軟土地區基坑被動區加固成樁質量對圍護變形控制的影響分析

邵晨晨

（上海市巖土地質研究院有限公司，上海 200072)

0 引言

面積大、開挖深度深、環境保護要求高的基坑成為城市建設中的常態。這意味著基坑工程支護作為臨時措施，從確保開挖安全的單一維度向還需注重環境變形控制的多維度轉變。

在深厚軟土地區，基坑影響范圍內土體普遍呈流塑狀，力學性能較差，不利于基坑穩定和圍護變形控制。通過對被動區采用水泥土攪拌樁加固，改善被動區土體力學性能，從而達到控制圍護插入比及圍護體變形的目的[1]。因此，基坑被動區加固在基坑工程中得到廣泛應用。程博等分析了軟土地區被動區加固對支護體穩定性的影響[2]。金曉波系統研究了加固深度、寬度、強度等對基坑變形及基坑穩定性的作用[3]。

在以往研究中，往往偏重于坑內加固對基坑工程的有利影響。隨著建筑工程市場化進程，低價中標在工程項目招投標中屢見不鮮，基坑施工過程中的偷工減料情況時有發生，而坑內加固成為偷工減料的重災區，常出現重點加固的區域反而是變形最大區域，如此反常現象為工程建設埋下了重大隱患。本文結合上海地區實際工程案例，針對被動區擾動后圍護結構的變形情況進行討論和研究。

1 被動區加固機理

在上海軟土地區，為達到控制圍護變形的目的，常采用水泥土攪拌樁進行被動區加固。水泥土攪拌樁加固工藝原理是采用特制深層攪拌器械對土體進行攪拌，在破壞土體原有結構的同時加入一定配比的水泥漿液，在攪拌器械的外力作用下使土體與水泥漿液充分拌和，水泥漿液作為膠結材料，在水泥漿液固化的過程中形成新的復合結構體。

被動區加固的布置形式根據控制變形要求進行設計，常用的加固布置形式有墩式加固、裙邊加固、抽條加固和滿堂加固。

2 工程案列

2.1 工程概況

本文以上海地區某基坑為例。場地地貌類型屬于濱海平原，地形較平坦。地下潛水水位埋深較淺，一般為地下0.5～1.5m，按最不利原則0.5m埋深取值計算；場地下分布有微承壓水層，止水帷幕插入下臥相對不透水層不少于1.5m，隔斷坑內外微承壓水層的水力聯系。場地淺部以淤泥質粉質粘土為主，土層參數見表1。

表1 土層物理力學參數

基坑面積2021m2，開挖深度9.55m。根據上海市工程技術規范DG/TJ08-61《基坑工程技術標準》，基坑安全等級為二級[4]。基坑東側有一棟6層磚混結構居民樓，距基坑開挖邊線19.0m，是本項目的重點保護對象。基坑采用φ900mm灌注樁擋土，結合φ850mm三軸水泥土攪拌樁止水，豎向設置兩道鋼筋混凝土水平支撐，靠近居民樓處坑內加固采用雙軸水泥土攪拌樁裙邊加固，其余三側考慮環境保護要求較低，未設置被動區加固[5]。第一道支撐上部設置環通棧橋，基坑四周無重車行走。基坑四條邊中間位置各設一個圍護測斜變形監測點。見圖1、圖2。

圖1 基坑圍護平面圖

圖2 基坑圍護剖面圖

2.2 計算結果分析

被動區加固采用2φ700@500雙軸水泥土攪拌樁，水泥摻量13%，加固范圍為第二道支撐到坑底以下4.0m，加固寬度4.2m。對被動區是否加固分別進行剖面計算，結果見圖3和圖4，計算采用同濟啟明星軟件。

由圖3和圖4可知，被動區不進行加固的情況下，圍護灌注樁在不同工況下最大變形計算值為30.0mm；被動區加固后，圍護灌注樁最大變形得到大幅改善，變形值減少至19.9mm，降幅達32%。

