土塞效應(yīng)在基坑工程中的研究與應(yīng)用

張世彬

（臨沂市園林環(huán)衛(wèi)保障服務(wù)中心，山東 臨沂 276000）

1 研究背景

土塞效應(yīng)經(jīng)常發(fā)生于狹小地下結(jié)構(gòu)施工中。當(dāng)土被擠壓至很小的范圍時(shí)，隨著土體受到擠壓力，其性質(zhì)逐步變得致密。例如在開口管樁、壓入式沉井中的土塞效應(yīng)，常常造成施工困難。國內(nèi)外針對這種土塞已有很多理論研究和工程實(shí)踐。朱合華等[1]對軟土超長PHC 樁打樁進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)影響土塞高度的主要因素是土性。但管樁中的土塞受擠壓的形態(tài)和機(jī)理與基坑工程差異較大。

在狹小空間里的基坑工程，由于圍護(hù)樁下部土體受到擠壓產(chǎn)生的土塞對基坑的穩(wěn)定性起到一定的有利作用，這方面已有工程人員進(jìn)行分析研究。陳震等[3]通過對土層參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從理論上分析了利用坑底土體擠壓產(chǎn)生的“土塞效應(yīng)”，達(dá)到減小插入比的目的，并在黃河沖積互層地區(qū)的深基坑中進(jìn)行了應(yīng)用。潘衛(wèi)康等[4]針對狹小深基坑的擠土效應(yīng)進(jìn)行了理論分析，并進(jìn)行了工程應(yīng)用。

然而，工程中仍然普遍把狹小深基坑當(dāng)作普通基坑進(jìn)行設(shè)計(jì)，在沒有其他因素制約時(shí)，并不會主動(dòng)減小插入比。因此，積累相關(guān)類型的工程設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，對今后類似基坑工程的應(yīng)用有一定的借鑒意義。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比對基坑開挖的影響

通常情況下，基坑需按照基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)，內(nèi)支撐的剛度由平面框架進(jìn)行試算。然而實(shí)際情況中，由于地下工程施工過程需避讓現(xiàn)狀埋地構(gòu)筑物，并非所有圍護(hù)樁都有條件插入至較深位置；或者基坑圍護(hù)樁已經(jīng)施工完成，由于種種原因，基坑需要增加開挖深度。這些情況都使圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比小于常規(guī)所需值。工程中面對這種情況時(shí)，從技術(shù)層面分析，一般有兩種解決辦法：（1）通過增加措施，使基坑在小插入比情況下滿足基坑整體穩(wěn)定和變形控制要求；（2）廢除該基坑方案，另外選址重新開挖基坑。隨著城市空間日益密集，地下空間往往被各種建（構(gòu)）筑物所占據(jù)，另選址開挖深基坑的做法通常要付出很大代價(jià)。因此，工程技術(shù)人員希望利用現(xiàn)有基坑，通過計(jì)算分析、增加措施等方法，對原基坑方案進(jìn)行修改和優(yōu)化。

3 基坑面積對樁插入比的影響

常規(guī)的基坑工程，在設(shè)計(jì)時(shí)均采用圍護(hù)斷面與支撐平面框架分別計(jì)算的形式進(jìn)行（見圖1）。其中，圍護(hù)斷面中的支撐剛度由平面框架計(jì)算出的平均剛度結(jié)果反向迭代。在這種計(jì)算方式中，基坑圍護(hù)樁受力與變形、支撐軸力彎矩與剪力、整體穩(wěn)定性、抗傾覆、抗?jié)B流、抗突涌等一系列指標(biāo)均從該斷面計(jì)算中得出。這樣的計(jì)算模式在大型基坑中可以比較準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，但在小面積基坑、狹窄溝槽基坑中，未能有效考慮基坑平面整體性，結(jié)果往往偏于保守。但在工程設(shè)計(jì)中，在條件允許的情況下，工程技術(shù)人員寧可采用保守但偏安全的方案，于是仍然采用該方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，不再進(jìn)行下一步優(yōu)化。

圖1 大面積與小面積基坑圍護(hù)樁對坑底下土體作用力示意圖

但是，由于各種各樣的原因，實(shí)際工程中并非所有基坑圍護(hù)樁都可以順利打入土層中的設(shè)計(jì)標(biāo)高，導(dǎo)致常規(guī)的基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)不成立。于是，工程中往往會采用“無圍護(hù)樁”的形式，如沉井法、氣壓沉箱法、非開挖管道施工法、放坡開挖法等方式（見圖2）。其中，沉井法、氣壓沉箱法與小面積的基坑有一定的相似性。沉井的外壁與刃腳在某種程度上可以看作基坑圍護(hù)樁的另一種形式，區(qū)別在于刃腳往往遠(yuǎn)小于上部壁板高度，而基坑圍護(hù)樁插入坑底下部的長度往往大于坑底以上長度，即圍護(hù)樁插入比大于1。造成這種差異的根源，一方面在于沉井結(jié)構(gòu)為整體預(yù)制，整體性高于零散的圍護(hù)樁體；另一方面在于沉井往往區(qū)格較小，不像大開挖的基坑有較大的開挖面。在沉井下沉過程中，刃腳可以對所包裹的土體不斷進(jìn)行擠壓，形成致密的土塞，使其對刃腳的作用力高于靜止土壓力。當(dāng)挖除部分該土體后，沉井由于底部壓力釋放而繼續(xù)下沉，再次將下方土體擠壓至新的平衡狀態(tài)。

