軟土地區(qū)深基坑被動(dòng)區(qū)加固變形控制研究

林希鶴

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

在深厚軟土場(chǎng)地進(jìn)行深基坑開(kāi)挖時(shí)，由于基坑坑底以下被動(dòng)區(qū)土體為軟弱土層(如淤泥、淤泥質(zhì)土層)，軟土所具有的低強(qiáng)度和高壓縮性，使得被動(dòng)區(qū)土體提供的抗力不足，引起支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的側(cè)向變形；加之，軟土多呈流塑狀態(tài)，自穩(wěn)性差，基坑開(kāi)挖過(guò)程軟土將產(chǎn)生流動(dòng)，使支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體滑移破壞。因此，深厚軟土場(chǎng)地的基坑工程事故多表現(xiàn)為整體失穩(wěn)破壞，在軟土場(chǎng)地進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以變形和穩(wěn)定性控制為主。

深厚軟土場(chǎng)地為了有效控制深基坑變形，常對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固。在對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固后，可以較大程度地提高被動(dòng)區(qū)土體的土壓力系數(shù)和水平抗力系數(shù)，從而使被動(dòng)區(qū)土體抵抗圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的能力顯著提高，并最終達(dá)到控制基坑變形的目的。在深厚軟土場(chǎng)地,被動(dòng)區(qū)土體加固是減少支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形較為可靠的方法。大量研究和工程實(shí)踐證明，被動(dòng)區(qū)土體加固，對(duì)于減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移及控制周邊地面及建筑沉降，效果十分顯著。

工程中，由于加固區(qū)土體強(qiáng)度及復(fù)合模量顯著增加，基坑土體承載力和抗變形能力得以提高，基坑加固中表現(xiàn)為加固體在基坑施工中對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和穩(wěn)定性的控制效果明顯?；颖粍?dòng)區(qū)土體加固提高被動(dòng)區(qū)土體抗力是一種經(jīng)濟(jì)、有效的技術(shù)措施，可減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、側(cè)向位移、地面沉降及坑底隆起等，基坑內(nèi)不同的被動(dòng)區(qū)土體加固形式對(duì)減少土體變形的作用有明顯差異。

1 被動(dòng)區(qū)加固形式選擇

1.1 被動(dòng)區(qū)加固體的平面布置

基坑被動(dòng)區(qū)土體加固的平面布置，包括加固體寬度、沿圍護(hù)邊線方向的長(zhǎng)度、間距，平面加固孔位布置原則、土體置換率要求等。土體加固平面布置形式，包括滿堂式、格柵式、裙邊式、抽條式、墩式等，如圖1所示。

(a)滿堂式加固 (b)格柵式加固 (c)裙邊式加固

(d)抽條式加固 (e)墩式加固

基坑工程周邊環(huán)境各具特色，地質(zhì)狀況復(fù)雜，確定被動(dòng)區(qū)加固形式時(shí)，應(yīng)根據(jù)加固目的、周邊環(huán)境、場(chǎng)地地質(zhì)條件及施工條件、預(yù)期處理效果及造價(jià)等因素，進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，從中選擇相對(duì)合理的加固形式。相比較之下，滿堂式加固成本最大，一般僅應(yīng)用于基坑外側(cè)環(huán)境保護(hù)要求較高且基坑對(duì)應(yīng)的被動(dòng)區(qū)域，或基坑面積較小的基坑工程；格柵式及抽條式加固成本居中，一般用于基坑形狀呈窄長(zhǎng)條形(如地鐵車站基坑)且環(huán)境保護(hù)要求較高的基坑工程；裙邊式加固成本較低，一般用于基坑面積較大且環(huán)境保護(hù)要求較高的基坑工程；墩式加固成本最低，一般用于基坑面積較大且環(huán)境保護(hù)要求一般的基坑工程[3]。

1.2 被動(dòng)區(qū)加固體范圍

在基坑工程中，過(guò)大的墻體變形即表明坑內(nèi)地基已經(jīng)處于塑性發(fā)展?fàn)顟B(tài)，局部地基已經(jīng)進(jìn)入破壞狀態(tài)。故，對(duì)墻前地基土的壓力應(yīng)進(jìn)行限制或?qū)ν馏w進(jìn)行加固，以滿足水平承載能力或滿足地基穩(wěn)定要求?？拥准庸虘?yīng)有足夠的寬度和深度，以有效提高坑底地基土強(qiáng)度和增強(qiáng)被動(dòng)土壓力作用。土體加固范圍及加固土體力學(xué)性能要求，與基坑深度、平面幾何尺寸、地質(zhì)條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)體系特征、施工工藝及施工參數(shù)有關(guān)。

