深厚軟土深基坑支護設(shè)計與實例分析

吳燕泉

(福建省建筑科學研究院，福建 福州 350025)

沿海地區(qū)以分布深厚軟土為主，深厚軟土具含水量高、孔隙比大、壓縮性高、滲透性差、抗剪強度低，觸變性及流變性強的特征，工程性能差，總體屬欠固結(jié)土，基坑施工過程中易產(chǎn)生排水固結(jié)，導致周邊道路、建筑、管線等的破壞，對基坑開挖的穩(wěn)定存在不利影響。傳統(tǒng)的樁錨柔性支護形式和懸臂樁結(jié)合被動區(qū)加固支護形式[1-2]在深厚軟土基坑中因變形過大，已不能滿足周邊環(huán)境對安全性的要求，樁撐支護形式[3]因支撐梁不利土方開挖，嚴重影響到施工工期。龍海某深厚軟土深基坑支護工程，場地軟土厚度約為基坑開挖深度的3倍，是為數(shù)不多的超深厚軟土深基坑。為此，為滿足工程安全需要，保障工程的順利完工，本研究采用SMW工法樁[4]+預(yù)應(yīng)力擴孔錨索結(jié)合被動區(qū)加固的支護形式，將預(yù)應(yīng)力擴孔錨索柔性支護和被動區(qū)加固綜合運用在此工程中。

1 工程概況

龍海某深厚軟土基坑工程位于漳州龍海市榜山鎮(zhèn)，設(shè)一層地下室，基坑開挖深度約6.8 m，基坑開挖邊線周長約526 m，面積約17 078 m2。場地東側(cè)距用地紅線約9.0 m，為民生小區(qū)，臨近場地的是3棟18層框剪結(jié)構(gòu)的住宅樓，無地下室，基礎(chǔ)型式為樁基礎(chǔ)；場地南側(cè)距用地紅線約10.0 m為1～2層磚混結(jié)構(gòu)的廠房及民宅，為淺基礎(chǔ)，中間為渣土道路，寬約9.0 m；場地西側(cè)距用地紅線約60.0 m為龍海明發(fā)城市廣場(一期)，主要為2～3層框架結(jié)構(gòu)的商業(yè)裙樓；靠近場地南側(cè)為1棟20層框剪結(jié)構(gòu)的寫字樓，為樁基礎(chǔ)，中間為城市次干道，道路寬約30 m，雙向4車道，道路預(yù)埋地下管線基本涵蓋了市政的各種管線，埋深約0.5～4.0 m；場地北側(cè)距用地紅線約30.0 m為安置小區(qū)，臨近場地的是2棟16層框剪結(jié)構(gòu)的居民住宅樓，基礎(chǔ)型式采用樁基礎(chǔ)，中間為城市支路，寬約15.0 m，道路預(yù)埋地下管線主要為燃氣管道、雨水管、污水管等，埋深約0.5～3.0 m。

基坑開挖影響范圍內(nèi)土層從上到下依次為：(1)層雜填土，平均厚度為2.07 m；(2)層粉質(zhì)粘土，平均厚度為0.73 m；(3)層淤泥，平均厚度為17.89 m；(4)層粉質(zhì)粘土，平均厚度為2.80 m；(5)層中砂，平均厚度為2.97 m；(6)層卵石，平均厚度為15.16 m。各土層設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 基坑支護范圍內(nèi)巖土體物理力學指標Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil within foundation pit support

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)分析

本基坑工程周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑開挖影響范圍土層存在深厚軟土層，淤泥層平均厚度為17.89 m，局部達到了25 m。呈流塑狀態(tài)，力學強度低，工程性能差。

勘察期間測得各鉆孔初見地下水位埋深為2.40～5.30 m。各鉆孔終孔24 h后同一時間實測地下水混合穩(wěn)定水位埋深為3.00～5.90 m。依據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，本場地地下水位年變化幅度約1～3 m，本場地歷史最高水位為4.50 m，近3～5年的最高水位為4.00 m。