圖2 沉井與基坑圍護(hù)樁對比

當(dāng)開挖作業(yè)面積小、基坑圍護(hù)樁體連接較緊密時(shí)，這種基坑與尺寸近似的沉井在受力形式上的差異相對較小，從理論上應(yīng)該可以尋求一定的可比性，即研究是否可以考慮圍護(hù)樁底部土體受到一定擠壓，對其產(chǎn)生較大的被動(dòng)土壓力，從而在計(jì)算基礎(chǔ)上分析減小圍護(hù)樁插入比的可能性。

在工程設(shè)計(jì)中，盡管從理論上可以考慮基坑平面效應(yīng)，甚至圍護(hù)樁對坑底土體擠壓所形成的“土塞效應(yīng)”。但由于基坑工程屬于危大工程，安全性要求始終高于經(jīng)濟(jì)性，且土塞效應(yīng)的效果不能根據(jù)簡單的計(jì)算直接斷定。因此，必須采用較小插入比時(shí)的基坑設(shè)計(jì)，往往仍會人為加強(qiáng)坑底土塞的效果，即采用深厚坑底土加固措施，使其本身也具有足夠高的強(qiáng)度。此時(shí)在樁體擠壓下可以進(jìn)一步加強(qiáng)，形成“土塞效應(yīng)”雙保險(xiǎn)，充分保障基坑施工安全。

4 工程案例

上海某工程需埋設(shè)數(shù)十千米長的大直徑管道，管道埋深約15～20 m，采用頂管法分段實(shí)施。其中一處頂管井，埋深18.9 m，采用? 1 200 鉆孔灌注樁實(shí)施，原設(shè)計(jì)方案采用啟明星FRWS 軟件，截取圍護(hù)斷面進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算簡圖見圖3。

圖3 上海某頂管井基坑斷面（單位：m）

根據(jù)該計(jì)算結(jié)果，圍護(hù)樁樁長為41 m，插入比約為1∶1.17。根據(jù)該計(jì)算結(jié)果進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)，基坑形式為圓形，? 1 200 鉆孔灌注樁與雙排? 850＠600 三軸攪拌樁止水帷幕，坑底4 m 厚三軸攪拌樁滿堂加固。在該方案中，基坑的受力與變形均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。具體形式見圖4。

圖4 已施工完成的頂管井平、剖面圖（兼作工作井和接收井）（單位：mm）

然而，該頂管井實(shí)施完成后，頂管開始頂進(jìn)時(shí)，頂管機(jī)頭遇到不明障礙物而無法繼續(xù)頂進(jìn)。在各方協(xié)調(diào)后，采用了總體管線下凹避讓該障礙物，因此該頂管井需加深至24.6 m。若直接按原41 m 的圍護(hù)樁長分析，樁的插入比已經(jīng)到1∶0.67，遠(yuǎn)小于基坑常規(guī)的插入比經(jīng)驗(yàn)值，必須加上一些非常規(guī)的措施，如頂管進(jìn)出口洞口加固措施加強(qiáng)、坑底加固標(biāo)準(zhǔn)提高等。從基坑受力原理上講，圍護(hù)樁底部對坑底土體有一定擠壓作用，若采用整體建模的方式進(jìn)行分析，減小插入比后仍有可能滿足基坑整體穩(wěn)定要求。

本工程采用了Midas GTS 對該基坑進(jìn)行整體建模計(jì)算，土體采用修正摩爾- 庫侖模型，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用等效剛度地連墻（將鉆孔灌注樁等效成等剛度地連墻），基坑圍護(hù)坑底暫按原狀土性質(zhì)考慮，四周及底板施加約束，計(jì)算外擴(kuò)尺度約為開挖深度的3 倍，采用強(qiáng)度折減法來模擬樁底所形成的天然土塞效應(yīng)，以及該基坑最終的變形、受力與穩(wěn)定性分析情況（見圖5、圖6）。