1.3 被動(dòng)區(qū)加固體置換率

基坑被動(dòng)區(qū)加固體平面(置換率)和斷面(加固深度和加固寬度)布置與基坑開(kāi)挖深度、周邊環(huán)境要求是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)關(guān)系，必須結(jié)合不同的施工工法實(shí)踐和工程經(jīng)驗(yàn)確定，并通過(guò)計(jì)算進(jìn)行復(fù)核。

環(huán)境保護(hù)要求較高時(shí)或考慮加固后的土體m值提高的坑內(nèi)加固，宜采用格柵加固體布置，其截面置換率通?？蛇x擇0.6～1.0，在基坑較深或環(huán)境保護(hù)要求較高的一級(jí)或二級(jí)基坑中，可選用大值，反之可取用小值。

2 工程案例

2.1 工程概況

該項(xiàng)目位于福建省平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)金井灣片區(qū)，北厝鎮(zhèn)西側(cè)，萬(wàn)寶中路東側(cè)，目前已回填砂。主體建筑由南側(cè)4層門診樓、北側(cè)3層放療樓及中部8層臺(tái)胞救治中心和17層住院樓組成。南側(cè)門診樓及住院樓下設(shè)2層地下室，地下室占地面積約31 000m2，地下室周長(zhǎng)約760m，基坑開(kāi)挖深度9.50m～10.40m，基坑側(cè)壁安全等級(jí)一級(jí)。

2.2 工程與水文地質(zhì)情況

場(chǎng)地原始地貌屬濱海灘涂-潮間帶，現(xiàn)有場(chǎng)地標(biāo)高約為黃海標(biāo)高3.00～5.00m，場(chǎng)地地層主要為：①吹填砂，稍濕，松散～稍密，層厚2.50～8.30m；②淤泥，流塑，飽和，層厚7.20～14.60m；③淤泥質(zhì)土，流塑～軟塑，飽和，層厚6.70～10.30m；④粘土，可塑，濕，層厚3.50～13.30m。

場(chǎng)地對(duì)基坑開(kāi)挖有影響的地下水為賦存于①吹填砂層中的孔隙潛水，因填料成分差異，填土層滲透性能差異較大，屬中等～較強(qiáng)透水層，地下水水位主要受附近海域海平面影響，富水性中等，水位標(biāo)高約在黃海3.21～3.26m，水位埋深在地表下約3.0m。

2.3 基坑工程特點(diǎn)

(1)場(chǎng)地周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑占地面積大，開(kāi)挖深度大，最深的位置達(dá)10.40m；

(2)基坑開(kāi)挖面以上及坑底以下存在軟弱淤泥及淤泥質(zhì)土層，為欠固結(jié)土，厚度巨大(平均厚度19.0m)、土層軟弱、土壓力大、土層穩(wěn)定性較差；

(3)淤泥層之上多為填砂層，滲透系數(shù)高，地下水受海平面影響，水位較高；

(4)基坑坡頂分布有裙樓的預(yù)應(yīng)力管樁，需嚴(yán)格控制基坑變形，確保坡頂工程樁安全。

2.4 基坑支護(hù)方案

該工程基坑底部均位于淤泥層中，工程力學(xué)性質(zhì)極差。根據(jù)場(chǎng)地周邊環(huán)境、工程及水文地質(zhì)條件，基坑支護(hù)采用卸載放坡+SMW工法樁(H型鋼插一跳一)+兩道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)形式，支護(hù)樁樁端穿透軟弱淤泥層，進(jìn)入下臥粘土層不少于1.0m。SMW工法樁采用φ650@450三軸水泥攪拌樁，內(nèi)插型鋼為H488×300(強(qiáng)度Q235B),設(shè)計(jì)單根預(yù)應(yīng)力錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值為100kN,與錨桿連接的圍檁采用[22槽鋼(強(qiáng)度Q235B)。由于支護(hù)樁樁身范圍大部分位于淤泥及淤泥質(zhì)土層中，且基坑坡頂緊鄰裙樓的預(yù)應(yīng)力管樁，需對(duì)坑底被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固，以控制支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，要求基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)深層土體水平位移需控制在40mm之內(nèi)。

