濱海灣新區(qū)軟土基坑支護(hù)變形及控制措施研究

周書東，張貴保，張彤煒，張 益，黃錦盛

（東莞市建筑科學(xué)研究院有限公司 廣東東莞 523809）

0 引言

近年來，隨著城市化、工業(yè)化進(jìn)程的不斷推動，社會和經(jīng)濟(jì)的急速發(fā)展，我國在城市地下空間開發(fā)使用已經(jīng)進(jìn)入疾速增長階段，尤其是巖土類的基坑工程得到迅速發(fā)展。就目前的基坑工程發(fā)展情況而言，其主要特點(diǎn)有：①基坑的數(shù)量與日俱增；②基坑的深度和面積逐漸變大；③基坑的周邊管線和環(huán)境情況越來越復(fù)雜。對于在基坑工程中的施工階段，如何保證基坑和周邊建構(gòu)筑物的安全，將成為決定基坑設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵點(diǎn)［1］。

對于土質(zhì)較好的地層，基坑開挖過程中引起的周邊地層變形?。粚τ谲浲恋貐^(qū)的地層，其地質(zhì)和水文條件比較差，軟土層具有壓縮性高、含水率高、滲透性低及流塑性等特性，因此基坑的變形也會更大，軟土類基坑在施工過程中的變形控制愈加艱難［2］。軟土基坑的開挖一般會導(dǎo)致臨近地層的地下水位、土壓力的變化，也會對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)造成一定的變形，周邊地面會產(chǎn)生沉降，因此將會對基坑的周邊環(huán)境帶來不利影響，進(jìn)一步影響基坑的安全穩(wěn)定性［3-5］。

由于需要保證基坑周邊環(huán)境的安全，除了要求圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度必須符合設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求之外，對于基坑變形需要采取更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋O(jiān)測及控制手段，尤其是對基坑變形的控制研究已成為軟土地區(qū)基坑工程的重中之重［6］。

1 軟土的主要特性

軟土是第四紀(jì)后期地表流水所形成的沉積物質(zhì)，它主要包括淤泥和淤泥質(zhì)土，一般是第四紀(jì)后期在濱海、湖泊、河灘、三角洲、冰磧等地質(zhì)環(huán)境下緩慢沉積所形成。尤其是濱海灣新區(qū)的軟土，長期受到暴風(fēng)雨和海浪的侵襲，并且伴隨著生成的沙堤，所以軟土中常常夾有黏土和砂、清砂層。各地區(qū)軟土層由于厚度不同，對工程的影響也不同。

軟土的共性有顏色呈深灰或灰黑色，飽和、軟～流塑狀，具有高壓縮性，土質(zhì)細(xì)膩，含少量貝殼類碎屑，具有腥臭味，有機(jī)質(zhì)含量高，承載力低等主要特性。

2 軟土基坑變形的主要原因

通過實(shí)地調(diào)查及統(tǒng)計(jì)軟土地區(qū)項(xiàng)目的基坑變形，存在的主要原因如圖1所示。

圖1 軟土地區(qū)基坑變形成因分析Fig.1 Analysis of the Causes of Foundation Pit Deformation in Soft Soil Area

3 軟土基坑變形的破壞形式

3.1 穩(wěn)定性破壞

軟土基坑變形的穩(wěn)定性破壞如表1所示。

表1 軟土地區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性破壞Tab.1 Stability Destruction of Foundation Pit Supporting Structure in Soft Soil Areas

3.2 強(qiáng)度破壞

軟土基坑變形的強(qiáng)度破壞如表2所示。

表2 軟土地區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞Tab.2 Strength Failure of Foundation Pit Supporting Structure in Soft Soil Area

4 軟土基坑變形的控制要點(diǎn)

軟土基坑變形的控制要點(diǎn)如圖2所示。

圖2 軟土基坑變形的控制要點(diǎn)Fig.2 Key Points for Controlling Deformation of Soft Soil Foundation Pit

5 軟土基坑變形的有效控制措施

5.1 選擇合理的基坑支護(hù)形式

針對軟土基坑變形的控制，其合理的支護(hù)形式選擇如表3所示。

表3 軟土基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選型Tab.3 Soft Soil Foundation Pit Support Structure Selection

5.2 土體加固及土層m值的合理取值

⑴軟土層受到擾動后，其微觀結(jié)構(gòu)受到破壞并且強(qiáng)度呈現(xiàn)急速降低的趨勢。對于軟土地區(qū)的基坑支護(hù)，為了快速改善軟土的特殊性，常常采用地基加固處理手段使土體固結(jié)，本質(zhì)上增強(qiáng)了土體的強(qiáng)度，并有效地提高了軟土層的側(cè)向力，也減少了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形位移，從而從根本上保證基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性。

