基坑坡體或坡腳加固對變形控制效果的對比分析

張 巖

上海廣聯環境巖土工程股份有限公司 上海 200444

基坑采用放坡開挖不僅施工方便，而且造價較低。對于周邊環境相對簡單的基坑可以考慮采用放坡開挖。上海市工程建設規范DG/T J08-61—2018《基坑工程技術標準》規定：“基坑開挖應采用全面分層開挖或臺階式分層開挖的方式；分層厚度不應大于4 m，開挖過程中的臨時邊坡坡度不宜大于1∶1.5。”故基坑挖深超過4 m時，需采用多級放坡。

對開挖面積較大、挖深一般、采用放坡開挖的基坑，當基坑開挖影響范圍內局部位置存在保護對象時，可對基坑邊坡采用攪拌樁進行加固，以達到控制基坑變形的目的。

朱愛國等[1]通過深厚粉細砂層中深基坑支護的成功案例，表明水泥攪拌樁加固淺部淤泥質土和粉細砂層具有效果好、速度快、造價低的優點；王定軍等[2]分析了淤泥質軟土基坑邊坡的穩定性，并比較了2種坡腳加固方案的有效性；趙曉彥等[3]介紹了一種坡面錨索與坡腳抗滑樁聯合加固邊坡的設計方法；孫書偉等[4]運用數值分析方法為具體案例提出了放坡開挖方案的實施參數；陳寅春等[5]采用有限元方法對多級邊坡的穩定性進行了研究；劉開富等[6]基于有限元方法，采用不同本構模型對基坑放坡開挖進行了數值模擬及對比分析。

一般來說，對基坑邊坡采用攪拌樁加固時，其加固位置可以選在坡體，也可選在坡腳。本文針對工程實例，采用有限元分析方法，對基坑邊坡坡體、坡腳分別加固后的變形控制效果進行了對比分析。

1 工程概況

1.1 基坑規模及周邊環境

上海浦東新區某工程基坑挖深4.60～5.30 m。基坑開挖面積約4 630 m2，圍護周長約279 m。

基坑東側開挖面距離用地紅線最近5.4 m，紅線外為內部道路，其東側為金工實驗室的2幢1層附屬用房。基坑開挖面距離該附屬用房外墻最近21.7 m，超過基坑4倍挖深。該附屬用房為天然地基。

基坑南側開挖面距離用地紅線最近為15.4 m，紅線外為內部道路，路寬約9 m，其下方埋有管線，距離基坑圍護內邊線由近及遠依次為：低壓給水管、雨水管、污水管、加壓給水管、埋地10 kV電力電纜等。其中，基坑開挖面距離低壓給水管最近為22.9 m，超過基坑4倍挖深。

基坑西側開挖面距離用地紅線最近為21.9 m，紅線外為現狀綠地，綠地西側為內部道路，其下方埋有管線，但距離基坑圍護內邊線超過10倍基坑挖深。

基坑北側開挖面距離用地紅線最近為19.7 m，紅線外為現狀綠地。

根據現行上海基坑規范的相關規定，確定本基坑安全等級為三級，環境保護等級為三級。

1.2 場地地質條件

根據該項目勘察報告，擬建場地位于古河道地層沉積區與正常地層沉積區交界處，在55.0 m深度范圍內的地基土屬第四紀全新世Q4沉積物及上更新世Q3沉積物，主要由黏性土、粉性土及砂土組成。地下水對本工程有影響的主要為淺部土層中的潛水，基坑圍護設計時，按地下水潛水位埋深0.5 m考慮。

1.3 圍護結構簡介

從安全、經濟的角度出發，結合施工工藝、施工周期等因素，綜合確定基坑的圍護形式為放坡開挖。圖1為本項目基坑圍護結構平面布置。圖2、圖3為基坑東側圍護結構剖面（圖2為坡體設置加固攪拌樁，圖3為坡腳設置加固攪拌樁）。其中，坡體加固攪拌樁總排數與坡腳加固攪拌樁總排數相等，且樁底標高相同。

圖1 基坑圍護結構平面布置

圖2 基坑東側圍護結構剖面（坡體加固）

圖3 基坑東側圍護結構剖面（坡腳加固）

本工程基坑采用放坡開挖，但大面積卸土勢必會對周邊環境造成一定影響，尤其是場地東側存在現狀建筑。為此，設計時考慮該側采取一定的加固措施，以控制基坑變形，達到保護已有建筑的目的。

2 有限元數值模擬分析

有限元數值分析是理論計算中的一種重要手段。巖土工程中采用有限元分析問題的重要前提是選取計算采用的本構模型。本次模擬選取的本構模型為HS模型。

HS模型是能考慮軟黏土硬化特征、區分加荷和卸荷的區別，且其剛度依賴于應力歷史和應力路徑的硬化類彈塑性模型。它能給出較為合理的墻體變形及墻后土體變形情況，適合于基坑開挖過程中的數值分析[7]。HS模型本質上是一個雙曲線的應力應變關系，可以同時考慮剪切硬化和壓縮硬化，并采用Mohr-Coulomb破壞準則。

HS模型參數可通過實際工程監測數據反分析或通過室內土工試驗得到[8]。本次分析所采用的參數來自參考文獻[7]的結論，以及通過本工程板式支護模型與相應的基坑計算軟件結果進行反分析得到的參數。

考慮到圍護樁（止水攪拌樁與加固攪拌樁）與周邊土體的剛度差異較大，本次數值分析建模時采用了接觸面單元。

2.1 建立有限元模型及網格劃分

采用足夠尺寸的計算模型能減小模型邊界對模擬結果的影響。根據基坑的挖深，本次模擬的計算范圍如下：深度為50 m，水平向100 m。同時對位移邊界條件做了假設：認為模型的左右邊界水平方向位移為零，豎直方向允許發生一定變形，下邊界任意方向的變形為零。模型采用15節點單元，網格采用較細程度劃分。

