軟土地區深基坑設計與變形分析技術

謝 平

軟土泛指抗剪強度低、壓縮性大的軟弱土層，主要為飽和軟粘土，在天然地層剖面上，它往往與泥炭或粉砂交錯沉積。深基坑工程土方開挖必將產生支護結構變形以及基坑周圍土體變形，開挖引起的變形不僅與地質條件、支護情況、環境氣象條件、基坑開挖方案、支撐預應力及施加時間等有關，同時還受降水、坑外超載等因素的影響，尤其是在軟土地區，由于軟土的天然含水率高、低強度、高壓縮性和弱透水性，基坑變形具有發展快、變形量相對較大和變形穩定所經歷的時間長等特性。深基坑工程設計及變形分析是軟土地區深基坑施工的關鍵技術，本文結合工程實例加以闡述。

1 工程概況

某工程主體地上 8層，地下室 2層，地下室基坑開挖深度最深達-16.80 m，基坑平面尺寸約為80m×57 m，基坑大致呈矩形。該場地在施工前曾為大面積池塘，后經人工填土整平，土質軟弱，土層含水量較高，屬于典型的軟土，場地各土層主要物理力學參數如表 1所示，開挖土層大部分為淤泥質土，透水性差，因此可能在開挖中發生較大變形。

表1 土層主要物理力學參數

2 深基坑施工方案設計

2.1 結構布置

綜合考慮安全、經濟、對周邊環境影響、施工便利這四個因素，本工程基坑設計采用鉆孔灌注樁加兩道內支撐作為支護結構，鉆孔灌注樁樁長26.5m，樁徑1.1m，間距1.3m，外側設置雙軸深層攪拌樁止水帷幕，直徑0.7m，間距1m，深16m。支護樁內支撐采用混凝土桁架支撐和鋼管支撐兩種形式，上下兩道支撐頂面標高分別為-2.0m和-6.5m，第一道支撐在基坑四個角部采用混凝土桁架形式，主撐截面為700mm×700mm，聯系梁截面為700mm×500mm，圍檁截面為600mm×800mm;第一道中部支撐及第二道支撐均采用雙鋼管支撐，截面為 2φ609 mm× 16mm;在圍護樁頂設置圈梁，截面為1 100mm×800mm，混凝土支撐及圍檁的強度為 C30。

基坑支護結構布置如圖1所示。

2.2 基坑施工工藝

基坑的開挖及支撐應遵從“分層、分步、對稱、平衡”的原則，通過控制分層開挖的層數、每層開挖的深度，以及每層開挖中的暴露時間和暴露的寬度及高度，充分利用未開挖土體的支撐作用，使支護結構及土體的變形控制在容許范圍之內。

確定本工程基坑施工流程:1)場地平整放線;2)設置降水井點，基坑預降水;3)開槽施工第一道支撐和鋼筋混凝土頂圈梁;4)土方開挖到第二道支撐底;5)施工第二道支撐和圍檁;6)土方分層開挖到基礎大底板底面，澆筑混凝土墊層，同時進行局部深坑的開挖;7)開挖結束，布置基礎底板鋼筋及鋼管混凝土工程柱，澆筑基礎大底板;8)基礎大底板設置換撐結構，拆除第二道支撐;9)施工地下 2層結構;10)在第一道支撐位置換撐，拆除第一道支撐;11)施工地下1層結構至±0.00樓板完成;12)基坑回填。

整個基坑開挖嚴格遵循“先撐后挖，分層開挖，嚴禁超挖”的原則進行，盡量減小基坑支護結構及周圍地層的變形。混凝土支撐在開挖完成后 48 h之內澆筑完畢，鋼支撐在開挖完成后 24 h內架設。

表2 模擬開挖與支撐工況

3 深基坑開挖變形分析

深基坑施工引起的變形主要包括圍護結構的變形、坑底土體隆起以及周圍地層的移動三方面。基坑開挖過程是開挖面上的卸載過程，不僅導致坑底土體產生以向上為主的位移，而且也引起圍護結構在兩側土壓力差下而產生的水平向變形，圍護結構的變形進一步導致坑底土體的塑性隆起，這兩者又是導致周圍地層移動的主要原因。

結合本工程的實際施工過程，考慮 14個工況，分析工況如表2所示。

基坑開挖與支撐過程樁體位移計算分析結果表明:

1)樁體變形位移特點。懸臂開挖階段，最大位移處位于樁頂，為57.5mm，施加第一道鋼支撐預應力后，樁頂受到擠壓，最大位移減為49.1mm;隨著進一步開挖，樁頂受到支撐約束，位移變化很小，最大位移處開始向下移動;在開挖到底后，最大位移為91.9mm，位于-15.5m處。2)超開挖對樁體位移的影響。考慮了兩種施工中可能出現的超挖工況進行計算。超挖工況一:無任何支撐，一步開挖至-5.0m;超挖工況二:按正常施工順序施工至-7.0m，不加第二道鋼支撐，超挖至-9.0m。計算結果表明，超挖會造成樁體位移明顯增加:在懸臂開挖階段，超挖造成樁頂位移大大增加，約增大84%;在第一道支撐設置后，由于超挖造成樁身最大位移增幅達 30.5%。因此在深基坑開挖中，要嚴格禁止超挖現象，一定要“先撐后挖”。3)鋼支撐預應力度對樁體位移的影響。考慮了三種不同的預應力度分別進行計算:不施加任何預應力;兩道鋼支撐都施加了 100 t的預應力;兩道鋼支撐都施加了200 t的預應力。

計算結果表明，與無預應力情況相比，施加 100 t預應力可以使樁頂位移減小10.4%，樁體最大位移減小5.2%;施加200 t預應力可以使樁頂位移減小 22%，樁身最大位移減少 11%。因此可見對鋼支撐施加一定的預應力對減小支護樁的位移具有明顯的效果。

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