南沙港區陸域軟土基坑支護方案設計與實現

劉樹明 王四根 朱峰

摘 要：為了有效消減建設于軟土地基上的建筑物整體工后沉降，充分提高后續軟土地基中基坑開挖的穩定性，依托廣州港南沙港區辦公樓軟土基坑攪拌樁墻支護工程，進行了基坑支護方案的選型，分別對“先預壓軟基+后攪拌樁墻支護”與“不預壓軟基支護”2種備選工程方案進行了對比，同時采用直剪強度參數和φ=0法計算了地基的抗隆起承載力，并進行了對比分析。結果表明：對于研究項目，先預壓可以顯著提升土體的抗剪指標近一倍，實現攪拌樁 墻深度和置換率的降低，從而降低工程造價;工程實測數據表明，計算中考慮φ 會顯著增加抗隆起安全系數，從而降低設計安全性;計算中考慮內摩擦角φ 對土體抗力具有積極貢獻，可以有效減少樁基布置密度。研究結果可以為工程中的土體設計參數選取提供重要依據，同時為類似基坑工程設計提供實用化參考案例。

關鍵詞：地基基礎工程;基坑支護;攪拌樁墻;φ=0法;抗隆起

中圖分類號：U652.7? ? 文獻標識碼：A? ? DOI：10.7535/hbgykj.2021yx04012

Design and implementation of soft soil foundation pitsupporting scheme in Nansha Port land area

LIU Shuming，WANG Sigen，ZHU Feng

（CCCCFHDIEngineeringCompanyLimited，Guangzhou，Guangdong510230，China）

Abstract：Inordertoeffectivelyreducetheoverallpostconstructionsettlementofbuildingsonsoftsoilfoundationandfullyimprovethestabilityoffoundationpitexcavationinthesubsequentsoftsoilfoundation，thefoundationpitsupportingschemewasselectedbasedonthesoftsoilfoundationpitmixingpilewallsupportingprojectofNanshaportofficebuildinginGuangzhouport.Thetwoalternativeengineeringschemesof"preloadingsoftfoundationfirstandthenmixingpilewallsupporting"and"nonpreloadingsoftfoundationsupporting"werecomparedrespectively.Atthesametime，thedirectshearstrengthparametersandφ=0methodwereusedtocalculateandanalyzetheupliftbearingcapacityofthefoundation.Theresultsshowthatthepreloadingcansignificantlyimprovetheshearstrengthofsoilbyalmost100%inthisproject，andreducethedepthandreplacementrateofmixingpilewall，whichresultsinthedecreaseoftheprojectcost;theengineeringmeasureddatashowsthatthesafetyfactorsagainsttheupheavalcanbesignificantlyincreasedbyconsideringtheinternalfrictionangleφintothecalculation;theinternalfrictionangleφ hasapositivecontributiontothesoilresistanceandcaneffectivelyreducethepilefoundationlayoutdensity.Theresearchresultscanprovideanimportantbasisfortheselectionofsoilparamet

軟土地基基坑設計中往往需要進行地基加固，基坑地基加固一般分為結構物地基永久加固和施工期間被動區地基臨時加固2種類型。房建和市政行業軟土基坑設計中，由于工期緊、排水預壓對周邊場地影響、行業習慣等原因，一般都沒有事先對地基進行整體處理，而主要采用被動區局部臨時性加固，結構物則采用樁基礎，由于地基沒有整體加固，常見結構物底板或承臺與地基脫空現象。

整體地基處理和基坑支護綜合設計的文獻不多見。林志強等[1]提供了浙江某港區一個6m 深基坑先真空預壓后實施復合土釘墻支護的案例。黃時鋒[2]提供的巨型污水處理廠基坑案例中，采用了兩級放坡+雙排灌注樁支檔，仍然出現了支護樁位移達69cm的情況。李紅軍[3]提供的一個深4.6m基坑案例，采用寬4.2m、深11m攪拌樁墻支檔，出現大位移和坍塌現象。如果先行整體預壓處理地基，大大減小主動土壓力，提高和充分利用地基自身的抵抗力，后期基坑支護可以進一步加大放坡減載，提高基坑安全性，降低支檔結構造價。總的來說，陸地行業的基坑工程大多優先考慮“加強支檔”，而相對忽略“減小主動土壓力荷載，利用地基自身的抵抗力”。