淤泥含水率平均值為61.1%，液限WL平均值為49.3%，塑限WP平均值為30.3%。淤泥具有較高的靈敏性和觸變性，當受到外來因素的擾動時，土粒間的膠結(jié)物以及土粒、離子、水分子所組成的平衡體系受到破壞，土的強度降低，壓縮性增大，因此對淤泥的勘察取土試樣的要求非常高。淤泥長期固結(jié)，隨著埋深的增加，淤泥的有效應(yīng)力逐漸加大，亦即土的抗剪強度逐漸增加。因此，很有必要在深厚軟土層進行原位測試，對軟土層進行分層分析。為此，本工程采用十字板剪切試驗對淤泥進一步以分層，以為基坑支護設(shè)計提供更切合實際的指標。

本工程采用50 mm×100 mm×2 mm 十字板探頭，選取場區(qū)3個孔進行十字板剪切[5]試驗，試驗成果如圖1。

圖1 十字板剪切試驗成果Fig.1 Results of vane shear test

分別對試驗區(qū)域上部淤泥層和中下部淤泥層原狀土及重塑土十字板剪切試驗參數(shù)Cu進行統(tǒng)計，試驗成果統(tǒng)計見表2。

表2 十字板剪切試驗成果統(tǒng)計表Table 2 Statistical results of vane shear test

從表2可見，試驗區(qū)域上部淤泥層原狀土不排水抗剪強度值為14.7 kPa，重塑土不排水抗剪強度值為2.6 kPa，靈敏度為5.7，為靈敏土；中下部淤泥層原狀土不排水抗剪強度值為23.0 kPa，重塑土不排水抗剪強度值為5.4 kPa，靈敏度為4.3，為靈敏土。一般認為十字板測得的不排水抗剪強度是峰值強度，其值偏高。長期強度只有峰值強度的60%～70%。

本工程因基坑面積較大，施工過程較長，故淤泥抗剪強度取十字板測得的不排水抗剪強度的70%為設(shè)計指標，并根據(jù)測得的淤泥抗剪強度曲線，將淤泥層劃分為上部和中下部兩部分，上部為從地面到埋深為10 m的淤泥，粘聚力c=8.7，內(nèi)摩擦角φ=2.9°；中下部為埋深10 m以下淤泥，c=10.7，φ=2.9°(φ根據(jù)實驗測得)。

3 基坑支護結(jié)構(gòu)選型

場地軟土深厚，場地面2 m以下至基坑坑底以下兩倍基坑深度均為軟土?；娱_挖深度范圍的土壓力大，坑底以下出現(xiàn)深層滑動風險。故與JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》表3.3.2各類支護結(jié)構(gòu)的適用條件[6]進行比較分析。

1)放坡和土釘墻。放坡適用于三級基坑，土釘墻適用于二、三級基坑。坡頂需要非常大的放坡空間，土釘需要非常長的長度，支護作用僅體現(xiàn)在基坑開挖面范圍內(nèi)，易出現(xiàn)坑底以下深層滑動。

2)重力式水泥土墻。此支護結(jié)構(gòu)適用于二級和三級基坑。滿足滑移穩(wěn)定性，需具備2個條件：一是水泥土墻底面下土層應(yīng)有較高的粘聚力和內(nèi)摩擦角；二是水泥土墻需要有足夠的自質(zhì)量。這就意味著需要較長的樁長，樁底應(yīng)進入軟土下穩(wěn)定土層，并需要較厚的墻體，提供較大的自質(zhì)量。在側(cè)向土壓力作用下，背基坑一側(cè)受拉，臨基坑一側(cè)受壓，水泥土墻抗拉強度和抗剪強度不高，也需要較厚的墻體，需要非常高的成本和施工空間。

