某軟土深基坑支護樁入土深度分析

吳連祥

（啟東市建筑設計院有限公司，江蘇南通 226200）

0 引言

在軟土區(qū)，由于土體的含水率高，抗剪強度低，支護方案通常采用樁錨或樁撐支護結構，支護樁作為其主要受力構件，其入土深度與保證基坑在開挖階段的穩(wěn)定以及降低支護工程造價密切相關，入土深度越深，基坑穩(wěn)定性越好，支護造價也越高。因此，應當在保證基坑施工安全的前提下，盡量減少支護樁的入土深度?；涌孤∑鸱€(wěn)定性分析是決定支護樁入土深度的關鍵。

基坑抗隆起穩(wěn)定分析方法歸納為三大類：極限平衡法、極限分析法、常規(guī)位移有限元法[1]。其中Terzaghi[2]以及Bjerrum[3]等提出的基于地基承載力模式的黏土基坑抗隆起穩(wěn)定計算公式屬于極限平衡法。我國基坑工程規(guī)范則普遍采用基于Chang[4]提出的Prandtl 公式的地基承載力分析方法及圓弧滑動破壞模式的極限平衡法。

現(xiàn)行國家行業(yè)標準《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ 120?2012）[5]（簡稱國家基坑規(guī)范）及上海市《基坑工程技術規(guī)范》（DG/TJ 08?61?2010）[6]（簡稱上?；右?guī)范）對坑底抗隆起穩(wěn)定驗算均采用圓弧滑動模式分析方法，但抗滑力矩的計算存在差異，軟土區(qū)按上?；右?guī)范計算的入土深度明顯小于按國家基坑規(guī)范計算的結果。

軟土區(qū)高層建筑大多采用樁基礎，工程樁的施工先于支護樁，工程樁對基坑穩(wěn)定的影響客觀存在。魯 宏[7]、肖 健[8]等采用有限元法分析了工程樁的存在對坑底隆起失穩(wěn)破壞的影響和作用機理，胡康俊等[9]采用強度折減有限元法對坑底有無工程樁對軟土深基坑抗隆起穩(wěn)定性進行了對比研究，基坑穩(wěn)定系數(shù)有樁明顯高于無樁；張耀東等[10]從基坑形狀、圍護墻入土深度、坑底下軟土深度、坑底被動區(qū)地基加固處理、坑內工程樁等方面對基坑抗隆起穩(wěn)定性的影響進行分析研究，提出了相應的計算改進方法。這些研究成果表明：軟土區(qū)坑內工程樁對基坑抗隆起穩(wěn)定性產生積極、有利的影響。

目前用于基坑坑底抗隆起穩(wěn)定分析方法一般均未考慮工程樁等有利影響，現(xiàn)行的基坑工程規(guī)范也沒有提及工程樁的有利作用?；谝陨峡紤]，以長江口北岸軟土區(qū)某基坑工程為例，在確定支護樁入土深度時，按國家基坑規(guī)范和上?；右?guī)范分別對多種入土深度方案進行相關計算和分析比較，并考慮工程樁對支護樁入土深度的有利影響，力求支護樁的入土深度安全、合理、經濟，為類似工程提供一定的參考與借鑒。

1 工程簡介

啟東金融建筑產業(yè)園位于啟東市牡丹江西路南側，公園南路西側，由4 棟高層塔樓組成，框剪結構，總建筑面積209311 m2，其中地上21 層，建筑面積141415 m2，地下2 層，建筑面積67896 m2。鉆孔灌注樁、鋼筋混凝土筏板式基礎。

基坑近似呈長方形，南北長290 m，東西寬140 m，周長約860 m，基坑面積近40000 m2。場地整平后的絕對標高2.4 m，對應于相對標高?1.40 m。地庫墊層底標高?11.00 m，挖深9.60 m；基坑周邊承臺底標高?11.40 m，挖深10.0 m；集水井、電梯井、主樓承臺部分局部超挖1.0～3.6 m，最大挖深13.2 m。

基坑開挖北側邊線距河道14.3～26 m，距牡丹江路22～34 m；東側邊線距公園路30～38 m；南側邊線距擬建緯三路7～16 m；西側距新規(guī)劃道路15 m。

