軟土地區深基坑被動區加固變形控制研究

林希鶴

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

在深厚軟土場地進行深基坑開挖時，由于基坑坑底以下被動區土體為軟弱土層(如淤泥、淤泥質土層)，軟土所具有的低強度和高壓縮性，使得被動區土體提供的抗力不足，引起支護結構產生較大的側向變形；加之，軟土多呈流塑狀態，自穩性差，基坑開挖過程軟土將產生流動，使支護結構產生整體滑移破壞。因此，深厚軟土場地的基坑工程事故多表現為整體失穩破壞，在軟土場地進行基坑支護設計時應以變形和穩定性控制為主。

深厚軟土場地為了有效控制深基坑變形，常對被動區土體進行加固。在對被動區土體進行加固后，可以較大程度地提高被動區土體的土壓力系數和水平抗力系數，從而使被動區土體抵抗圍護結構側向變形的能力顯著提高，并最終達到控制基坑變形的目的。在深厚軟土場地,被動區土體加固是減少支護結構側向變形較為可靠的方法。大量研究和工程實踐證明，被動區土體加固，對于減少支護結構的水平位移及控制周邊地面及建筑沉降，效果十分顯著。

工程中，由于加固區土體強度及復合模量顯著增加，基坑土體承載力和抗變形能力得以提高，基坑加固中表現為加固體在基坑施工中對支護結構變形和穩定性的控制效果明顯。基坑被動區土體加固提高被動區土體抗力是一種經濟、有效的技術措施，可減少支護結構的內力、側向位移、地面沉降及坑底隆起等，基坑內不同的被動區土體加固形式對減少土體變形的作用有明顯差異。

1 被動區加固形式選擇

1.1 被動區加固體的平面布置

基坑被動區土體加固的平面布置，包括加固體寬度、沿圍護邊線方向的長度、間距，平面加固孔位布置原則、土體置換率要求等。土體加固平面布置形式，包括滿堂式、格柵式、裙邊式、抽條式、墩式等，如圖1所示。

(a)滿堂式加固 (b)格柵式加固 (c)裙邊式加固

(d)抽條式加固 (e)墩式加固

基坑工程周邊環境各具特色，地質狀況復雜，確定被動區加固形式時，應根據加固目的、周邊環境、場地地質條件及施工條件、預期處理效果及造價等因素，進行綜合技術經濟對比分析，從中選擇相對合理的加固形式。相比較之下，滿堂式加固成本最大，一般僅應用于基坑外側環境保護要求較高且基坑對應的被動區域，或基坑面積較小的基坑工程；格柵式及抽條式加固成本居中，一般用于基坑形狀呈窄長條形(如地鐵車站基坑)且環境保護要求較高的基坑工程；裙邊式加固成本較低，一般用于基坑面積較大且環境保護要求較高的基坑工程；墩式加固成本最低，一般用于基坑面積較大且環境保護要求一般的基坑工程[3]。

1.2 被動區加固體范圍

在基坑工程中，過大的墻體變形即表明坑內地基已經處于塑性發展狀態，局部地基已經進入破壞狀態。故，對墻前地基土的壓力應進行限制或對土體進行加固，以滿足水平承載能力或滿足地基穩定要求。坑底加固應有足夠的寬度和深度，以有效提高坑底地基土強度和增強被動土壓力作用。土體加固范圍及加固土體力學性能要求，與基坑深度、平面幾何尺寸、地質條件、支護結構體系特征、施工工藝及施工參數有關。

1.3 被動區加固體置換率

基坑被動區加固體平面(置換率)和斷面(加固深度和加固寬度)布置與基坑開挖深度、周邊環境要求是一個比較復雜的系統關系，必須結合不同的施工工法實踐和工程經驗確定，并通過計算進行復核。

環境保護要求較高時或考慮加固后的土體m值提高的坑內加固，宜采用格柵加固體布置，其截面置換率通常可選擇0.6～1.0，在基坑較深或環境保護要求較高的一級或二級基坑中，可選用大值，反之可取用小值。

2 工程案例

2.1 工程概況

該項目位于福建省平潭綜合實驗區金井灣片區，北厝鎮西側，萬寶中路東側，目前已回填砂。主體建筑由南側4層門診樓、北側3層放療樓及中部8層臺胞救治中心和17層住院樓組成。南側門診樓及住院樓下設2層地下室，地下室占地面積約31 000m2，地下室周長約760m，基坑開挖深度9.50m～10.40m，基坑側壁安全等級一級。