2.5 被動(dòng)區(qū)加固參數(shù)的確定

由于基坑面積較大，被動(dòng)區(qū)土體采用深層水泥攪拌樁進(jìn)行裙邊加固。水泥攪拌樁樁徑φ500mm，樁中心距400mm，搭接100mm，置換率約為1.0。固化劑采用PO42.5普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量不小于21%，被動(dòng)土加固區(qū)域上部開(kāi)挖段(空孔段)水泥摻入量10%，水泥漿水灰比為0.5∶1，水泥土28d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.8MPa，取加固后被動(dòng)區(qū)水泥土內(nèi)聚力為20kPa，內(nèi)摩擦角為25°，m值為9.0MN/m4。

為確定被動(dòng)區(qū)土體最優(yōu)加固寬度及加固深度，針對(duì)裙邊加固不同的寬度及深度進(jìn)行計(jì)算分析，采用單一因素控制變量法進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算軟件采用理正深基坑7.0，場(chǎng)地各土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示，基坑工程總平面圖如圖2所示，基坑支護(hù)典型剖面如圖3所示。

圖2 基坑工程總平面圖

表1 場(chǎng)地土層設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

圖3 基坑支護(hù)典型剖面

2.5.1不同被動(dòng)區(qū)加固深度下的計(jì)算結(jié)果

取被動(dòng)區(qū)土體加固寬度為4.0m(約為基坑深度的0.4倍)，分析不同被動(dòng)區(qū)加固深度對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響和變化趨勢(shì)，支護(hù)深層水平位移最大值變化趨勢(shì)如圖4～圖5所示。

分析計(jì)算結(jié)果可知：

(1)支護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平位移，最大值一般位于基坑底面以上約2.0m處。由于支護(hù)樁樁端穿透淤泥層，嵌入下臥粘土層穩(wěn)定地層一定深度，受到粘土層對(duì)支護(hù)樁的約束作用，使得樁端不會(huì)產(chǎn)生踢腳失穩(wěn)現(xiàn)象，同時(shí)樁頂受到預(yù)應(yīng)力錨桿的約束，也避免了支護(hù)樁產(chǎn)生傾覆破壞的情況，因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的驗(yàn)算主要以變形計(jì)算為主。

(2)支護(hù)深層水平位移，隨著被動(dòng)區(qū)土體加固深度的增加而單調(diào)遞減。當(dāng)土體加固深度控制在2m～6m區(qū)間范圍時(shí)，通過(guò)增加被動(dòng)區(qū)加固深度，支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)的水平位移減少趨勢(shì)較為明顯。隨著被動(dòng)區(qū)加固深度的增加，起始時(shí)支護(hù)最大深層水平位移減小值較大，之后支護(hù)深層水平位移逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)加固深度大于6m這個(gè)臨界值后(約為基坑深度的60%)，此時(shí)再增加被動(dòng)區(qū)加固深度，支護(hù)深層水平位移值變化值逐漸趨近于零，變形控制效果也不再明顯。

(3)由于支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部、底部分別受到預(yù)應(yīng)力錨桿及粘土層的約束作用，被動(dòng)區(qū)加固深度的增加對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部和底部的水平位移值產(chǎn)生的影響較小，被動(dòng)區(qū)加固深度的變化，對(duì)基坑底面附近的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移產(chǎn)生的影響最大。當(dāng)加固深度為2m～6m時(shí)，每增加1m的加固深度，支護(hù)深層水平位移最大值減少幅度約為8%～12%，且減幅隨著被動(dòng)區(qū)加固深度的增加而逐步趨近于零。

2.5.2不同被動(dòng)區(qū)加固寬度下的計(jì)算結(jié)果

同樣，取被動(dòng)區(qū)加固寬度為4.0m(約為基坑深度的0.4倍)，分析不同被動(dòng)區(qū)加固寬度對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響和變化趨勢(shì)，支護(hù)深層水平位移最大值變化趨勢(shì)如圖6～圖7所示。

圖4 不同加固深度下的支護(hù)水平位移變化圖

圖5 H=5m時(shí)支護(hù)水平位移圖

圖6 不同加固寬度下的支護(hù)水平位移變化圖

圖7 B=4m時(shí)支護(hù)水平位移圖

分析計(jì)算結(jié)果可知：

(1)支護(hù)深層水平位移，隨著被動(dòng)區(qū)土體加固寬度的增加而單調(diào)遞減。當(dāng)加固寬度控制在2m～5m區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)增加被動(dòng)區(qū)土體加固寬度，能有效減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大深層水平位移；當(dāng)加固寬度繼續(xù)增加并超過(guò)5m后，此時(shí)，再增加被動(dòng)區(qū)土體加固寬度，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大深層水平位移減少值將不再明顯。因此，被動(dòng)區(qū)土體的最優(yōu)加固寬度臨界值，可取為4m～5m，約為基坑開(kāi)挖深度的0.4～0.5倍。

