船式支護在基坑中的應用

何世達 徐 忠 李燕楓

(中南勘察基礎工程有限公司，湖北武漢 430081)

0 引言

在武漢地區長江Ⅰ級階地，廣泛分布軟塑—流塑軟土，厚度大，有的地方軟土厚度超過20 m。在有深厚軟土場地的基坑支護難度大，費用高，即使只挖一個4～5 m淺坑，其支護樁樁長往往超過20 m，遠大于彈性樁長的特征長度4/α，且變形極大，計算難以通過。在環境緊張情況下，為了減少變形，通常采用被動區加固[1-3]、內支撐[4-5]或增大樁直徑[6]等措施來控制變形，但造價都相對較高。為了降低造價，被動區加固體深度設計一般采用臺階式布置[7-8]，寬度一般大于10 m，但由于加固體是漂浮上軟土中，其抗力發揮受軟土性質的控制，在設計計算時水平向抗力系數隨深度變化的比例系數m值的取值也有所限制，沒有完全發揮加固體的作用?！按健敝ёo將整個基坑看作一梭船，整個支護系統類似船外殼，側壁支護系統視為船側板，坑底采用攪拌樁滿堂加固形成船底板，則計算時，支護樁樁長只需滿足其抗傾覆要求，而底板加固體要滿足其底板穩定性的要求。結合武漢深厚軟土區某基坑實例，分析船式支護在基坑中的應用。

1 船式支護的設計思路

在深厚軟土基坑支護中，對基坑整個底板進行攪拌樁加固處理，在側壁采用懸臂樁支護，如圖1所示。

圖1 船式支護模型及受力簡圖

支護樁和止淤帷幕形成“船側壁”，承受側向土壓力，并將壓力傳給加固體，支護樁要有合理的長度保證其不向坑內傾倒。底板加固體類似船底，需有一定厚度以承受支護樁傳遞過來的水平向壓力，同時要承受坑底下部軟土隆起而產生的“上浮力”并保持穩定。

1.1 支護樁的設計思路

均質飽和軟土基坑開挖深度為H，底板加固體厚度為t，忽略支護樁本身的彈性變形，假設支護樁繞加固體范圍內某一深度點o發生剛性旋轉變形，上部在土側壓力作用下向坑內發生變形，下部支護樁向樁后變形，受力如圖1(b)所示。所有抗力均由加固體來承擔，要求加固體的厚度t≥a。

對于飽和軟土，當支護樁前后的土壓力差超過其抗剪強度Cu時，會產生剪切破壞，從樁間產生流動變形直到新的平衡為止，止淤帷幕可以阻止軟土從樁間流動。若旋轉點以下沒有止淤帷幕，則o點以下支護樁樁后所受土壓力合力增加到Cu后不再增加，其受力分布呈梯形，為簡化計算，直接按矩形來考慮。支護樁樁長確定如下，以o點為坐標原點(見圖2)。

圖2 支護樁受力分析簡圖

(1)

Rp對o點的力矩為

(2)

旋轉點o點以上樁后主動土壓力為

(3)

式中：γ為土體重度，kN/m3；Ka為朗肯主動土壓力系數。

其對o點的力矩為

(4)

o點以下的土壓力Ep=bCu，對o點的力矩為

(5)

樁的穩定性必須滿足靜力平衡條件及對o點的力矩平衡，即有：

∑X=0Rp-Ea-Ep=0

(6)

∑M=0Mp-Ma+Mp=0

(7)

聯立(6)、(7)兩式可得一個關于a的一元六次方程式，可通過二分法求得a、b的近似解，從而可確定樁長L=H+a+b。并初步確定加固體厚度t≥a。

可以利用基坑設計軟件采用其它計算方法進行試算確定樁長，只需其樁的位移及抗傾覆滿足安全要求即可。

1.2 加固體厚度的確定

飽和軟土C=Cu，φ=0，Ka=1，加固體及土體重度均為γ。如圖3所示，對單元體A有

圖3 底板單元體受力分析示意圖

σA1=γ(H+t)+q0

(8)

(9)

單元體B，有σB1=σA3

(10)

可得

q1=γH+q0-4Cu

(11)

實際基坑開挖底面上是沒有荷載，q1相當于作用于加固體底面上的“上浮力”，假設q1是均勻作用在加固體上，把加固體作為一個簡支梁來考慮，如圖4所示，梁的端點受水平力Rp及豎向摩阻力Q保持穩定，使加固體不出現剪切破壞或受拉破壞，通過計算可以確定厚度t。加固體設計厚度為max(t,a)。