圖3 被動區未加固情況下圍護計算變形包絡圖

圖4 被動區加固情況下圍護計算變形包絡圖

2.3 現場實測分析

本項目地下工程建設過程中，第三方監測單位進行信息化監測，工程四條邊中間部位分別設置一個圍護樁測斜監測點，其中被動區進行裙邊加固側監測點編號為CX1，其余側為CX2～CX4。見圖5。

圖5 基坑圍護測斜最終變形圖

根據監測結果可知，分布于基坑四周的四個測斜孔的最終變形趨勢基本一致，但CX1最大變形值為40.6mm，出現在基坑開挖深度9.3m處，基本位于基坑坑底附近；CX2～CX4三個測斜孔最大變形為34.01～34.97mm，最大變形出現在基坑開挖深度8.5m左右，位于第二道支撐與底板之間的中部位置。根據原設計，基坑東側設置裙邊被動區加固，CX1變形應明顯小于其余三個監測點的變形數據，且最大變形位置應在其余三側最大變形點之上，而監測數據卻相反，與原設計意圖背道而馳。

從土方開挖情況看，加固體基本沒有成型，且離散性較大，完全達不到設計要求的0.5MPa無側限抗壓強度。此異常情況基本可歸結為：1）施工單位認為坑內加固僅作為安全儲備，不參與受力計算，故重視不夠。2）坑內加固施工時，水灰比偏大，同時攪拌提升速度及噴漿不均勻。3)水泥摻量不足，與設計要求的13%差異明顯。4)考慮淺部軟土層中靈敏度較高，在雙軸設備空攪過程中，土體強度下降，被動區抗力不足，從而加劇圍護變形。

3 不同攪拌樁成樁質量對圍護變形的影響分析

3.1 計算模型

為研究不同攪拌樁成樁質量對圍護變形的影響，采用plaxis有限元軟件進行分析，綜合考慮分析的合理性、計算速度和模型規模。模型豎向取50m范圍，橫向取90m范圍。

分析過程中，針對不同分析對象采用不同的單元類型和本構關系，見表2。分析模型的豎向底部采用全自由度約束，側面采用法向約束。

表2 分析單元類型與本構模型表

圖6 模型網格劃分圖

3.2 計算結果分析

模型分別計算水泥摻量13%、8%的加固土（加固寬度為4.2m，加固范圍為第二道支撐底～坑底以下4.0m）、原狀土及擾動土（力學指標按原狀土50%取值）四種情況下圍護灌注樁的變形量，計算結果見表3。

表3 有限元計算結果

結果顯示，被動區加固水泥摻量為13%時（模型一），可有效改善圍護墻體的變形，變形減小30%左右，與同濟啟明星軟件計算結果基本一致；當被動區加固水泥摻量為8%時（模型二），被動區加固對圍護墻體變形的控制效果明顯降低；當考慮被動區施工嚴重噴漿不達標時，土體被擾動，被動區抗力較原始狀態降低，圍護變形較原狀土狀態大幅提高35%左右，其變形是模型一變形的2倍左右。

4 結論

1）坑內加固可有效改善圍護墻體的變形，但實際效果與施工質量緊密相關，被動區加固成樁質量好壞導致圍護變形差異較大，施工質量特別差的甚至對圍護變形控制產生負面影響。

2）若周邊環境保護有很高要求，計算中須考慮被動區的加固效果時，應結合土質情況對加固后的被動區的力學指標進行折減利用，且坑底以上水泥摻量與坑底以下水泥摻量保持一致，均采用高摻量設置。

3）相比被動區加固方式，采用增加圍護剛度，即增加灌注樁直徑和減少灌注樁間距對圍護變形的控制更加明確，且現場管理更方便。

4）對于被動區加固施工，現場管理中應通過水泥漿液配比、提升和下沉速度、水泥用量進行控制，基坑開挖前應對被動區加固攪拌樁樁身強度進行鉆芯取樣檢測，取樣數量不少于總樁數的2%，且不少于3根。