3)逆作法和盆挖法。此支護法需要較精確的施工要求，土方開挖時相當受限，需要增加較多的施工措施費，對施工提出了巨大挑戰(zhàn)。

4)懸臂式結(jié)構(gòu)。此支護結(jié)構(gòu)側(cè)向土壓力較大，即使樁前被動區(qū)加固后，坑頂?shù)淖冃我酂o法控制。

5)雙排樁。雙排樁側(cè)向土壓力較大，樁前被動區(qū)應(yīng)加固，樁端應(yīng)進入軟土下穩(wěn)定土層，需要較大的施工空間。

6)支撐式結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)側(cè)向土壓力較大，樁前被動區(qū)應(yīng)加固，樁端應(yīng)進入軟土下穩(wěn)定土層。樁頂約束采用內(nèi)支撐，安全風險低。但支撐體系應(yīng)具有統(tǒng)一性，基坑范圍內(nèi)應(yīng)有支撐梁，需在滿足拆撐條件時方可拆除，這會影響主體施工，給施工造成較大難度，從而影響施工工期。

7)錨拉式結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)側(cè)向土壓力較大，樁前被動區(qū)應(yīng)加固，樁端應(yīng)進入軟土下穩(wěn)定土層。樁頂約束采用錨索，基坑內(nèi)施工靈活。軟土的錨桿極限粘結(jié)強度標準值較小，需要采取一定的措施保證足夠的錨索拉力值。

本基坑工程具有面積大、周長長和工期緊的特點，故排除了支撐式結(jié)構(gòu)、逆作法和盆挖法；具有坑頂施工空間小和成本要求低的特點，故排除了重力式水泥土墻和雙排樁。因此，本工程采用了錨拉式結(jié)構(gòu)[6]，排樁采用工字型鋼，錨索采用預(yù)應(yīng)力擴孔錨索，被動區(qū)采用單軸水泥土攪拌樁，基坑開挖面止泥帷幕采用三軸水泥土攪拌樁，即采用SMW工法樁+預(yù)應(yīng)力擴孔錨索結(jié)合被動區(qū)加固的支護方案。

4 設(shè)計計算

4.1 支護剖面

SMW工法樁+預(yù)應(yīng)力擴孔錨索結(jié)合被動區(qū)加固的支護剖面如圖2所示。

圖 2支護形式剖面圖(單位：mm)Fig. 2 Section of foundation(unit:mm)

SMW工法樁采用型鋼作為水平受力結(jié)構(gòu)，水泥土攪拌樁為止泥帷幕。擴孔錨索采用普通鉆機引孔，通過高壓旋噴在擴孔段進行高壓注漿形成較大直徑錨固體，高壓泵泵壓不少于15 MPa，擴孔后其錨固體直徑不少于400 mm。支護結(jié)構(gòu)采用理正深基坑F-SPW 7.0進行設(shè)計計算，被動區(qū)土體加固深度和寬度在迭代計算中確定，加固體深度以到計算零點為準，加固寬度以坑頂要求的變形控制為準。

4.2 被動區(qū)土體

被動區(qū)土體參數(shù)指標是設(shè)計計算結(jié)果正確的關(guān)鍵。被動區(qū)水泥土攪拌樁的搭接寬度不宜小于150 mm，28 d無側(cè)限抗壓強度不宜小于0.8 MPa。為節(jié)約投資，一般可采用格柵形式布置，格柵的面積置換率在軟土中不宜小于0.7～0.8，格柵內(nèi)側(cè)的長寬比不宜大于2，每個格柵內(nèi)的土體面積應(yīng)符合JGJ 120-2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》公式6.2.3的要求[6]。

被動區(qū)土體的計算參數(shù)可采用復(fù)合參數(shù)法[7]，取φsp≈φs，Csp=(1-αs)ηCs+αsCp。其中，φsp、Csp為土與加固體復(fù)合抗剪強度指標；φs、Cs為土的抗剪強度指標；Cp為加固體的抗剪強度指標；η為土的強度折減系數(shù)，一般取η=0.3～0.6；αs為坑內(nèi)被動區(qū)(局部)加固體置換率。則Cp=(0.2～0.3)qu，其中qu為28 d無側(cè)限抗壓強度。

