近幾年由于城市建設規模不斷擴大,基礎設施及房屋建筑項目不斷增多,與之相對應的施工安全事故發生率也呈上升趨勢,尤其是深基礎土方施工存在的問題更為嚴重;僅2002年上半年,某市某縣就發生了3起塌方死亡事故,給國家財產和人民生命安全造成巨大的損失,通過對以上事故的調查,我們發現其原因有以下幾個方面:
一、各工程參建主體施工安全意識淡薄,施工安全管理人員不到位,無施工安全管理制度和責任追究制度。
二、施工操作人員無深基礎土方施工經驗,無自我防護意識,大部分是臨時雇來的農民工。
三、施工單位未派出專職安全員,未制定基礎開挖方案,基礎邊坡防護措施不當,重要部位的支撐未經設計驗算。
四、舍不得投入,用于安全防護的材料,未按設計要求及規格和型號購置。
五、安全監督管理機構監督不及時、不到位,執法不嚴。
六、對深基礎土方施工可能發生安全事故產生的機理分析不清,采取的措施無針對性。
為此,深基礎土方施工時,必須切實加強施工安全的監督管理工作;選擇施工隊伍時必須嚴把資質審查關;開工前,必須制定科學、嚴密的施工組織方案;施工過程中,必須嚴把材料關、工序關。這里,著重談談影響深基礎土方施工安全的幾點原因的機理和防治措施。
其實,影響深基礎施工安全不外乎是因為滑坡、邊坡塌方、硫砂三種原因,只要認清了這三種情況產生的機理,并采取針對性的措施,就能確保施工安全。
一、滑坡的產生和防治
1.滑坡的產生
(1)水的作用:多數滑坡的發生都與水的參與有關,水的作用能增大土體重度,降低土的抗剪強度和內聚力,產生靜水和動水壓力。因此,滑坡多發生在雨季。
(2)震動的影響:如工程中采用大爆破而觸發滑坡。
(3)土體(或巖體)本身層理發達,破碎嚴重,或內部夾有軟泥或軟弱層受水浸或震動而滑坡。
(4)土層下巖層或夾層傾斜度較大,上表面堆土或堆材料過多,增加了土體重量,致使土體與夾層間、土體與巖石之間的抗剪強度降低而引起滑坡。
(5)不合理的開挖或加荷,引起土體內部存在著有利于滑坡發生的條件,在開挖坡腳或在山坡上加荷過大時,破壞原有的平衡而產生滑坡。
(6)如路堤、土壩筑于尚未穩定的古滑坡體上,或者易滑動的土層上,使其重心改變觸發產生滑坡。
2.滑坡的防治
(1)排水:
①將滑坡范圍以外的地表水設置成道環形截水溝,使水流入滑坡區域以內。
②為迅速排出在滑坡范圍以內的地表水和減少下滲,應修設排水系統縮短地表水流經的距離,主溝應與滑坡方向一致,并鋪砌防滲層,支溝一般與滑坡方向成30°~45°斜交。
③妥善處理生產、生活、施工用水,嚴防水的浸入。
④對于滑坡體內的地下水,則應采取疏干和引出的原則,可在滑坡體內修筑地下滲溝,溝底應在滑動面以下,主溝應與滑坡方向一致。
(2)使邊坡有足夠的坡度,并應盡量將土坡削成較平緩的坡度或做成臺階形,使中間具有數個平臺以增加穩定。土質不同時,可按不同土質削成不同坡度,一般可使坡度角小于土的內磨擦角。
(3)對于施工地段或危及建筑物安全的地段設置抗滑結構,如抗滑擋墻、抗滑柱、錨桿擋墻等。這些結構物的基礎底必須設置在滑動面以下的穩定土層或基巖中。
(4)將不穩定的陡坡部分削去,以減輕滑坡體重量、減少滑坡體的下滑力,從而達到滑體的靜力平衡。
(5)嚴禁隨意切割滑坡體的坡腳,同時也切忌在坡體被動區挖土。
二、邊坡的塌方和防治
1.邊坡塌方的發生