土體加固可以降低軟土的壓縮特性，改善軟土的透水特性和不良地質(zhì)特性，提高地基的抗剪強(qiáng)度，保證了軟土基坑的變形位移和安全穩(wěn)定性。而針對被動區(qū)的土體加固，一般多采用攪拌樁、旋噴樁和注漿的加固處理措施?；颖粍訁^(qū)采用階梯式加固能達(dá)到矩形全尺寸加固的效果，開挖后的樁身位移量和坑外地表沉降量結(jié)果相近［7］。

⑵為改善基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在軟土層的嵌固條件，采用對被動區(qū)的軟土層進(jìn)行加固處理，保證對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制，對基坑進(jìn)行變形計(jì)算時，將加固范圍內(nèi)的軟土層看作為另一完整土層，即按加固土層的c、φ、m值進(jìn)行計(jì)算。

另外，被動區(qū)土體加固寬度不應(yīng)少于支護(hù)樁（墻）在坑底以下嵌固深度的1.1～1.2 倍（主要是使加固體能覆蓋被動區(qū)極限狀態(tài)的破裂面），當(dāng)支護(hù)樁（墻）嵌固深度超過4/α，可取坑底至4/α點(diǎn)深度的1.1～1.2 倍（其中α為滑動土條底面與水平面的夾角，潛在破裂與垂直面的夾角）。當(dāng)被動區(qū)土體加固采用階梯形式布置時，其近支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)加固土厚度≥5～6 m，遠(yuǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)≥2～3 m，涉及到有承臺的情況，必須將加固范圍降低至承臺坑以下，另外還需開挖承臺時增加支撐傳力帶等措施。

被動區(qū)加固土的土層參數(shù)的選取應(yīng)根據(jù)勘察的地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)的加固方案、現(xiàn)場的施工工藝、現(xiàn)場實(shí)際土層的具體性質(zhì)，可按c=60～80 kPa，φ=0選取［8］。

⑶ 依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程：JGJ 120—2012》第4.1.6條中給出的m值公式計(jì)算確定。

每層土的m值按下式計(jì)算：

式中：m為土的水平反例系數(shù)的比例系數(shù)（MN/m4）；c為土體的粘聚力（kPa）；φ為土體的內(nèi)摩擦角（°）；νb為支護(hù)樁在坑底處的位移量（mm），當(dāng)此處的水平位移量不大于10 mm時，可取νb=10 mm。

采用理正深基坑軟件和被動土加固寬度影響計(jì)算綜合考慮確定軟土層的m值。通過計(jì)算不同加固寬度條件下基坑開挖對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，確定最優(yōu)有效加固寬度，超過最優(yōu)加固寬度后，其加固效果提高不明顯，綜合考慮采用線性插值法確定適合該地層的m值。m值的確定可以較好地解決軟土基坑被動區(qū)加固的計(jì)算難題，有較好的應(yīng)用價值。

濱海灣新區(qū)軟土層的參數(shù)取值如表4所示。

表4 濱海灣新區(qū)軟土層參數(shù)c、φ、m的取值Tab.4 Parameter Values of c，φ，m for Soft Soil Layers in Binhaiwan New Area

5.3 內(nèi)支撐豎向間距加密

對于涉及地下軌道、歷史文明建筑物、基坑周邊重要管線等環(huán)境保護(hù)要求高的基坑工程，其支撐往往都采用對撐布置，且支撐豎向布置間距需要加密。另一方面，適當(dāng)減少內(nèi)支撐的豎向間距，即加密了支撐的布置，相應(yīng)縮短了基坑沒有支撐布置的暴露時間，還增強(qiáng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)體的相對剛度，對基坑的安全穩(wěn)定性有利。

在軟土基坑工程中，合理增加支撐的道數(shù)，減少豎向支撐的間距，此方案雖對施工作業(yè)不便，但對控制基坑變形、保證基坑安全是非常有有利的［9］。

支撐體系剛度如果不足，在外力作用下，支撐的縮短量即為支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移量，因此加強(qiáng)支撐體系剛度在一定范圍內(nèi)可減少支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，如支護(hù)墻，當(dāng)支撐體系剛度達(dá)到某種程度時，繼續(xù)增大剛度對變形量的影響將不再明顯。

支撐剛度與基坑變形如圖3所示。

圖3 支撐剛度與基坑變形影響示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the Influence of Support Stiffness and Foundation Pit Deformation

5.4 充分考慮土方開挖的時空效應(yīng)