地貌形態(tài)為長江三角洲沖積平原，場地平坦，稍有起伏，自然地面標高2.02～2.44 m?？碧阶畲筱@孔深度80 m，所揭示的土層為第四系河流?濱海相、湖相交互沉積土層，劃分為11 個工程地質層，典型的靜探曲線見圖1，在基坑涉及深度范圍內各土層情況描述如下：

①淤泥質粉質黏土：褐黃色?灰色，土質不均勻，流塑，稍夾薄層砂質粉土，無搖振反應，稍有光澤，干強度中等，韌性中等，屬高壓縮性土。

②砂質粉土：灰色，土質不均勻，很濕，稍密，搖振反應迅速，無光澤，干強度低，韌性低，屬中壓縮性土。

③淤泥質粉質黏土：灰色，土質不均勻，流塑，夾砂質粉土，無搖振反應，稍有光澤，干強度低，韌性低，屬中?高壓縮性土。

④砂質粉土：灰色，土質不均勻，很濕，稍密，搖振反應迅速，無光澤，干強度低，韌性低，屬中壓縮性土。

⑤淤泥質粉質黏土：灰色，土質不均勻，流塑，稍夾薄層砂質粉土，無搖振反應，稍有光澤，干強度低，韌性低，屬高壓縮性土。

⑥粉質黏土：灰色，土質不均勻，軟?流塑，頻夾薄層砂質粉土，無搖振反應，稍有光澤，干強度低，韌性低，屬中?高壓縮性土。

建筑場地淺層地下水為孔隙潛水，主要賦存于①?④層土中。補給來源為大氣降水、地表水以及區(qū)域水系，排泄方式為大氣蒸發(fā)及側向徑流?？辈鞂崪y初見水位在自然地面下1 m 左右?；由疃壬婕暗耐翆游锢砹W指標見表1。

表1 基坑深度涉及的土層物理力學指標

2 支護樁入土深度分析探討

綜合本基坑開挖深度、周邊環(huán)境、地質條件等因素，初定基坑支護方案采用樁錨支擋結構：基坑上部3 m 放坡開挖，掛網(wǎng)護面，下部7 m 采用SMW 工法樁+一道旋噴加勁錨支護。SMW 工法樁為3φ850@1200三軸攪拌樁，內插H700×300×13×24 型鋼，作為受力排樁和止水帷幕，樁頂設置一道旋噴加勁錨，如圖2所示，具體設計參數(shù)通過計算確定。

圖2 樁錨支護方案剖面（單位：m、mm）

坑內外均采用管井降水，坑內水位降至坑底以下0.5～1 m，坑外水位降至地表以下4 m 左右，基坑四周設截水溝排除地表水。

初定的支護方案屬于單層錨桿支擋式結構，設計除進行強度、變形計算外，還必須對支護結構進行穩(wěn)定性驗算，包括抗傾覆、整體穩(wěn)定、抗隆起驗算?？孤∑痱炈阌职拥卓孤∑稹Φ卓孤∑痱炈?。

由于本工程位于長江口北岸軟土地區(qū)，地質條件較差，地表向下17 m 左右為淤泥質粉質黏土與砂質粉土交互沉積土層，17～43 m 主要是淤泥質粉質黏土層，基坑挖土深度10 m，支護樁必然要進入淤泥質粉質黏土層，這對支護結構的穩(wěn)定不利。

基坑安全等級設定為二級，考慮基坑四周有土方車及混凝土攪拌泵車通過，施工超載取30 kPa，采用同濟啟明星FRWS 軟件，按國家基坑規(guī)范，對支護樁三種入土深度的方案進行計算，結果匯總于表2。

由表2 可知：

表2 按國家規(guī)程JGJ120—2012 計算結果

（1）支護樁入土深度從16 m 到26 m，支護結構的最大內力及最大變形基本上沒有變化；

（2）支護樁入土深度越深，穩(wěn)定性安全系數(shù)越大；

（3）支護樁入土深度16 m，抗傾覆、整體穩(wěn)定、墻底抗隆起驗算均已滿足驗算要求，僅坑底抗隆起驗算不能滿足驗算要求；

（4）支護樁入土深度達 26 m，坑底抗隆起驗算方能滿足驗算要求。

支護樁及錨樁的部分參數(shù)通過強度驗算即可確定，但支護樁的入土深度必須根據(jù)穩(wěn)定性多項指標的驗算才能最終確定。

本工程支護樁的入土深度達26 m，方能滿足穩(wěn)定驗算的全部要求，插深比2.6，顯然不盡合理。因此有必要對坑底抗隆起驗算進行分析。

國家基坑規(guī)范規(guī)定：坑底抗隆起穩(wěn)定驗算應符合以最下層錨拉點為軸心的圓弧滑動穩(wěn)定性要求，圓弧滑動模式的計算簡圖如圖3所示，計算公式見式（1）。