加固深度一般小于圍護結(jié)構(gòu)插入深度，由以往經(jīng)驗可知，加固深度達到圍護樁計算零點則可滿足設(shè)計要求。故有

其中：a、b、h0分別為加固寬度、范圍和深度；L為相鄰兩加固體的中心距；hp為支護樁插入深度；φs為土的內(nèi)摩擦角。

本工程被動區(qū)主要設(shè)置于中下部淤泥層中，通過迭代計算，被動區(qū)土體的深度為6 m，寬度為4.6 m，采用格柵式布置，3 m為一單元。計算參數(shù)采用復(fù)合參數(shù)法，?。?/p>

φsp≈2.9°，

5 計算結(jié)果與實測對比分析

圖3 深層水平位移對比Fig.3 Comparison of deep horizontal displacement

目前，基坑已經(jīng)順利開挖至坑底。開挖至坑底時的深層水平位移的計算值(理論值)和現(xiàn)場實測值的對比結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，計算結(jié)果的樁頂位移為16.81 mm，深層水平最大位移出現(xiàn)在深度約6.5 m位置，最大位移值為46.27 mm；實測數(shù)據(jù)的樁頂位移為24.3 mm，深層水平最大位移出現(xiàn)在深度約6 .5 m位置(同理論計算結(jié)果)，最大位移值為41.8 mm。理論計算結(jié)果和實測值的深層水平位移曲線均為“大肚子”形狀，最大值位置大致相同，深度約6.5 m位置，即基坑開挖坑底處。出現(xiàn)該情況的原因是支護為柔性結(jié)構(gòu)，樁頂有錨索約束，樁頂位移得到了約束。

基坑開挖深度范圍無約束，坑底以下軟弱土層側(cè)向約束小，在主動土壓力作用下會發(fā)生坑內(nèi)變形。兩倍基坑深度以下，計算結(jié)果和實測值有所偏差。基于設(shè)計經(jīng)驗，之所以出現(xiàn)該情況，一是因為實測時測斜管底端是相對固定不動的；二是因為在理論計算時，土體抗剪強度較小，樁端仍然有向基坑內(nèi)移動的趨勢。為保證基坑的安全，再加上施工條件的限制，本研究未進行剖面比較，這有待于條件具備時采用多種實際深度加以驗證。

可見，實測值和計算結(jié)果兩倍基坑深度范圍內(nèi)的深層土體水平位移是基本吻合的，滿足了工程對變形控制的要求，驗證了加固區(qū)土體參數(shù)選取的合理性。

6 結(jié)論

通過SMW工法樁+預(yù)應(yīng)力擴孔錨索結(jié)合被動區(qū)加固的支護方案在深厚軟土深基坑工程中順利實施的案例，并結(jié)合計算結(jié)果和實測分析可得：(1)對于深厚軟土深基坑，樁錨支護方案是可行的。在保證基坑安全的同時，施工靈活，縮短工期?；娱_挖工程中，因坑內(nèi)無支撐梁等障礙，施工工期得到了保證；因施加預(yù)應(yīng)力擴孔錨索和被動區(qū)加固，基坑變形得到了有效的控制，保證了基坑的安全。同時，采用此方案靈活了施工，并縮短了工期。(2)在深厚軟土層中，有效應(yīng)力隨深度加深而加大，抗剪強度隨深度加深而加大，可通過現(xiàn)場原位試驗將土層進行分層，獲取更符合實際的設(shè)計指標。(3)被動區(qū)土體的抗剪強度指標通過參數(shù)復(fù)合法計算是合理的。(4)深層水平位移曲線呈“大肚子”形狀，位移最大位置約處于坑底標高處。