2.2 工程與水文地質情況

場地原始地貌屬濱海灘涂-潮間帶，現有場地標高約為黃海標高3.00～5.00m，場地地層主要為：①吹填砂，稍濕，松散～稍密，層厚2.50～8.30m；②淤泥，流塑，飽和，層厚7.20～14.60m；③淤泥質土，流塑～軟塑，飽和，層厚6.70～10.30m；④粘土，可塑，濕，層厚3.50～13.30m。

場地對基坑開挖有影響的地下水為賦存于①吹填砂層中的孔隙潛水，因填料成分差異，填土層滲透性能差異較大，屬中等～較強透水層，地下水水位主要受附近海域海平面影響，富水性中等，水位標高約在黃海3.21～3.26m，水位埋深在地表下約3.0m。

2.3 基坑工程特點

(1)場地周邊環境復雜，基坑占地面積大，開挖深度大，最深的位置達10.40m；

(2)基坑開挖面以上及坑底以下存在軟弱淤泥及淤泥質土層，為欠固結土，厚度巨大(平均厚度19.0m)、土層軟弱、土壓力大、土層穩定性較差；

(3)淤泥層之上多為填砂層，滲透系數高，地下水受海平面影響，水位較高；

(4)基坑坡頂分布有裙樓的預應力管樁，需嚴格控制基坑變形，確保坡頂工程樁安全。

2.4 基坑支護方案

該工程基坑底部均位于淤泥層中，工程力學性質極差。根據場地周邊環境、工程及水文地質條件，基坑支護采用卸載放坡+SMW工法樁(H型鋼插一跳一)+兩道預應力錨桿支護形式，支護樁樁端穿透軟弱淤泥層，進入下臥粘土層不少于1.0m。SMW工法樁采用φ650@450三軸水泥攪拌樁，內插型鋼為H488×300(強度Q235B),設計單根預應力錨桿軸向拉力標準值為100kN,與錨桿連接的圍檁采用[22槽鋼(強度Q235B)。由于支護樁樁身范圍大部分位于淤泥及淤泥質土層中，且基坑坡頂緊鄰裙樓的預應力管樁，需對坑底被動區土體進行加固，以控制支護結構水平位移，要求基坑支護結構深層土體水平位移需控制在40mm之內。

2.5 被動區加固參數的確定

由于基坑面積較大，被動區土體采用深層水泥攪拌樁進行裙邊加固。水泥攪拌樁樁徑φ500mm，樁中心距400mm，搭接100mm，置換率約為1.0。固化劑采用PO42.5普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量不小于21%，被動土加固區域上部開挖段(空孔段)水泥摻入量10%，水泥漿水灰比為0.5∶1，水泥土28d的無側限抗壓強度≥0.8MPa，取加固后被動區水泥土內聚力為20kPa，內摩擦角為25°，m值為9.0MN/m4。

為確定被動區土體最優加固寬度及加固深度，針對裙邊加固不同的寬度及深度進行計算分析，采用單一因素控制變量法進行對比分析，計算軟件采用理正深基坑7.0，場地各土層物理力學指標如表1所示，基坑工程總平面圖如圖2所示，基坑支護典型剖面如圖3所示。

圖2 基坑工程總平面圖

表1 場地土層設計計算參數

圖3 基坑支護典型剖面

2.5.1不同被動區加固深度下的計算結果

取被動區土體加固寬度為4.0m(約為基坑深度的0.4倍)，分析不同被動區加固深度對基坑支護結構水平位移的影響和變化趨勢，支護深層水平位移最大值變化趨勢如圖4～圖5所示。

分析計算結果可知：

(1)支護結構的深層水平位移，最大值一般位于基坑底面以上約2.0m處。由于支護樁樁端穿透淤泥層，嵌入下臥粘土層穩定地層一定深度，受到粘土層對支護樁的約束作用，使得樁端不會產生踢腳失穩現象，同時樁頂受到預應力錨桿的約束，也避免了支護樁產生傾覆破壞的情況，因此，支護結構體系的驗算主要以變形計算為主。

(2)支護深層水平位移，隨著被動區土體加固深度的增加而單調遞減。當土體加固深度控制在2m～6m區間范圍時，通過增加被動區加固深度，支護結構在基坑開挖深度范圍內的水平位移減少趨勢較為明顯。隨著被動區加固深度的增加，起始時支護最大深層水平位移減小值較大，之后支護深層水平位移逐漸趨于穩定；當加固深度大于6m這個臨界值后(約為基坑深度的60%)，此時再增加被動區加固深度，支護深層水平位移值變化值逐漸趨近于零，變形控制效果也不再明顯。