⑴基坑開挖過程中，由于上層土方被挖掉，打破了原有的覆土荷載平衡，使基坑底的土方產(chǎn)生應(yīng)力釋放，導(dǎo)致地基土方變形和隆起。土壓力松弛會使土體的應(yīng)力和位移隨時間推移而改變，例如在土體應(yīng)力較小的情況下，其彈性蠕變變形很小，并且存在收斂且穩(wěn)定的狀況，當(dāng)土體應(yīng)力達(dá)到或超過蠕變變形的極限應(yīng)力時，其變形速率會迅速增大和導(dǎo)致破壞［10］。

⑵考慮基坑結(jié)構(gòu)的特性參數(shù)、軟土的力學(xué)特性、施工工藝參數(shù)，提出詳細(xì)的開挖施工順序，嚴(yán)格按照分層、分步、對稱、平衡及限時的原則。適當(dāng)減少每道工序土方開挖的空間尺寸，減少上方支護(hù)結(jié)構(gòu)無支撐的暴露時間，可以有效降低土體應(yīng)力水平、控制軟土流變的位移。綜合考慮土方開挖的時空效應(yīng)，利用土體自身擁有控制地層位移的能力，可以解決軟土基坑工程的安全穩(wěn)定性和變形位移等問題［11］。

5.5 基坑降水的加強(qiáng)

在基坑降水的同時，需要保持基坑內(nèi)外的水土平衡，始終保證基坑周邊土體的沉降和變形在允許范圍內(nèi)。為減少基坑工程降水對地面沉降的影響，除了利用其支護(hù)結(jié)構(gòu)的止水帷幕、按需降水等方法外，可采用地下水回灌等應(yīng)對措施。

5.6 實(shí)時監(jiān)測基坑變形及位移

軟土層厚度的不同對基坑變形的敏感性不一，設(shè)計(jì)方案應(yīng)該針對不同的軟土層厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮，施工過程中應(yīng)實(shí)時關(guān)注基坑變形情況，著重關(guān)注基坑變形位移的最大處，因?yàn)樵撐恢玫耐翆訁?shù)對變形及位移影響最大。伴隨著基坑開挖的深度不斷加深，其基坑周邊地表沉降也會逐漸增大。在施工過程中要對軟土基坑的變形加強(qiáng)監(jiān)測，如因基坑周邊土的側(cè)向壓力增大，造成鋼支撐軸力過大且有可能超過其控制值時，必須立即采取增加支撐等相應(yīng)的處理措施，以免造成鋼支撐的撓曲變形及基坑位移過大，從而進(jìn)一步影響其基坑的安全穩(wěn)定性［12］。

6 結(jié)語

⑴濱海灣新區(qū)的軟土基坑工程的不確定性因素多，應(yīng)實(shí)施信息化施工，加強(qiáng)基坑監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)隱患，采取相應(yīng)補(bǔ)救措施，避免發(fā)生災(zāi)難性事故。

⑵ 濱海灣新區(qū)軟土基坑變形的控制首先要考慮施工全過程中可能產(chǎn)生的變形，綜合考慮基坑降水、基坑開挖引起基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和坑內(nèi)外土體變形的影響。

⑶由于濱海軟土地區(qū)的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形隨時間推移會不斷增加，因此，基坑挖土順序和挖土速度對基坑支護(hù)體系受力和穩(wěn)定性具有很大影響。軟土基坑挖土嚴(yán)禁超挖，分段及時澆筑墊層?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮施工的便利，基坑工程施工應(yīng)安排合理的工期。

總而言之，有很多因素會導(dǎo)致軟土基坑發(fā)生變形，例如設(shè)計(jì)參數(shù)不準(zhǔn)確、未按圖施工、周邊環(huán)境情況不詳、土方開挖不當(dāng)、施工組織不當(dāng)、支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題等，軟土基坑一旦發(fā)生變形問題，就會影響到基坑工程的質(zhì)量和安全。所以，需要對濱海灣新區(qū)軟土基坑的變形采取有效控制措施，主要包括選擇合理的基坑支護(hù)形式、土體加固及土層m值的合理取值、內(nèi)支撐豎向間距加密、充分考慮土方開挖的時空效應(yīng)、實(shí)時監(jiān)測基坑變形及位移等，保證全過程科學(xué)的、合理的設(shè)計(jì)及施工，針對性地按照相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，并對基坑變形采取相應(yīng)的控制措施，從而才能更好地保護(hù)基坑周邊的建構(gòu)筑物，有效地控制基坑變形，使濱海灣新區(qū)的軟土基坑工程質(zhì)量得到充分保障，確保整個基坑工程的安全穩(wěn)定性。