圖3 國家規(guī)程計算簡圖

式中：Kr為以最下層支點為軸心的圓弧滑動安全系數(shù)，安全等級二級時Kr為1.9；cj、φj分別為第j土條在滑弧面處土的黏聚力（kPa）、內摩擦角（°）；lj為第j土條的滑弧長度，m，取lj=bj/cosθj；qj為第j土條頂面上的豎向壓力標準值，kPa；bj為第j土條的寬度，m；θj為第j土條滑弧面中點處的法線與垂面的夾角，（°）；ΔGj為第j土條的自重，kN，按天然重度計算。

支護樁的入土深度16 m，按公式（1）計算，坑底抗隆起的安全系數(shù)為1.38，距要求的安全系數(shù)1.9差27.36%。

而采用同濟啟明星FRWS 軟件，按上海基坑規(guī)范，同樣對支護樁三種入土深度的方案進行計算，結果匯總于表3。

表3 按上海規(guī)范DG/TJ 08?61?2010 計算結果

由表3 計算結果可知：支護樁的入土深度16 m，按上海基坑規(guī)范計算，坑底抗隆起安全系數(shù)為1.79，距要求的安全系數(shù)1.9 相差5.79%。

對比表2、表3 發(fā)現(xiàn)，國家基坑規(guī)范與上?；右?guī)范計算出的內力、位移均比較接近，抗傾覆安全系數(shù)差別很小，整體穩(wěn)定和墻底抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)也一致，但坑底抗隆起的安全系數(shù)卻差別較大。

上?；右?guī)范坑底抗隆起穩(wěn)定驗算采用圓弧滑動模式，假定坑底隆起破壞面為圓弧形且滑動面經過樁底，其圓弧部分的圓心在錨拉點處，圓弧滑動模式的計算簡圖如圖4所示。

圖4 上海規(guī)范計算簡圖

利用力矩平衡法進行分析，力矩平衡法的圓心固定在錨拉點處?？孤∑鸢踩禂?shù)表示為

式中：γRL為抗隆起安全系數(shù)，安全等級二級時γRL為1.9；MRLk為抗隆起力矩標準值，kN·m/m；MSLk為隆起力矩標準值，kN·m/m；Msk為圍護墻的容許力矩標準值，kN·m/m；MRLkj為坑外最下道支撐以下第j層土產生的抗隆起力矩標準值，kN·m/m；MRLkm為坑內開挖面以下第m層土產生的抗隆起力矩標準值，kN·m/m；MSLkq為坑外地面荷載產生的隆起力矩標準值，kN·m/m；MSLki為坑外最下道支撐以上第i層土產生的隆起力矩標準值，kN·m/m；MSLkj為坑外最下道支撐以下、開挖面以上第j層土的隆起力矩標準值，kN·m/m。

比較分析上?；右?guī)范與國家基坑規(guī)范坑底抗隆起計算公式，可以發(fā)現(xiàn)，上?；右?guī)范與國家基坑規(guī)范考慮的滑動力矩相同，但抗滑動力矩卻不同。上?；右?guī)范中抗滑動力矩包括：①圍護墻的容許力矩；②滑動面FECK 上抗剪強度產生的抗滑力矩；③EFG 區(qū)域內土體自重產生的抗滑力矩。而國家基坑規(guī)程中抗滑動力矩僅包括滑動面ECK 上抗剪強度產生的抗滑力矩。這就是同一基坑工程采用上海基坑規(guī)范與國家基坑規(guī)范驗算坑底抗隆起穩(wěn)定，其安全系數(shù)不同的原因。但上?；右?guī)范與國家基坑規(guī)范要求的安全系數(shù)卻又相同。

在基坑工程實踐中，上海地區(qū)積累了大量的軟土基坑支護工程經驗，本工程位于長江口北岸，采用上?；右?guī)范進行坑底抗隆起驗算較為合理。如支護樁的入土深度達18 m，按上?；右?guī)范驗算坑底抗隆起穩(wěn)定，安全系數(shù)即可達1.9，滿足規(guī)范要求。