圖4 加固體受力簡圖

顯然，在上述分析過程中，當單元體B離A較近時，可近似取σB1=σA3，但單元體B遠離A時，σB1<σA3，而且相距越遠，差值越大，底板所受的“上浮力”不是均勻分布的，隨著距離增大而減少，直至趨于零。因此，在基坑寬度較窄條件下(如一些溝槽類基坑)，可以采用上述方法來分析計算。對一般寬度相對較大的基坑，如果坑底不發生深層滑弧破壞，其抗隆起基本能滿足安全要求。因此，可以通過圓弧滑動面法來確定加固厚度t。通過軟件能夠自動搜索最危險滑弧面，通過試算確定加固厚度，在此不再贅述。

2 工程概況及環境條件

該建筑項目設一層地下室，地下室約呈75 m×53 m的矩形，開挖面積約4170 m2?；娱_挖深度按4.72～6.40 m。場地東側為空地，南側有鐵路，地下室邊軸線距鐵路19.5～24.5 m。西側為村民房，民房一般4～5層，磚混結構，天然地基，該側邊軸線距民房距離為10.3～16.6 m。北側西段有民房，其中有兩棟一層的建筑物靠邊軸線僅2.6 m。北側東段為道路。基坑周邊環境如圖5所示。

圖5 基坑周邊環境圖

3 工程地質條件

擬建場地屬長江Ⅰ級階地，場地較平坦，地面標高為20.1～21.1 m。與基坑相關的地層為：表層雜填土(Qml)，其下分別為第四系上更新統沖洪積成因的淤泥質黏土、粉質黏土、粉土、粉砂等，地層分布特征見圖6, 各地層的性質參數見表1。

表1 地層特征及設計參數

圖6 基坑側壁地層展開圖

場地內地下水類型主要為上層滯水及承壓水，上層滯水賦存于第①層雜填土層中，水位、水量隨季節而變化，勘察期間測得的埋深為1.3～1.4 m。承壓水賦存于下部粉土、粉砂層中，與長江水體有水力聯系?？辈鞙y得承壓水埋深4.5 m。

4 基坑特點及設計方案的比選

4.1 基坑特點及難點

(1)基坑開挖深度不深，但基坑側壁及坑底為流塑—軟塑的軟土，這對支護結構及坑底抗隆起等極為不利。

(2)除東側外，其它三側均有需保護的建(構)筑物，均是天然地基，對沉降變形敏感，特別是北側有兩棟建筑臨近基坑邊線，對支護結構要求較高。

(3)南側為鐵路，火車經過時產生的地面振動較大，振動使孔隙水壓力瞬時增加,降低了土體的有效應力，導致土體的強度降低，必然增大了支護結構受力，且使結構受力變得復雜，是極為不利的。

(4)上層滯水的水量較大，需要采取止水措施；承壓水埋深相對較深，經復核不會發生突涌問題。

(5)坑底為流塑的軟土，土方開挖施工難度大，極易造成坑底隆起，需對工程樁進行保護。

4.2 方案比選

根據基坑地層條件及周邊環境條件，確定本基坑支護結構安全等級為一級。常規方案可采用內支撐或排樁+被動區加固的方式。對排樁+內支撐方案，當采用樁徑800 mm、樁間距1.1 m、樁頂放坡1.5 m時，利用天漢軟件按彈抗性法進行計算，計算所需樁長22 m，樁身在坑底附近最大位移達33 mm，最大彎矩為584 kN·m。而采用懸臂樁+被動區加固方式，同樣的參數所需樁長22 m，計算樁身在樁頂位置最大位移20 mm，樁身最大彎矩為457 kN·m。

兩方案支護樁都過長，經濟上不合理。排樁+內支撐方案的變形仍然偏大，且內支撐布置需采用角撐及對頂撐，占據了施工空間，嚴重影響土方施工工期；采用懸臂樁+被動區加固方案，因底板土體的加固可以部分解決土方開挖難題，但加固體是漂浮在軟土中，其被動區抗力仍受軟土影響，發揮作用有限。在設計計算時，加固體的水平向抗力系數隨深度變化的比例系數m值，根據實踐經驗不宜超過4000 kN/m4。且支護樁過長的問題仍然存在，從經濟角度不合理。

為了保證基坑的安全，方便土方施工，同時要求方案的綜合性價比合理，設計采用“船式”支護的方案。因側壁只考慮水平向受力穩定，支護樁樁長可以減短很多，而坑底滿堂加固形成船底板，既解決了土方開挖施工問題，又有利于工程樁的保護，保證了基坑內外環境的安全。