(1)由于邊坡太陡,土體本身的穩定性的不夠而發生塌方。
(2)氣候干燥,基坑暴露時間長,使土質松軟或粘土中的夾層因浸水而產生潤滑作用,以及飽和的細砂、粉砂因受振動而液化等原因引起土體內抗剪強度降低而發生塌方。
(3)邊坡頂面附近有動荷載,或下雨使土體的含水量增加,導致土體的自重增加和水在土滲流產生一定的動力壓水,以及土體裂縫中的水產生靜水壓力等原因,引起土體剪應力的增加而產生塌方。
2.邊坡塌方的防治
(1)對開挖深度大、施工時間長、坑邊要停放機械等應按規定的允許坡度適當的放平緩些,當基坑(槽)附近有主要建筑時,基坑邊坡的最大坡度為1:1~1:1.5。
(2)開挖基抗(槽)時,若因場地限制不能放坡或放坡后所增加的土方量太大,為防止邊坡塌方,可采用設置擋土支撐的方法。
(3)防止地表水流入坑槽和滲流入土坡體。
(4)嚴格控制坡頂護道內的靜荷載或較大的動荷載。
三、流砂的產生和防治
1. 流砂的產生
流砂的發生與動水壓力有關,動水壓力系指地下水在滲流時受到土顆粒的阻力,同時水對土相應地產生一種反作用力,這一反作用力就稱為動水壓力。現取一柱壯土體A1A2為脫離體,見圖1,其橫斷面為F,由平衡條件:
圖1 動水壓力隔離體簡圖
γωh1F+nγωLFcosα+(1-n) γω
LFcosα-LFT-γωh2F
式中:γωh1F——A1處的總水壓力,其方向與
水流方向一致;
γωh2F——A2處的總水壓力,基方向與水流方向相反;
nγωLFcosα水柱重量在水充方向的分力(n為土的孔隙率)。
(1-n)nγωLFcosα——土骨架(顆粒)重力在水流方向的分力;
LFT——土骨架(顆粒)對水流的阻力(T為單位阻力)。
現將上述平衡式整理得:γωh1-γωh2+γωLFcosα-LT=0
因為cosα=(Z1- Z2)/L,代入上式得:
γωh1-γωh2+γω Z1-γω Z2-LT=0或γω(h1-h2+Z1-Z2)-LT=0
又因h1+Z1=H1,h2+Z2=H2,代入則得:
γω(H1- H2)-LT=0
則T=γω〔(H1- H2)/L〕,又因I=〔(H1- H2)/L〕所以T=γωI
設火在土中滲流時,對單位土體的壓力為GD,作用力等于反作用力,但方向相反,可知
GD=-T=-γωI
GD即為動水壓力,它與水力坡度(I)成正比水位差H1- H2愈大,GD愈大;滲透路線愈長,GD愈小。其作用的方向與水流方向相同。當水流在水位差作用下,不但使土顆粒受到水浮力,而且還使土顆粒受到向上的壓力,當動水壓力等于或大小土的浸水重度(或浮重度)γω`則土顆粒失去自重,處于懸浮狀態,此時土的抗剪強度等于零,土顆粒就隨著滲流的水一起流動,這種現象就稱“流砂”。
2. 流砂的防治
主要是消除、減小或平衡動水壓力,其具體措施有:
①利用枯水季節施工,以便減小坑內外水位差。
②用鋼板樁打入坑底一定深度,增加地下水從坑外流入坑內的距離,從而減少水力坡
度,達到減小動水壓力,防止流砂發生。
③采用不排水的水下挖土,使坑內外水壓相平衡,使其無發生流砂的條件,一般深井
挖土均采用此法。
④建造地下連續墻以供承重、護壁,并達到截水防止流砂的發生。
⑤采用輕型井點、噴射井點、管井井點和深井泵點等進行人工降低地下水的方法進行土方施工,使動水壓力方向向下,增大土粒間的動力,從而有效地制止流砂現象發生。