(3)由于支護結構頂部、底部分別受到預應力錨桿及粘土層的約束作用，被動區加固深度的增加對支護結構頂部和底部的水平位移值產生的影響較小，被動區加固深度的變化，對基坑底面附近的支護結構最大水平位移產生的影響最大。當加固深度為2m～6m時，每增加1m的加固深度，支護深層水平位移最大值減少幅度約為8%～12%，且減幅隨著被動區加固深度的增加而逐步趨近于零。

2.5.2不同被動區加固寬度下的計算結果

同樣，取被動區加固寬度為4.0m(約為基坑深度的0.4倍)，分析不同被動區加固寬度對基坑支護結構水平位移的影響和變化趨勢，支護深層水平位移最大值變化趨勢如圖6～圖7所示。

圖4 不同加固深度下的支護水平位移變化圖

圖5 H=5m時支護水平位移圖

圖6 不同加固寬度下的支護水平位移變化圖

圖7 B=4m時支護水平位移圖

分析計算結果可知：

(1)支護深層水平位移，隨著被動區土體加固寬度的增加而單調遞減。當加固寬度控制在2m～5m區間范圍內時，通過增加被動區土體加固寬度，能有效減少支護結構的最大深層水平位移；當加固寬度繼續增加并超過5m后，此時，再增加被動區土體加固寬度，支護結構最大深層水平位移減少值將不再明顯。因此，被動區土體的最優加固寬度臨界值，可取為4m～5m，約為基坑開挖深度的0.4～0.5倍。

(2)被動區土體加固寬度的大小，對支護結構最大深層水平位移影響較大。當加固寬度控制在2m～5m區間范圍時，每增加1m加固寬度，支護深層水平位移最大值減少幅度約為9%～14%；而被動區土體加固寬度的變化，對支護結構頂部、底部的位移影響較小。這與上述分析被動區土體加固深度的變化對支護結構深層水平位移的影響一致。因為支護結構頂部、底部均受到較強的約束作用，因此，深層水平位移變化值并不明顯。

2.6 計算結果與實測數據對比

經綜合對比分析，該基坑被動區土體加固深度取為6.0m，加固寬度取為4.0m，該基坑按照上述支護方案進行施工，從土方開挖到地下室土方回填完成，前后歷時約一年，基坑開挖期間，被動區水泥攪拌樁經開挖檢查，成樁質量好，加固效果較為理想。

由于該工程場地存在深厚軟弱淤泥層，基坑開挖深度較深，地質條件和周邊環境條件復雜，在基坑開挖及支護施工過程中加強了基坑支護結構自身及周邊環境的監測，實施動態設計，信息化施工，前后共進行了100多次的基坑監測。通過監測資料得出，基坑深層土體水平位移變形特征表現為沿深度的水平位移中部大，頂部和底部兩頭小的鼓肚型變化曲線，支護結構最大深層水平位移位于地面以下約8.0m處。

1#～3#監測點位置實測深層土體，最大水平位移約28.70mm～32.07mm(陽角處)。監測點位置相應支護剖面理論計算深層最大水平位移為27.15mm～34.63mm(陽角處)，通過對比理論計算結果與實測數據，兩者結果較為接近，實際變形符合設計預期效果。通過被動區土體加固，基坑底部一定寬度和深度范圍被動土強度得到提高，延緩了坑底土體塑性變形發展階段，較好地控制了基坑變形，達到了良好的效果，如圖8所示。

圖8 基坑支護實測深層土體水平位移-深度關系曲線

3 結論

基坑支護結構變形及對環境的影響程度，與場地地質條件及周邊環境條件有關，故坑內被動區域的土體加固設計應區別對待，以達到加固設計合理、工程投資經濟、周邊環境安全的社會效果。

在深厚軟土場地，被動區土體加固，對于減少基坑支護結構的深層水平位移、控制周邊地面及建筑沉降效果十分顯著。被動區土體加固，提高了土體的強度，改善了土體的物理力學性能，減少了被動區的塑性區范圍。支護結構深層水平位移，隨著被動區土體加固深度及寬度的增加而減少。當被動區加固深度和寬度為基坑深度的40%～60%時，加固效果達到最佳臨界狀態；超過了這個臨界范圍后，支護結構水平位移減少不再明顯，而加固所需的費用會增加，造成工程浪費。

為了避免因盲目地加大被動區加固寬度、深度而造成工程造價增加、施工工期延長等情況，應根據實際工程的周邊環境及場地地質情況，確定最優的被動區土體加固寬度和深度，確保在合理的工程造價范圍內最大限度地控制基坑的側向變形，既能保證基坑和周邊環境安全，又能達到節約工程造價目的。