軟土基坑設(shè)計的關(guān)鍵問題研究

周豪

【摘要】本文闡述了軟土基坑工程的特點(diǎn)，對軟土基坑設(shè)計中涉及的一系列關(guān)鍵問題進(jìn)行了討論和分析，并通過工程實(shí)例分析對軟土基坑設(shè)計進(jìn)行了介紹。

【關(guān)鍵詞】軟土基坑；設(shè)計；關(guān)鍵問題

城市的發(fā)展帶動了土木工程建筑行業(yè)的快速發(fā)展，地上空間與地下空間得到了充分的利用，由此推動了深基坑的發(fā)展。然而在深基坑的發(fā)展中深基坑的開挖和支護(hù)的巖土是最關(guān)鍵的問題，特別是軟土基坑工程，與一般的基坑設(shè)計與施工相比有更大的難度，工程更為復(fù)雜，設(shè)計要求更高。

一、軟土基坑工程的特點(diǎn)

軟土基坑與一般的基坑設(shè)計與施工相比具有以下幾個特點(diǎn)，而這也是軟土基坑設(shè)計與施工的難點(diǎn)所在。首先，軟土的強(qiáng)度較低，具有很強(qiáng)的流變性，導(dǎo)致軟土基坑邊坡的穩(wěn)定性較差，支護(hù)體系承受的荷載也較大，因此軟土基坑工程需要更高強(qiáng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)。其次，軟土基坑施工場地的地下水含量十分豐富，水位的埋藏點(diǎn)很淺，因此在軟土設(shè)計與施工過程中需要引起高度的重視，進(jìn)行有效的控水方案設(shè)計與施工。再次，軟土具有很大的變形性，這就導(dǎo)致軟土基坑的開挖也容易發(fā)生變形和移位的現(xiàn)象。在軟土基坑施工中常常發(fā)現(xiàn)部分軟土基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的側(cè)向位移，位移超過幾十厘米之多，這對基坑的開挖造成了嚴(yán)重的影響和破壞。再次，軟土基坑護(hù)壁結(jié)構(gòu)的變形往往比較滯后，這就造成了對護(hù)壁的破壞比較迅速，并且具有突變性。在護(hù)壁結(jié)構(gòu)被破壞前，會造成土壓力值劇烈的變化。最后，軟土基坑事故發(fā)生的頻率較高，導(dǎo)致事故發(fā)生的因素較多，包括臨近的施工的影響，如打樁、挖土和降水等。

二、軟土基坑設(shè)計的關(guān)鍵問題

（一）軟土基坑施工增量法計算問題

目前楊光華提出的增量法廣泛的用于基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的計算，該算法能夠?qū)Ω鱾€施工過程所增加的增量載荷進(jìn)行計算和疊加。增量荷載包括土壓力增量和開挖的彈簧反力。這種方法與連續(xù)梁法具有較大的區(qū)別，主要體現(xiàn)在彎矩和支撐反力上面。不考慮施工過程的連續(xù)梁法計算由于缺少了對彎矩偏小的考慮，也就對設(shè)計的安全性造成了影響。增量法中，下部支撐受力較小，并且受到施工過程的影響，因此增量法多用于多撐與多錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中。

（二）預(yù)應(yīng)力錨桿計算問題

在當(dāng)前的基坑支護(hù)中廣泛使用了預(yù)應(yīng)力錨桿，但是基坑設(shè)計軟件并不能進(jìn)行完整的預(yù)應(yīng)力錨桿分析，因?yàn)檐浖o法對主動側(cè)彈簧的作用和基坑施工的增量荷載進(jìn)行考慮，這也就導(dǎo)致了工程實(shí)測的錨桿受力與計算值之間存在較大的差異。對此，有關(guān)研究提出了相關(guān)的解決辦法，從而對預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行合理的計算。如進(jìn)行一層錨桿增量法的計算，主要分為了三步。第一步，當(dāng)?shù)孛骈_挖到深度H2時，開挖面以上彈簧消失后，墻體會向基坑內(nèi)部發(fā)生位移；第二步，在開挖深度H1處加預(yù)應(yīng)力錨桿，預(yù)應(yīng)力F被施加到墻體上，同時墻體會向基坑外產(chǎn)生位移增量△V0，并且認(rèn)為預(yù)應(yīng)力F由彈簧與錨索共同承擔(dān)；第三步，從H2開挖到深度H3時，基坑內(nèi)的位移增量為△V1。由此可知，兩個增步量產(chǎn)生的總位移為△V=?V0+△V1。以彈簧代替錨桿，根據(jù)受力情況來判斷是否存在。當(dāng)△V<0時，則彈簧受壓，計算中需要考慮；當(dāng)△V>0時，彈簧受拉，計算中不做考慮。得到的錨桿指點(diǎn)反力為R=K△V+F。其中，K為錨桿水平剛度。通常的基坑設(shè)計軟件對預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行分析時，忽略了主動側(cè)彈簧作用，從而導(dǎo)致△V0偏大，而在軟土基坑設(shè)計中這種誤差則被進(jìn)一步的擴(kuò)大。因此，設(shè)計人員普遍對△V0進(jìn)行控制，不采用高預(yù)應(yīng)力值，最終造成了結(jié)構(gòu)受力與實(shí)際的較大差異。

