濱海相淤泥質軟土鋼板樁基坑擴坑施工研究

王 凱

(中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

連云港濱海相淤泥質軟土物理力學性質差，土質軟弱。章定文等［1］2003年對連云港地區軟土的物理力學指標做出統計，結果表明，連云港海濱相軟土具有高含水量、高液限、低密度、低強度、高壓縮性、高靈敏度等特點。由于軟土地區基坑變形控制難度高，許多學者對于軟土地區基坑變形進行了深入研究，劉建航等(1999)［2，3］通過對上海近10年來大量施工的深基坑工程流變現象的研究，提出了經驗流變模型——時空理論。劉國彬等(2007)［4］提出了基坑回彈量的簡化計算方法，能考慮開挖面積、基坑的放置時間、圍護結構的插入深度、基坑的開挖深度、超載等因素對基坑回彈的影響。李學(2007)［5］以天津某基坑支護的實例為一個1∶1的試驗模型，得到了模型在開挖時的內力及變形等試驗數據，對實體試驗進行理論分析，為鋼板樁支護結構設計提供一個比較準確的理論支持。胡俊(2008)［6］采用應力控制式三軸流變儀對連云港海相軟土進行試驗，得到土體的應力—應變—時間關系曲線，并從軟土流變性質上分析解決軟土地基工程事故。雖然對軟土地區基坑變形控制的研究較為深入，但基坑擴坑施工的變形研究少見報道，本文采用數值模擬的方法對連云港淤泥質軟土某鋼板樁基坑擴坑施工進行了模擬，分析了擴坑施工過程中圍護結構的變形，得到擴坑施工中應該重點關注的圍護結構部位，以期對類似工程提供借鑒。

1 工程及地質概況

1.1 工程概況

連云港某橋全長360 m，主橋為95 m上承式系桿拱橋，跨徑95 m，矢高10.5 m。兩側引橋分別為6×13=78 m空心板梁。主橋立面圖見圖1。

圖1 主橋立面圖

施工時需要施作系桿基坑與承臺基坑，在基坑中完成系桿與承臺的澆筑。系桿基坑長76 m，寬30 m，基坑深約4.6 m，坑底結構物高1.9 m，圍護結構采用12 m長拉森40鋼板樁(樁頂標高0 m，基坑底標高－4.6 m)，圍檁采用500×300×11×18的 H型鋼，支撐采用φ609×16鋼管(鋼管間用法蘭連接)，牛腿及支撐連接圍檁處采用30工字鋼，立柱采用530×7鋼管打入13 m深，系桿下每隔6 m設置1根45 m長D80鉆孔灌注樁。結合主橋承臺、拱腳施工，將系桿基坑向外擴大、延伸。承臺拱腳基坑長36 m，寬18 m，四周超高約2 m，基坑深約5 m，坑底結構物高4 m～6.28 m。圍護結構采用12 m長拉森V鋼板樁(樁頂標高0 m，基坑底標高－4.6 m)，圍檁采用雙拼H400×400/13×21型鋼，鋼支撐為φ609/16鋼管，立柱采用530×7鋼管打入20 m深，承臺下設12根D150鉆孔灌注樁，樁長70 m，整體基坑平面圖見圖2。

圖2 整體基坑平面圖

因施工進度的限制，系桿基坑先于承臺基坑施工，當系桿基坑開挖至坑底需要進行擴坑施工，將系桿基坑與承臺基坑合二為一，形成一個連通的大基坑。

擴坑施工主要分為4個階段，具體過程如下:階段①:系桿基坑開挖至坑底標高－4.6 m。階段②:拆除系桿基坑第二層支撐，在基坑左右兩端各增加3道直撐，直撐中心間距分別為6 m，6 m，3.5 m，插打承臺基坑鋼板樁。階段③:施作承臺基坑并開挖至坑底標高－4.6 m位置處。階段④:最后拆除系桿基坑角撐，拔除承臺基坑靠近系桿位置的鋼板樁，在系桿基坑兩側加設3根直撐(第二層)。各施工階段示意圖分別見圖3。

1.2 地質概況

主橋基坑處地質概況為淤泥層，灰色、飽和、流塑，平均厚度18 m。主要土力學參數:重度16.2 kN/m，內摩擦角10°，粘聚力10 kN/m2。地質分布圖見圖4，施工涉及的各層主要工程地質特征分述如下:①層素填土():灰黃色、潮濕、松散，以黏土為主，夾少量碎石。分布較普遍，僅少量孔缺失。該層土厚度0.80 m～2.70 m、平均1.76 m。②層黏土():灰黃色，潮濕，有光澤，韌性及干強度低，搖震反應無。間斷分布，大多地段缺失。該層土層頂埋深0.00 m～2.70 m、平均 1.18 m;層頂標高 0.79 m～3.22 m、平均2.20 m;厚度1.25 m～6.00 m、平均2.57 m。③層淤泥():灰色，飽和，流塑，夾粉砂薄層，有臭味。均有揭露、普遍分布。該層土層頂埋深1.00 m～6.00 m、平均2.72 m;頂層標高 －2.80 m～2.27 m、平均0.67 m;厚度12.60 m～18.90 m、平均16.00 m。④層粉質黏土夾粉土(Qa1-P13):灰黃色，飽和，可塑～軟塑，混大量粉土，局部以粉土為主。均有揭露、普遍分布。該層土層頂埋深17.00 m～20.60 m、平均18.71 m;層頂標高 －17.52 m～ －13.55 m、平均 －15.33 m;厚度5.10 m～15.40 m、平均8.16 m。