(2)被動(dòng)區(qū)土體加固寬度的大小，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)最大深層水平位移影響較大。當(dāng)加固寬度控制在2m～5m區(qū)間范圍時(shí)，每增加1m加固寬度，支護(hù)深層水平位移最大值減少幅度約為9%～14%；而被動(dòng)區(qū)土體加固寬度的變化，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部、底部的位移影響較小。這與上述分析被動(dòng)區(qū)土體加固深度的變化對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移的影響一致。因?yàn)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)頂部、底部均受到較強(qiáng)的約束作用，因此，深層水平位移變化值并不明顯。

2.6 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

經(jīng)綜合對(duì)比分析，該基坑被動(dòng)區(qū)土體加固深度取為6.0m，加固寬度取為4.0m，該基坑按照上述支護(hù)方案進(jìn)行施工，從土方開(kāi)挖到地下室土方回填完成，前后歷時(shí)約一年，基坑開(kāi)挖期間，被動(dòng)區(qū)水泥攪拌樁經(jīng)開(kāi)挖檢查，成樁質(zhì)量好，加固效果較為理想。

由于該工程場(chǎng)地存在深厚軟弱淤泥層，基坑開(kāi)挖深度較深，地質(zhì)條件和周邊環(huán)境條件復(fù)雜，在基坑開(kāi)挖及支護(hù)施工過(guò)程中加強(qiáng)了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)自身及周邊環(huán)境的監(jiān)測(cè)，實(shí)施動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，信息化施工，前后共進(jìn)行了100多次的基坑監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)資料得出，基坑深層土體水平位移變形特征表現(xiàn)為沿深度的水平位移中部大，頂部和底部?jī)深^小的鼓肚型變化曲線，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大深層水平位移位于地面以下約8.0m處。

1#～3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置實(shí)測(cè)深層土體，最大水平位移約28.70mm～32.07mm(陽(yáng)角處)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置相應(yīng)支護(hù)剖面理論計(jì)算深層最大水平位移為27.15mm～34.63mm(陽(yáng)角處)，通過(guò)對(duì)比理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，兩者結(jié)果較為接近，實(shí)際變形符合設(shè)計(jì)預(yù)期效果。通過(guò)被動(dòng)區(qū)土體加固，基坑底部一定寬度和深度范圍被動(dòng)土強(qiáng)度得到提高，延緩了坑底土體塑性變形發(fā)展階段，較好地控制了基坑變形，達(dá)到了良好的效果，如圖8所示。

圖8 基坑支護(hù)實(shí)測(cè)深層土體水平位移-深度關(guān)系曲線

3 結(jié)論

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及對(duì)環(huán)境的影響程度，與場(chǎng)地地質(zhì)條件及周邊環(huán)境條件有關(guān)，故坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)域的土體加固設(shè)計(jì)應(yīng)區(qū)別對(duì)待，以達(dá)到加固設(shè)計(jì)合理、工程投資經(jīng)濟(jì)、周邊環(huán)境安全的社會(huì)效果。

在深厚軟土場(chǎng)地，被動(dòng)區(qū)土體加固，對(duì)于減少基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平位移、控制周邊地面及建筑沉降效果十分顯著。被動(dòng)區(qū)土體加固，提高了土體的強(qiáng)度，改善了土體的物理力學(xué)性能，減少了被動(dòng)區(qū)的塑性區(qū)范圍。支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移，隨著被動(dòng)區(qū)土體加固深度及寬度的增加而減少。當(dāng)被動(dòng)區(qū)加固深度和寬度為基坑深度的40%～60%時(shí)，加固效果達(dá)到最佳臨界狀態(tài)；超過(guò)了這個(gè)臨界范圍后，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移減少不再明顯，而加固所需的費(fèi)用會(huì)增加，造成工程浪費(fèi)。

為了避免因盲目地加大被動(dòng)區(qū)加固寬度、深度而造成工程造價(jià)增加、施工工期延長(zhǎng)等情況，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程的周邊環(huán)境及場(chǎng)地地質(zhì)情況，確定最優(yōu)的被動(dòng)區(qū)土體加固寬度和深度，確保在合理的工程造價(jià)范圍內(nèi)最大限度地控制基坑的側(cè)向變形，既能保證基坑和周邊環(huán)境安全，又能達(dá)到節(jié)約工程造價(jià)目的。