5 基坑支護的設計

“船式”支護將側壁及坑底兩部分從不同角度分開考慮，設計如下。

5.1 底板加固設計

對“船底板”進行加固，即保證坑底不會出現剪切破壞，按圓弧滑動面法進行分析計算，對加固厚度進行設計。由于坑底為流塑的淤泥質土，底板選用粉噴樁攪拌加固。水泥對土體有固結作用，且由于采用干法施工，水泥水化固結需吸收大量的水分，能有效降低土體的含水量，從而有效改善土體的力學性質。加固范圍為整個基坑底板除工程樁位置外，其余位置滿堂加固。水泥土加固體的抗剪強度參數，根據湖北省地方標準及施工經驗，取c=70 kPa，φ=0°，采用天漢軟件進行試算，當坑深4.72 m，加固厚度達5.5 m時，坑底整體穩定性系數最小值達1.336，滿足一級基坑安全要求。

5.2 側壁支護設計

對“船側壁”設計，需要保證側壁不發生傾覆，變形滿足環境安全要求。支護采用鉆孔灌注樁懸臂支護，計算按懸臂+被動區加固模式進行計算。由于底板是滿堂加固，對支護樁來說，相當于暗撐作用，其抗力發揮水平要大于漂浮在軟土的加固體。因此，在計算時，水平向抗力系數隨深度變化的比例系數m值也要做相應調整，設計中取m=6000 kN/m4。經計算，當支護樁設計參數φ800 mm@1100 mm，樁頂放坡1.5 m時，所需樁長L=11 m，樁頂最大位移14 mm，滿足側壁穩定要求。

基坑南、西、北側三側采用懸臂樁支護，典型支護剖面如圖7所示，支護樁外側設兩排攪拌樁帷幕起止水止淤作用?；訓|側因外環境相對寬松，采用攪拌樁重力式擋墻支護。

圖7 典型基坑剖面圖(單位：m、mm)

6 監測結果及變形分析

基坑在開挖施工過程中進行了變形監測，共設6個測斜孔(見圖5)進行土體深層水平位移監測，布設17個點對基坑邊坡土體沉降監測，對周邊建筑物布置32個沉降監測點。根據監測結果，測得樁頂最大位移為18.47 mm，基坑周邊地表最大沉降20.11 mm，周邊建筑物最大沉降為16.57 mm?；邮┕ぴ谡麄€過程中順利進行，未對周邊環境造成不良影響。土體深層水平位移監測結果如圖8所示。

圖8 深層水平位移監測結果

從土體深層水平位移監測結果來看，側壁變形都在安全范圍內，與計算結果相近。C1、C2、C3孔的樁頂位移相對偏大，說明鐵路運行產生的地面震動對支護系統有較大的影響。基坑開挖施工現場如圖9所示。

圖9 基坑施工現場

7 結論

本工程采用“船式”支護取得成功，說明側壁與底板分開來設計的思路是可行的，可供其他類似工程參考借鑒?！按健奔缺苊饬酥ёo樁過長產生的浪費，也因底板加固利于土方施工及工程樁保護，在基坑面積不大或條形的基坑中，具有明顯的優勢。根據被動區加固等類似工程的施工經驗，總結經驗如下：

(1)對于加固體m的取值，當加固體全部都在軟土內時，加固體發揮的抗力與軟土有關，根據武漢當地經驗，其m取值不宜超過4000 kN/m4，若加固體穿過了軟土層，進入下部可塑土層一定厚度的，可適當提高取值，在船式支護方式中，因加固體對向兩側均受力，在水平向上是兩側受壓狀態，其抗力的發揮與本身剛度有關，因此取值應有所區別。

(2)采用水泥土攪拌加固時，應注意水泥土在淤泥質土中的成樁可能性。水泥土攪拌樁施工有干法與濕法兩種工藝，從加固體對支護貢獻的整體效果來看，在飽和軟土中采用干法施工的效果普遍要強于濕法。

(3)底板加固體與支護樁之間應保證密貼?？上仁┕嚢铇?，再施工支護樁，兩者有一定的重疊來實現密貼，也可在攪拌樁與支護樁之間設置高壓旋噴樁來實施密貼。

(4)當采用懸臂樁時，側壁支護樁長可按對稱原則確定，即以被動區加固體為支點，上下兩段長度相當。

(5)在方案比選時，不能僅從支護造價上對比，還要綜合考慮土方施工、工程樁保護、工期等因素，從而選擇合理方案。