圖3 擴坑施工各階段示意圖

圖4 地質分布圖

2 數值模擬

首先研究土體加固對基坑擴坑施工的影響，對比研究基底土體不加固和基底滿膛加固且深度為3 m這兩種不同情況下基坑擴坑施工變形。土體本構模型采用理想彈塑性模型——Mohr-Coulomb模型。有限元模型的尺寸為300 m×100 m×24 m，模型邊界采用標準邊界約束，模型中主要的土層有③層淤泥()、④層粉質黏土夾粉土。計算分析采用分布施工的荷載類型，采用重力加載的方法生成初始應力。計算中采用板單元模擬鋼板樁，采用點對點錨桿模擬鋼支撐。

對于加固土體的參數［7-9］，根據葉書麟《地基處理與托換技術》，當無側限抗壓強度fcu=0.1 MPa～3.5 MPa時，水泥土的變形模量為 E50=10 MPa～550 MPa，采用 E50=80fcu～150fcu，其中，fcu為加固土體無側限抗壓強度;E50為加固土體的變形模量。

圖5 圍護結構典型截面位置示意圖

根據基坑變形規律及所關心的位置，選取3個有代表性的截面，見圖5。系桿基坑長邊中截面A—A、承臺基坑長邊中截面B—B、陰角處鋼板樁中截面C—C，比較其沿截面法線方向的位移，研究鋼板樁變形規律。由于圍護結構C—C截面處受力復雜，重點對該截面處鋼板樁變形進行研究。

圖6為C—C截面鋼板樁水平位移時程圖，正值代表位移向基坑外，負值代表位移向基坑內，下同。圖6表明隨著承臺基坑的開挖，C—C截面鋼板樁并沒有向基坑內移動，反而向坑外的位移增加，可能由于承臺基坑長邊鋼板樁向坑內的位移引發C—C截面鋼板樁發生向坑外的位移。第④階段與第③階段鋼板樁水平位移接近。

圖7對比了加固與不加固方式條件下鋼板樁階段④水平位移。C—C截面處受力復雜，變形規律不明顯，加固后鋼板樁水平位移不大于1 mm，說明加固效果明顯。

圖6 鋼板樁水平位移時程圖（不加固）

圖7 不同加固方式下鋼板樁階段④水平位移圖

接下來研究不同鋼板樁長度對基坑擴坑施工變形的影響。分別選取12 m，15 m，18 m長拉森Ⅳ型鋼板樁，作為基坑圍護結構，基坑基底土體加固深度為3 m。

圖8比較了不同長度下鋼板樁C—C截面切向位移，可以發現隨著鋼板樁長度的增加，鋼板樁的切向位移減小。

圖8 階段④C—C截面鋼板樁切向位移圖

3 結語

通過數值模擬對濱海相淤泥質軟土鋼板樁基坑擴坑施工變形進行研究，得到以下主要結論。隨著承臺基坑的開挖，C—C截面鋼板樁水平位移增大至最大值，發生向基坑外的位移，在其后的拆除鋼板樁階段，C—C截面鋼板樁水平位移基本保持不變。基底采用3 m滿膛加固的方式可以有效減小C—C截面鋼板樁水平位移。隨著鋼板樁長度的增加，C—C截面鋼板樁的切向位移減小。

［1］章定文，劉松玉，于新豹.連云港海相軟土工程特性及處治方法探討［J］.工程地質學報，2003(3):250-257.

［2］劉建航，劉國彬，范益群.軟土基坑工程中時空效應理論與實踐(上)［J］.地下工程與隧道，1999(3):7-12.

［3］劉建航，劉國彬，范益群.軟土基坑工程中時空效應理論與實踐(下)［J］.地下工程與隧道，1999(4):10-14.

［4］劉國彬，賈付波.基坑回彈時間效應的試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2007(S1):58-60.

［5］李 學.鋼板樁支護結構的試驗研究與有限元分析［D］.天津:天津大學碩士學位論文，2007.

［6］胡 俊.海相軟土三軸流變試驗研究［J］.西華大學學報，2008，27(3):7-8.

［7］雷金山，冷伍明，楊秀竹，等.軟土地基深層攪拌水泥土加固機理及應用［J］.西部探礦工程，2002(2):14-15.

［8］徐新躍.水泥土攪拌樁的現場試驗研究與分析［J］.勘察科學技術，2001(5):7-10.

［9］賈 堅.影響水泥土強度的綜合含水量研究［J］.地下空間與工程學報，2006(1):132-136，140.