軟土地區基坑變形控制措施分析

何嵩婷

（上海地礦工程勘察有限公司）

引言

目前基坑工程愈來愈呈現出以下特點：①基坑數量越來越多；②基坑面積大、基坑深度深；③基坑周邊環境保護要求高。基坑施工過程中如何保證基坑以及周邊保護對象的安全，成為確定圍護設計方案的關鍵因素。在地質情況較好的地區（如可塑、硬塑黏土地區，中等密實以上的砂土地區，軟巖地區等），基坑開挖對周邊環境的影響較小；而軟土地區（如上海、天津、福州、寧波等地區）工程地質和水文地質條件相對較差，土體具有高含水量、高壓縮性、低滲透性及流塑等特性，基坑開挖對基坑本身及周邊環境的影響較大，施工過程中的變形控制較為困難。

1 基坑變形控制措施

①合理的圍護結構選型，圍護結構的選型往往決定基坑工程的成敗，周邊環境保護高的工程應選用變形控制能力強的板式圍護結構結合內支撐體系。②增大圍護結構的剛度，在周邊環境保護要求高的區域可選用鉆孔灌注樁、地下連續墻等剛度較大的圍護結構。③支撐布置加強，一般周圍存在需保護建（構）筑物等重要保護對象的基坑工程多采用內支撐布置形式。④被動區加固，土體加固可改善土體的物理力學性能、提高被動區土體抗力、減小基坑的變形及增強基坑的穩定性。土體加固多采用水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁或注漿等措施。

2 工程概況

2.1 結構概況

某工程擬建建筑物包括1棟5層廠房以及一層地下車庫。基坑形狀呈長方形，基坑面積約為4180m2，總延長米約為315m。基坑開挖深度為5.3m，集水井深度為1.20m～1.50m。

2.2 環境概況

基坑東側外為廠區內1層已建廠房，基礎形式為淺基礎，基坑邊線與其外墻邊線的最近距離約7.9m；基坑南側外為廠區內1層已建廠房，局部為3層，基礎形式為淺基礎，基坑邊線與其外墻邊線的最近距離約10.7m；基坑西側為西茜河，河道寬約17.0m，基坑邊線與河道邊線的最近距離約12.8m；基坑北側為工業園區廠區，有一棟4層廠房，基坑邊線與其外墻邊線的最近距離約20.9m。東、南側廠房距離較近需要重點保護。本工程的各邊線距離紅線的最近距離參見表1。

表1 基坑各邊線距離用地紅線的最近距離

2.3 地質概況

本工程場地地貌為湖沼平原Ⅰ-2區地貌類型，地面高程約3.38～4.02m。本擬建場地微承壓水含水層為⑤2層，承壓含水層為第⑦層。擬建場地內大部分區域存在暗浜分布。①2浜土，深灰色，填粘性土，含有機質和腐殖質，厚0.50～2.60m，層底高程1.26～-0.92m。暗浜區域需在施工前進行清淤換填。場地的基坑圍護設計參數如表2所示。

表2 基坑圍護設計參數

3 基坑設計

3.1 基坑圍護選型

①基坑面積約為4180m2，總延長米約為315m；②地庫普遍區域開挖深度為5.30m；③本工程大部分區域為暗浜區域，需在施工前進行清淤換填。按照上海市《基坑工程技術規范》要求，本工程安全等級為三級，環境保護等級為三級，圍護體變形控制值為35mm（7‰H）。通過比較分析，本工程圍護體系選用雙排雙軸水泥土攪拌樁內插型鋼結合一道鋼支撐的圍護形式。

3.2 圍護結構設計

本工程普遍區挖深5.3m，本工程圍護結構采用雙排雙軸水泥土攪拌樁內插H500×300型鋼，型鋼長度為12.0m，雙軸攪拌樁長度為11.3m。型鋼采用“插一跳一”的形式，水泥土攪拌樁摻量為15%。本工程東側及南側皆貼近已建廠房，需要考慮基坑開挖對已建廠房的保護。鄰近上述保護對象區域采用被動區裙邊加固，加固樁采用雙軸水泥土攪拌樁，被動區加固樁長為4.0m，水泥土攪拌樁摻量為13%。本工程呈長方形，結合基坑形狀，支撐平面布置形式采取對撐結合角撐的布置形式。

4 深基坑基于有限元法的分析

4.1 有限元模型的建立

（1）土體本構模型與參數

土體計算模型采用Hardening-Soil模型，本模型可以同時兼顧剪切硬化和壓縮硬化，并采用摩爾-庫倫破壞準則。本模型應用于基坑開挖的變形分析時具有較好的精度。由勘察報告提供不同土層的重度、粘聚力、摩擦角等參數，剛度參數和高級參數則根據工程實踐分析得到。

模型所需參數如下：

с——有效粘聚力；

φ——有效內摩擦角；

ψ——剪脹角；

m——剛度應力水平相關冪指數；

Vur——卸載再加載泊松比；

Pref——參考應力；

Rf——破壞比；

K0——正常固結條件下的側壓力系數。

（2）結構參數

已建廠房結構梁板、圍護體材料參數按照混凝土選取，截面積、慣性矩等幾何參數需折算至每延米。計算中鄰近附加荷載值按照20kN/m2考慮。支撐用彈簧支座模擬。

（3）網格剖分

基坑計算采用等三角形六節點平面單元模擬土體，采用梁單元模擬圍護體。

（4）施工工況模擬

為了反映初始應力狀態及基坑開挖的施工過程，本次計算共分4個施工步進行如表3。

表3 計算工況表

4.2 有限元分析結果

理論計算結果表明：圍護體水平最大位移為19.48mm，與剖面計算結果基本吻合。

根據上述理論計算結果，本工程采用順作法基坑開挖，采用“土工法樁+一道鋼支撐”，基坑開挖卸荷過程中圍護體產生的水平變形符合規范要求。已建廠房與基坑距離較近，應限制該處施工荷載，密切監測已建廠房變形，并應作好應急預案以防突發事件發生。

5 工程監測結果

圖1 開挖到基底時，圍護樁變形圖

本工程面積大，開挖深度較深，周邊環境保護要求較高，為充分了解基坑施工過程中圍護結構受力和變形情況以及對周邊環境的影響，根據規范要求，在基坑施工過程中進行了大量的信息化監測。當基坑開挖至基底時，圍護體的水平位移監測結果如圖2所示，圍護體的水平位移最大值為18.75mm，繼續隨著深度的加大，圍護體水平位移逐漸減小。實測變形結果與剖面計算及有限元分析結果相近。

圖2 實測深層水平位移曲線圖

6 結語

綜上所述，通過計算、有限元分析及監測結果可知，基坑圍護設計應根據周邊保護要求確定針對性的選型，增大圍護體剛度可有效減小基坑變形；被動區加固是控制基坑變形的有效措施；合理的支撐布置形式也可有效減小基坑變形。基坑跨中易出現變形過大情況，進行圍護設計時需重點考慮變形控制。