海港建設中往往采用吹填泥土成陸，辦公樓建筑基坑設計一般需綜合考慮地基沉降處理和基坑支護穩定性。大面積軟基處理一般采用經濟有效的排水預壓法，可同時達到消減工后沉降、提高基坑土體強度從而降低支護難度的目的。如果全部采用攪拌樁進行地基處理和坑內被動區加固，費用高昂。如果不對地基進行整體處理，只對坑內被動區土體加固，達不到消減整體地基沉降的目標。

軟土地基中深度6m或7m內的基坑，支護方式通常可以選擇鋼板樁或重力式水泥土墻[4-6]。對于辦公樓基坑，尚需考慮基樁與基坑開挖的順序。一般來說送樁長度超過3m時，施工難度和費用會增大。基樁在坑底施工的優點是減少預制樁送樁，降低樁基子項費用。如果在坑底打設基樁，則需選擇沒有內支撐或支錨體系盡量不影響打樁施工的基坑支護方案。

關于基坑設計中的抗隆起穩定驗算，研究文獻[7-9]眾多，這里就不再列舉。相關文獻大多關注計算方法本身，對于采用總強度參數（φ=0法）的論證筆者尚未見相關報道。

本文以廣州港南沙港區一期到四期工程辦公樓基坑設計選型為例，探討地基處理、基坑支護綜合設計問題。探討軟土基坑設計中土體力學參數在各項穩定性計算中對計算結果的影響，尤其是φ=0法對抗隆起承載力驗算結果的影響。

1 項目概況

場地位于珠江三角洲河口灣河海交匯處。原狀淺層地層主要為②淤泥質土、③粉質黏土。土層分布及物理力學指標見圖1和表1。其中，原狀②淤泥平均層厚約8m。地下水位埋深1.0m 左右，補給主要來自大氣降水和珠江水。該場地對基坑支護影響最大的土層是總厚約13m的吹填和原狀軟土。

南沙港區成陸設計理念是吹填約4.7m 厚疏浚土成陸，再鋪設0.8m 中細砂、0.7m 中粗砂，插塑料排水板真空/堆載預壓處理，預壓沉降至接近鋪面結構層底，預壓卸載后基本無大面積外棄方或補填。

綜合辦公樓地下室一層，地下室面積約5000m2，二期地下室長寬約為73m×64m。基樁采用高強預應力管樁。地下室基坑開挖深度為3.5～4.5m，局部核心筒基坑深度約8.0m。

2 地基整體處理方案

南沙港區一期至四期各期吹填造地基面積為100～150萬m2，地基處理方案以真空預壓為主，局部區域采用堆載預壓方案。地基處理過程中需將排水板打設至標準貫入度擊數為5的土層頂部。地基處理預壓時長一般為90～100d，對應的土體固結度達90%。基坑在大面積預壓處理后施工，且有適當放坡的場地條件。基坑支護斷面見圖1（注：為方便閱讀，圖中標高按基坑頂±0.0m 起算，下同）。

預壓后軟土強度增長值計算[10]如下。

ΔCuk =Urzσzktgφcq， （1）

式中：ΔCuk 為強度增長值;Urz 為固結度;σzk 為附加應力;φcq為土體固快內摩擦角。

采用表1中處理前的固結快剪角φcq =16.8°，按南沙試驗區總結，真空度為85kPa乘以0.9，估算強度增長值ΔCuk =90%×（0.9×85）×tg16.8°=20.8kPa。處理前原狀土十字板強度9.5kPa，預測處理后總強度Cu 約為30kPa。卸載后檢測的②淤泥質土十字板剪切強度Cu 為30～40kPa。理論計算值和實測值較為相符。

另外，由表1可見，處理前、后固結快剪強度參數有較明顯不同。預壓處理項目大多出現類似情況。

3 基坑支護方案

3.1 支護方案選型

根據場地工程地質、水文地質、環境條件和基坑開挖深度（3.5～4.5m），可以考慮3種支護方案。

1）放坡大開挖方案 按1∶5～1∶6坡率放坡大開挖，占用場地面積較大，對臨近其他子項施工存在干擾。由于處理效果不均，一期辦公樓基坑試挖過程中經常塌方和出現流沙，而且周圍還有場地在堆載預壓，試挖出來的基坑很快就被擠淤填沒。因而，此方案實現難度大，二、三、四期沒有再采用此方式試挖。