（三）軟土基坑局部穩(wěn)定性被忽略

通常采用放坡開挖的方式進(jìn)行軟土基坑施工，并對整體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。在基坑設(shè)計時通常會忽略局部的穩(wěn)定性，而軟土基坑往往最先發(fā)生的是局部性的破壞，對于軟土基坑而言，地基的局部穩(wěn)定性是相當(dāng)關(guān)鍵的。目前極限圓弧滑動法只能夠?qū)拥恼w穩(wěn)定性進(jìn)行分析，缺少了對局部穩(wěn)定的判斷，因此圓弧滑動法存在不合理的現(xiàn)象，尤其是在遇到軟夾層時，更容易造成軟土基坑的不安全。此時，就需要通過計算來確定整體的穩(wěn)定性，同時對地基進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

三、工程實(shí)例——支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

（一）工程概況

基坑工程為引水工程泵站基坑，施工場地原為稻田，鉆探結(jié)果發(fā)現(xiàn)該地的巖性主要為沖擊巖與人工堆積巖。其中，沖擊巖土層分布主要為泥質(zhì)粉砂約4.3m；灰褐色粉質(zhì)粘土1.5-6.0m；淤泥和淤泥質(zhì)粘土3.0-7.0m；花斑粘土4.5-12.0m；粉土3.7-5.2m。同時還包括全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層和弱風(fēng)化層。

（二）支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

該基坑場地地層不均勻，含有深厚的軟弱層，淤泥和淤泥質(zhì)粘土最厚處約15.7m，開挖的深度變化比較大，在5.8-16.0m，僅使用單一的支護(hù)，安全性和經(jīng)濟(jì)性不夠理想。其設(shè)計難點(diǎn)也在于支護(hù)樁的嵌固深度、錨桿錨固力等問題上。結(jié)合施工場地的地質(zhì)情況，進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1、確定設(shè)計方案

設(shè)計方案1，在基坑上部的軟弱土層采用排樁支護(hù)，下部巖體采用土釘支護(hù)。這種支護(hù)形式是比較常用的一種設(shè)計，施工經(jīng)驗(yàn)成熟，但是由于軟弱土層的影響，難以負(fù)荷施工機(jī)械的質(zhì)量，機(jī)械極易陷入泥土，為施工將造成很大的困難，因此需要對表土層進(jìn)行換填，另外，淤泥中錨桿成孔也十分困難，錨固力弱。

設(shè)計方案2，結(jié)合各個區(qū)域的地質(zhì)土層的實(shí)景情況與周邊的環(huán)境考慮，為了方便施工，方案2根據(jù)不同分區(qū)的情況進(jìn)行了不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中，區(qū)域Ⅰ～Ⅴ采用“灌注樁/混凝土內(nèi)撐/放坡”一體的支護(hù)結(jié)構(gòu)；區(qū)域Ⅵ～Ⅸ采用放坡開挖的形式；區(qū)域Ⅹ～Ⅻ支護(hù)結(jié)構(gòu)為“放坡/錨桿”。

綜合對比后，最終選擇針對性強(qiáng)，操作性強(qiáng)的方案2。

2、各支護(hù)剖面計算

本設(shè)計中采用楊光華的增量法深基坑計算程序，綜合考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與錨桿之間的作用，以及主動冊彈簧的作用，從而計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的一致性較好。另外，對軟弱層基坑邊坡的穩(wěn)定性分析，根據(jù)地基的承載力與局部的強(qiáng)度折減法來進(jìn)行，求出地基的安全系數(shù)。表1和表1分別為各支護(hù)剖面計算結(jié)果。

結(jié)束語

針對軟土基坑設(shè)計的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析，結(jié)合施工場地的地質(zhì)條件，選擇合理的計算與優(yōu)化的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而保證基坑工程的安全和穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

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