2.2 模擬工況

為較好地模擬土體的初始應力狀態及基坑逐步開挖的施工過程，本次計算對基坑各施工過程進行分工況模擬，各計算工況描述如下：

1）工況一：形成開挖前的初始平衡狀態。第一步建立開挖前模型，即劃分土層、建立圍護樁（止水攪拌樁、加固樁）、接觸面及邊界條件等；第二步輸入土層、圍護樁等材料屬性；第三步劃分網格；第四步計算基坑開挖前自重形成的初始平衡狀態；第五步歸零自重應力場形成時產生的位移。

2）工況二：激活圍護樁單元。

3）工況三：開挖至基坑底。

2.3 模擬結果分析

2.3.1 邊坡不加固工況

圖4為邊坡不加固工況下的計算模型，圖5為邊坡不加固工況下基坑開挖后的水平位移云圖，圖6為邊坡不加固工況下基坑開挖后的垂直位移云圖。

圖4 邊坡不加固工況下的計算模型

圖5 邊坡不加固工況下基坑開挖后的水平位移云圖

圖6 邊坡不加固工況下基坑開挖后的垂直位移云圖

由圖5可以看出，基坑放坡開挖后，邊坡整體向坑內水平移動，其中坡腳部位較大，坡頂部位較小。

由于坡體的水平移動，造成已建房屋向基坑方向移動。經計算，坡頂最大位移為66.84 mm，已建房屋的最大水平位移為32.1 mm。

由圖6可以看出，基坑放坡開挖后，邊坡后側土體發生垂直沉降，造成已建房屋發生沉降。

經計算，已建房屋的最大沉降為36.85 mm，超過設計要求報警值的47.4%。

根據計算結果可以看出，若邊坡不加固，則基坑放坡開挖變形較大，造成已建房屋變形也較大，嚴重時可能危害房屋的正常使用。

2.3.2 坡體加固工況

圖7為坡體加固工況下的計算模型，圖8為坡體加固工況下基坑開挖后的水平位移云圖，圖9為坡體加固工況下基坑開挖后的垂直位移云圖。

圖7 坡體加固工況下的計算模型

圖8 坡體加固工況下基坑開挖后的水平位移云圖

圖9 坡體加固工況下基坑開挖后的垂直位移云圖

由圖8可以看出，基坑放坡開挖后，邊坡整體變形的趨勢與不加固工況相同，但位移峰值有所減小，基坑的穩定性有所提高。

經計算，坡頂的最大水平位移為51.75 mm，已建房屋的最大水平位移為26.4 mm，比不加固工況減小了17.8%。由此可以看出，將坡體進行加固后，能夠控制房屋的水平位移。

由圖9可以看出，基坑放坡開挖后，邊坡后側土體沉降有所減小。

經計算，已建房屋的最大沉降為31.7 mm，比不加固工況減小了14%。由此可以看出，坡體加固后能夠控制房屋的沉降。

2.3.3 坡腳加固工況

圖10為坡腳加固工況下的計算模型，圖11為坡腳加固工況下基坑開挖后的水平位移云圖，圖12為坡腳加固工況下基坑開挖后的垂直位移云圖。

圖10 坡腳加固工況下的計算模型

圖11 坡腳加固工況下基坑開挖后的水平位移云圖

圖12 坡腳加固工況下基坑開挖后的垂直位移云圖

由圖11可以看出，基坑放坡開挖后，邊坡整體變形趨勢與不加固工況相同，但位移峰值有所減小。

經計算，坡頂最大水平位移為52.79 mm，已建房屋的最大水平位移為20.85 mm，比不加固工況減小了35%。由此可以看出，將坡腳進行加固后，能明顯控制房屋的水平位移。

由圖12可以看出，基坑放坡開挖后，邊坡后側土體沉降有所減小。

經計算，已建房屋的最大沉降為13.29 mm，比不加固工況減小了63.9%。由此可以看出，坡腳加固后，基坑開挖后坡體后側土體沉降得到了明顯控制，已建房屋沉降被控制在允許范圍內。

2.3.4 總位移對比

圖13、圖14、圖15分別為邊坡不加固工況、坡體加固工況、坡腳加固工況下基坑開挖后的總位移云圖。

圖13 邊坡不加固工況下基坑開挖后總位移云圖

圖14 坡體加固工況下基坑開挖后總位移云圖

由圖13～圖15可以看出，邊坡的破壞趨勢與經典的圓弧滑動理論是一致的，故可驗證本次模擬在理論上是正確的。經過對比可以發現，坡腳加固后基坑開挖后的總位移最小。

圖15 坡腳加固工況下基坑開挖后總位移云圖

3 結語

1）基坑放坡開挖會對基坑周邊環境產生較大影響，主要是造成已建建筑及管線的水平位移和沉降。本工程東側的已建建筑是本次基坑圍護的重點保護對象，該建筑對水平位移和沉降的控制有更高的要求。圍繞這一要求，需要制訂專項施工方案。

2）本基坑擬采用最為經濟的放坡開挖方案，已建房屋距離放坡坡頂最近為9.6 m，經有限元模擬計算可知，放坡開挖會導致已建房屋的水平位移及沉降均超過設計要求的報警值，因而有必要對邊坡進行加固，以更好地控制基坑施工對已建房屋的影響。

3）在加固樁樁底相同及加固寬度相同的情況下，采用坡腳加固方案，對房屋沉降的控制更為有利，且造價較為節省。

4）本次模擬結果可為類似基坑工程設計提供相應依據。