2）水泥攪拌樁重力式擋墻方案 該方案會比鋼板樁方案造價高。結合廣東省軟土基坑經驗，深度6m 內可以考慮此方案，再深則不經濟且不安全。本項目軟土先經預壓處理，物理力學性能均有明顯改善，基坑穩定性滿足的條件下，變形可以得到有效控制，初判變形比鋼板樁方案小很多。并且，場地內其他施工部位攪拌樁設備較多，設備進出場調配方便，可作為首選方案。實際上一期到四期工程的辦公樓基坑均采用格型攪拌樁墻方案，只是各期基坑尺度有所不同引起墻體寬度、深度的差異。

3）懸臂鋼板樁支護方案 由于辦公樓基樁需在坑底施工，鋼板樁方案只能考慮懸臂型式。穿過鋼板樁加錨索的方式利于控制變形，但該方式不常見，對鋼板樁造成損傷不利于回收。懸臂鋼板樁方案造價和施工速度均有優勢，可作為比選方案。

3.2 支護方案初步設計

由于淺層砂層厚度一般不小于1.5m，結合地下水位1.0m，考慮卸載0.75m 厚，以利于減少主動土壓力。

攪拌樁樁徑 600mm，28d原位抽芯無側限抗壓強度qu =1.0MPa。按1格格柵型式布置，內外肋墻均按雙排樁，見圖1。放坡后墻頂起算的基坑深度H =3.5m，嵌固深度按>1.2H 取4.5m、總樁長8m試算。按規范構造要求，墻體寬度B ≥0.8，H =2.8m，按樁位布置取3.3m。墻寬范圍內的置換率m=74%，滿足規范中對于軟土不低于70%的要求。本項目先預壓后開挖基坑。預壓期為超載狀態，同時基坑開挖又處于卸載狀態。土體抗剪強度的計算采用固結快剪強度參數。

格柵內的土體面積A =a×b（見圖1）計算需用到土體抗剪總強度。如果直接用快剪試驗的黏聚力C 值而不考慮摩擦角φ，輸入到理正基坑軟件，可能導致攪拌樁的置換率偏大而造成浪費，需根據基坑深度范圍內土體一半自重壓力p 換算總強度τ=C+ptgφ。采用處理后的固結快剪指標換算總強度為

τ=13.9+（0.25×17+0.5×7+1×6.5）×

tg9.8°=16kPa;

格柵尺寸：a=2.25-0.6/2=1.925m，b=1.80-0.6/2=1.500m;

面積：A =a×b=2.925m2;

周長：u=2（a+b）=6.85m;

滿足a/b<2，且滿足

A ≤δτu/γm =0.5×16×6.85/16.5=3.32m2。

式中δ 為系數，γm 為格柵內土體天然重度。

水泥土墻彈性模量可采用壓縮模量，其取值在各基坑規范中未明確，參照文獻[11]建議取83.4qu 。

采用理正深基坑計算軟件得到的各項結果滿足規范要求。墻體最大拉應力0.1MPa，最大位移46mm（見圖2），按文獻[12]建議的三角形法計算的坑外地表沉降最大為57mm。由于樁底懸浮于軟土層，樁底存在約8mm 位移，意味著支護結構有整體位移的趨勢。

3.3 方案比選

1）不先行預壓軟基的攪拌樁墻方案

在不少建筑或市政基坑工程中，由于行業習慣不同，往往基于工期要求不事先采取預壓處理軟基，而對坑內外土體采取水泥系樁加固。這種做法支護費用較大，總體造價較高。

以圖1斷面的基坑、土層為例，不事先對軟土進行排水預壓處理，按原狀軟土參數設計。為確保整體穩定性，樁長需穿過軟土層50cm 且需加強支護墻體（置換率m =92%），同時需采取坑內被動區土體加固形成底部閉環內圈梁支撐，才能保證墻體抗傾覆、抗滑移穩定、控制支護墻位移和墻體拉應力。加強斷面見圖3（限于篇幅，未列出計算結果）。

取基坑邊長方向2.7m 段，對先預壓和不預壓處理地基2種情況的支護綜合造價估算對比：①預壓后支護樁30根、樁長8.5m;②不預壓，支護樁46根、樁長13.8m，坑內加固樁30根、樁長3.0m。不預壓而直接采用攪拌樁墻方案，每2.7m 段長增加攪拌樁470延米。③攪拌樁按80元/延米估算，不預壓支護方案增加約3.8萬元。而真空預壓+插板約200元/m2，換算到2.7m 基坑邊長、墻寬3.3m的90m2范圍真空預壓費約1.8萬元，比不預壓直接采用攪拌樁墻的方案減少約2萬元，換算到基坑邊長方向減少7400元/m。