另一方面，工程樁對軟土區(qū)基坑的抗隆起有明顯幫助作用[9]，而規(guī)范在坑底抗隆起的驗算中并未考慮工程樁對坑底抗隆起的貢獻。

在軟土區(qū)，高層建筑基礎大多采用樁基礎，并且樁基是在基坑開挖以前施工完成的，因此這些工程樁會對基坑開挖的性狀產生一定的影響。

由于工程樁的強度和剛度比較大，也在一定程度上提高了坑底土的整體力學性能，從而減小了支護樁的位移。當基坑開挖引起基底隆起時，由于受到工程樁的約束，樁與土之間存在摩阻力，工程樁對被動區(qū)土體具有一定的拉錨作用，有利于控制基底隆起，從而提高了抗隆起穩(wěn)定性。

采用強度折減有限元法考慮有無工程樁的存在對軟土深基坑抗隆起穩(wěn)定性對比分析結果表明：坑底有工程樁時抗隆起穩(wěn)定系數(shù)明顯高于無工程樁[10]。基于工程樁的有利作用，本基坑將支護樁的入土深度調整至16 m 作進一步分析探討。

考慮工程樁與周邊土對抗隆起穩(wěn)定性的影響，把入土深度范圍內樁與土體間總的摩阻力平均到整個基坑。整個基坑范圍內基礎底共布置鉆孔灌注樁1869 根，其中：樁徑1 m，樁長62 m，501 根；樁徑0.7 m，樁長37 m，1368 根，在基坑被動區(qū)支護樁入土深度16 m 范圍內，工程樁對土增加的黏聚力按式（5）計算。

式中：α為工程樁與土體間的黏聚力修正系數(shù)，小于1，本工程取0.7 計算；u為樁身周長，m；ci為支護結構入土深度范圍內被動區(qū)土體的黏聚力，kPa；A為基坑范圍內基礎底面積，m2。

在被動區(qū)滑動面FE 上增加的抗滑力按式（6）計算[1]。

采用同濟啟明星FRWS 軟件，按上海規(guī)范DG/TJ 08?61?2010 驗算坑底抗隆起，抗滑力為：4083 kN/m，滑動力為：2283.7 kN/m，坑底抗隆起安全系數(shù)1.79，考慮工程樁的有利影響，坑底抗隆起安全系數(shù)增加到：

說明若考慮工程樁的有利影響，支護樁的入土深度16 m，就可以滿足坑底抗隆起的驗算要求。

此外，尚有一些有利因素還未加考慮，因此，本工程的支護樁的入土深度最終確定取16 m。

3 實測結果

該工程支護樁的施工時間是2019年7月10日?2019年10月20日，基坑挖土時間是2019年9月1日?2019年12月初，2019年11月即開始部分地下室施工，2020年1月20日大部分地下室已施工至地下一層，2020年4月施工至±0，工法樁中的型鋼于2020年6月20日全部拔出。

根據(jù)監(jiān)測資料，至2019年12月4日，基坑的位移、基坑周邊沉降變化達到最大值，基坑東南側支護樁壓頂梁最大水平位移達39.8 mm，代表性的深層土體位移曲線參見圖5。

圖5 深層土體位移曲線

坑外地面的最大沉降31.5 mm，坑底隆起變形量為23.4～32.8 mm，均在正常范圍內。圖6 為基坑開挖后的實際效果。

圖6 基坑開挖后的實景圖

4 結論

(1)軟土深基坑支護，由于土的抗剪強度較低，支護樁的入土深度主要由坑底抗隆起穩(wěn)定驗算控制，而采用國家基坑規(guī)范JGJ120?2012 公式與采用上海基坑規(guī)范DG/TJ 08?61?2010 公式驗算，其穩(wěn)定安全系數(shù)相差很大。

(2)上海附近地區(qū)的軟土深基坑支護結構，坑底抗隆起穩(wěn)定驗算采用上?；右?guī)范DG/TJ 08?61?2010 公式比較合理。而按國家基坑規(guī)范JGJ 120?2012 驗算，樁的入土深度過長，不夠經濟。

(3)坑內工程樁對坑底抗隆起穩(wěn)定驗算的有利影響，可以適當加以考慮。有必要進一步對坑內工程樁參與坑底抗隆起穩(wěn)定驗算方法進行探討，使計算結果更貼近工程實際。