3）建设单位或总承包单位应当选择合格的有成熟的施工经验的基坑支护工程分包商。基坑支护的施工单位应当根据规范和图纸进行施工，加强内部的组织管理，防止材料混用。如果遇到现场情况和设计图纸相冲突的情况，应当申请设计变更，不能擅自进行更改，采用更先进的工艺，根据不同土质采用合适的施工机具，控制施工质量。监理单位应当实施有效的监督管理职责，对不符合设计和规范要求的施工措施进行纠正，杜绝偷工减料的现象。
参考资料:
[1]程良奎胡建林张培文岩土锚固技术新发展《工业建筑》2010年第40卷第1期
[2]程良奎岩土锚固研究与新进展《岩石力学与工程学报》2005年11月第24卷第21期
[3]唐保付土层锚杆的承载特性及锚固机理分析《资源环境与工程》2006年11月第20卷增刊