由以上對比可見，先采取預壓法進行軟基加固，既可以整體處理地基，也節約基坑支護費用。市政、建筑行業中的軟土基坑，往往直接采取局部坑內攪拌樁加固方案再行支護，在沒有特殊工期要求且具備場地條件的情況下，可以考慮先行預壓法處理軟基。

2）鋼板樁方案

預壓處理后采用懸臂鋼板樁方案，仍在坑頂卸載0.75m 厚。若采用9m 長樁方案抗傾覆系數為1.013，可判為臨界安全;采用12m 長鋼板樁抗傾覆系數為1.298>1.15，但樁頂位移達8cm，且由于鋼板樁未穿透軟土層，樁底存在約6mm 位移。懸臂鋼板樁方案因位移過大而不可取。

4 計算參數和軟件問題

4.1 理正基坑軟件整體穩定計算問題

計算結果如圖4所示，理正基坑軟件計算的整體穩定系數K =1.709較大。為打消對計算結果的疑慮，采用Slope軟件進行核算。攪拌樁樁體強度Cp =qu/6[11]，攪拌墻復合抗剪強度計算如下：

Csp =mCp +（1-m ）Cs，

tgφsp =mtgφp +（1-m ）tgφs，

式中：Csp ，φsp 為復合土層的黏聚力和內摩擦角;Cp ，φp 為水泥攪拌樁的黏聚力和內摩擦角，φp =0;Cs，φs為被加固土層的黏聚力和內摩擦角。

采用Slope 軟件計算的整體穩定系數K =1.380，比理正基坑算的小不少。根據其他項目的計算，特別是基坑臨近有較大荷載的情況，需采用其他軟件平行驗算理正基坑軟件整體穩定計算結果的可靠性，否則可能存在較大隱患。

4.2 強度參數在基坑計算中的不同作用

對攪拌樁墻和鋼板樁方案，采用處理前和處理后的固結快剪、十字板剪切強度分別進行對比計算，結果見圖5、表2和表3。

從圖表結果可以看出：

1）總的來說，φ=0時主動荷載、被動抗力分布都向支護樁底部靠近（見圖5）。采用總強度（φ=0）計算，按朗肯理論計算存在明顯受拉區，導致基坑深度（臨空段）主動荷載小，這也導致支護結構位移和彎矩明顯小。

2）采用總強度（φ=0）計算，2種方案的位移都比采用固結快剪強度計算的小1/3～1/2，從后面的實測數據對照來看，采用總強度計算的位移偏小;同時，鋼板樁方案的彎矩小1/2以上。

3）采用總強度（φ=0）計算，主動荷載、被動抗力分布都向支護樁底部靠近，主動土壓力的力臂明顯縮短、被動土壓力的力臂變化不明顯，導致抗傾覆穩定系數大。

4）采用十字板總強度（φ=0）計算，抗隆起安全系數明顯比采用φ>0的剪切試驗參數小。

規范計算抗隆起承載力公式為Prandtl（普朗德爾）極限平衡理論解，假定地基土容重為0，即忽略支護結構底端以下滑動區內土的重力對隆起的抵抗作用，公式如式（2）所示[1]。

γm2LdNq +cNcγm1（h +Ld ）+q0 ≥Kb， （2）

Nq =tg2 45°+φ2？è ？？？ ÷eπtgφ ，Nc =（Nq -1）/tgφ，ì？í ？？？？ （3

式中：Nc，Nq 為承載力系數;h，Ld ，分別為基坑深度和嵌固深度;γm1，γm2分別為坑外、坑內擋土構件底面以上土的加權平均有效重度;q0 為地面均載;Kb為穩定系數。對應部分φ 角的計算結果[13-14]如表4所示。從表4可以看出，φ>0后，承載力系數Nc，Nq都比φ=0時的系數值大，土體內摩擦角φ起主要作用。

下面舉例計算查看黏聚力C、內摩擦角φ 在抗隆起承載力計算中的影響。假定陸相軟土（含砂）基坑深度h=6m，嵌固深度Ld =12m，軟土C=8kPa，φ=5°，均按水下取土體容重γ=6.5kN/m3。取支護樁底換算土體總強度為，Cu =8+12×6.5×tg5°=15kPa。假定q0=0，式（2）的分母項=117kPa。則