圖5 計(jì)算模型

圖6 等效圍護(hù)墻體變形與彎矩

針對原基坑設(shè)計(jì)方案和超挖后的基坑設(shè)計(jì)方案分別建模，用強(qiáng)度折減法分析基坑整體穩(wěn)定情況。分析發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計(jì)方案圍護(hù)樁插入比約為1∶1.17，超挖后的基坑圍護(hù)樁插入比約為1∶0.67，但基坑整體穩(wěn)定系數(shù)FOS 均為6.0，并未因插入比變化而減弱。從土層剖面剪應(yīng)變云圖（見圖7、圖8）中可以看出，樁體兩側(cè)土體向坑底形成擠壓效應(yīng)，形成一塊 “土塞”，對基坑整體穩(wěn)定起到了有利作用。

圖7 超挖前土體剪切破壞應(yīng)變云圖（插入比1∶1.17，穩(wěn)定系數(shù)FOS =6.0）

圖8 超挖后土體剪切破壞應(yīng)變云圖（插入比1∶0.67，穩(wěn)定系數(shù)FOS =6.0）

經(jīng)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)基坑盡管插入比減小了很多，但由于開挖作業(yè)面較小，整個(gè)基坑呈豎向瘦長、橫向狹小的形態(tài)，坑底土體應(yīng)力顯著高于坑外土體，而變形則限制得比較好。經(jīng)對比，在原基坑斷面計(jì)算時(shí)，分析出的水平位移與豎向沉降均達(dá)到70 mm 左右，超過了規(guī)范允許值，而在考慮基坑空間效應(yīng)的有限元整體模型中，基坑外圍土體的變形趨勢造成坑底土體受到軸向擠壓，形成土塞效應(yīng)，對基坑是一個(gè)有利作用，最終各方向的位移分析值均非常小（見圖9、圖10）。因此可以認(rèn)為，基坑整體的穩(wěn)定、變形均可以控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

圖9 按基坑斷面分析的水平位移與豎向沉降計(jì)算值

圖10 有限元整體建模分析的變形結(jié)果

然而，畢竟如此小插入比的基坑形式案例不多、經(jīng)驗(yàn)較少，現(xiàn)場施工時(shí)，仍然對坑底進(jìn)行了深厚土體人工加固，采用高壓旋噴樁方式，從而對基坑的安全施工人為增加了一道保險(xiǎn)（見圖11）。

圖11 變更后的基坑圍護(hù)斷面（單位：mm）

最終，頂管井采取了“11 m 厚的坑底加固”方案，使坑底土體在進(jìn)一步開挖之前就達(dá)到質(zhì)量可控的“土塞”狀態(tài)，并在鉆芯檢驗(yàn)合格后再進(jìn)行開挖。值得一提的是，該頂管井在二次開挖后，1 倍坑深范圍內(nèi)已有重要構(gòu)筑物，基坑環(huán)境保護(hù)等級從二級變?yōu)橐患?，客觀上需要嚴(yán)控基坑自身和周邊構(gòu)筑物的變形。而在采取此方案實(shí)施后，基坑開挖至新的設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，未產(chǎn)生超過規(guī)范允許的變形，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)過程中的分析假定，其結(jié)果與設(shè)計(jì)推測基本相符，對后續(xù)工程的實(shí)施具有一定借鑒意義。

5 結(jié)語

影響基坑安全的因素有很多，本文論述的可考慮土塞效應(yīng)的基坑通常為小面積基坑、狹窄的溝槽。這種情況下，從經(jīng)驗(yàn)上可以采用較小的插入比進(jìn)行設(shè)計(jì)，而基坑開挖深度、人工坑底加固參數(shù)取值、基坑形狀對坑底土塞的形成都有一定程度的影響。本文所選的案例采用的是圓形基坑平面，其整體效應(yīng)在各種形狀基坑中最牢固。此時(shí)坑底土體可受到四周均勻擠壓，形成圓柱形的土塞，壓應(yīng)力顯著高于圍護(hù)樁外的土體，在有限元分析時(shí)，變形可小于同深度情況下的其他形狀或大面積的基坑。因此，在相同情況下，開挖面小、平面較規(guī)則（如圓形、正多邊形等）的基坑更容易形成坑底土塞，從而達(dá)到減小圍護(hù)樁插入比的目的。

天然土塞效應(yīng)對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)屬于直接有利作用。實(shí)際上，工程設(shè)計(jì)中往往忽略該部分的有利作用，直接按主動(dòng)土壓力進(jìn)行考慮。這也是基于基本的工程安全進(jìn)行考量。然而，當(dāng)環(huán)境復(fù)雜、方案無法按常規(guī)方式進(jìn)行考慮時(shí)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)必須采用比常規(guī)方案更激進(jìn)的形式進(jìn)行實(shí)施，一方面可以通過計(jì)算，考慮由基坑空間整體效應(yīng)和坑底土塞效應(yīng)帶來的效果，分析基坑在數(shù)值計(jì)算中的整體穩(wěn)定和變形控制等指標(biāo)；另一方面，可以通過人為坑底加固的形式，形成人工土塞，從而進(jìn)一步提高基坑整體穩(wěn)定性。