C=8kPa，φ=5°時，Kb=1.48>1.4，

Cu =15kPa，φ=0°時，Kb=1.32<1.4。

從這個簡單算例看，φ=0法導致不滿足規范要求。實際上軟土基坑支護樁嵌固深度達到基坑深度的2倍（嵌固比達到1∶2）基本上是安全的。

理論上講，無論采用哪一種試驗方法獲取抗剪強度參數，最終計算的總強度值是唯一的，從而對同一種穩定性計算的結果應該是相同的。但現有的土壓力、承載力、整體穩定、彈性地基梁等理論，分別從不同角度研究地基或樁土共同作用，各種理論的假定條件未必協調，導致強度參數C，φ 在整體穩定、抗隆起、抗傾覆等各項不同計算中，其主導地位會發生變化。另外，由于取土試驗和數據分析誤差、強度理論不完善，也導致C，φ 取值不合理。這個問題在排樁支護設計中長期存在，目前的土力學和基坑計算理論尚不能解決。實際工程中，對各項計算不宜全部采用φ=0°法，否則可能造成較大浪費。

5 實施效果

5.1 監測結果

對應圖1的方案，在攪拌樁墻頂（墻寬中點）布設12個水平位移測點，斷面方向距離坑內邊線向外5.5m 和11.5m 各設1個地面沉降測點共14組。基坑長邊中部典型測點監測結果見圖6和圖7。

從全部測點監測結果看，基坑長邊中部的位移和沉降最大，與通常的判斷規律相同。

測得的樁頂位移一般不超過40mm，如S6點為38.4mm;對側點S12為47.5mm，該點部位存在因局部構筑物需要的超挖。距離坑邊5.5 m 和11.5m的坑外地表沉降分別為21mm 和14.1mm，坑外地表沉降范圍超過基坑深度2倍，預計可影響到3倍基坑深度范圍。樁頂位移實測值和計算值接近;但坑外地表沉降計算值偏大，目前坑外地表沉降往往采用經驗方法。

樁頂位移和坑外地表沉降曲線總體上出現2個大臺階，與大體分2層開挖的施工進展一致。分層開挖的變形量與最終變形量的比值，與分層開挖厚度與最終開挖厚度的比值大體相同。

從觀測曲線看，變形一般在1～2周內趨于穩定。關于基坑隆起、支護結構變形隨時間的變化關系，目前研究不多。本文案例實測結果可供科研人員參考。

5.2 與往期建設成果比較

在早期的南沙港區一期工程中，實際施工中還采用了圖8的型式。

基坑側肋墻采用雙排樁、外側肋墻采用單排樁。一般規范手冊均建議雙排樁肋墻，理正基坑軟件也不支持這種型式的計算。南沙港區三期辦公樓基坑，基坑總深度6.45m，坑頂放坡高1.3m。采用了直徑70cm 的雙軸攪拌樁，布樁形式見圖9。四期辦公樓基坑深度及支護方案與二期相似。除一期工程方案過于節約導致施工期隆起變形較大外，其余三期工程實施情況良好。

6 結 語

本文依托南沙港陸域軟土基坑，對軟土地基處理與基坑支護綜合方案開展比選與設計，用于判斷工程方案的適用性與工程造價的合理性，主要結論如下。

1）軟土地區基坑，宜考慮軟基整體處理和基坑支護綜合方案。先行整體軟基加固，既可以整體處理地基，也節約基坑支護費用，并利于控制后續基坑開挖支護結構和地基變形。對于深度6m 內的房建基坑，場地空曠條件下，可考慮先對軟基采取排水預壓加固，之后采取攪拌樁墻支護。

2）在土體指標選取方面，攪拌樁墻格柵內的土體抗力計算需采用土體抗剪總強度。僅采用黏聚力而不考慮摩擦角將導致布樁過密。在鋼板樁、灌注樁等支護設計中，不宜僅采用總強度參數驗算抗隆起穩定性，否則可能導致計算結果偏小較多，造成設計浪費。

在后續研究中，對于基坑整體穩定性計算，特別是基坑臨近有較大荷載的情況時，需采用基于專業巖土力學的計算軟件對理正基坑軟件結果進行平行校核，來提高分析結論的可靠性。

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