軟土地區某排澇工程基坑被動區參數優化研究

梁永濤

(深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

1 擬建場地工程地質條件

1.1 地形地貌

工程區為城市建成區，勘察場地為市政道路及綠化帶，場地整體地勢相對平坦，北高南低，一般地面高程在1.2～25.0 m。以新洲路-深南大道-福田路為界限，南側工程區以海積沖積平原為主，接合低臺地地貌單元；北側為低臺地接合沖洪積平原地貌單元[1-5]。

1.2 地層巖性參數

(1)人工填土。本次勘察范圍內揭露的人工填土為雜填土、碎石素填土、黏性素填土、填石，其成分不均勻，密實程度較差，其物理力學性質不均，部分未完成自重固結。鉆孔施工過程中碎石素填土層及雜填土層漏水較嚴重，局部間隙較大，管槽開挖施工時應注意其影響，本場地人工填土層未經處理不能作為天然地基基礎持力層。

(2)淤泥、淤泥質砂、淤泥質土。具高含水量、高觸變性、高壓縮性、低強度、自穩能力差等特征，土的力學強度低，變形速率大且穩定時間長，工程性質差，易造成基坑壁滑塌、沉降、地基承載力不足等問題，對建筑物的穩定性影響較大，需進行進一步的地基處理。

各主要巖土層物理力學參數值見表1。

表1 各主要巖土層物理力學參數值

1.3 水文地質條件

本工程場區內主要的地表水為新洲河、福田河和鳳塘河，地表水與場地地下水連通性較好，主要與場地孔隙潛水存在水力聯系。根據本次勘察的水位觀測資料顯示，場地地下水位埋深一般在1.00～8.60 m，平均在3.32 m。場地地下水位年變化幅度為0.5～2.0 m。工程區為福田區易澇風險區、低洼地區，雨季期間存在道路淹沒情況。綜合考慮場地地下水補給、排泄條件、場地地形地貌和深圳地區經驗值后，工程區抗浮設防水位建議取各片區場地設計地坪標高[6]。

1.4 軟土液化震陷判別

根據完成的標準貫入試驗進行液化復判，依據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)綜合判別：②-2淤泥質砂、③-3淤泥質砂具輕微～中等液化現象；③-4粉細砂具輕微液化現象；③-5中粗砂、③-6礫砂不具液化現象。

工程場地內軟土為淤泥、淤泥質土，上部長時間堆載有較厚的人工填土，場地內軟土淤泥的等效剪切波速為117.8 m/s，超過90.0 m/s，土工分析統計其力學性質普遍得到改變，綜合判定場地內軟土無震陷的可能性。

2 管涵基坑支護設計

2.1 管涵擴建工程布置

經復核該片區范圍內基本為城中村，現狀部分管涵過流能力不滿足10年一遇設計重現期，主要為福強路上現狀DN1500～1800 mm管道長度745 m不滿足管道設計標準，該片區起端及末端雨水管渠過流能力不足加上該處地勢低洼周邊雨水均向此處匯集導致此處形成內澇，故需增加雨水收集能力及增大雨水管道過流能力，完善雨水收集系統。福強路段管網設計方案：福強路段管道由DN1500～1900 mm改為箱涵3.0 m×1.6 m長度463 m，箱涵A 3.0 m×2.0 m長度218 m，其中橫穿金田路段，因與地鐵4號線交叉，該段改為3DN1500 mm雨水管道頂管施工，長度79 m。

2.2 基坑支護及被動區加固設計方案

工程新建箱涵基坑位于福強路主路下，福強路為雙向8車道，為主干道，現狀路面高程為5.34 m，基坑底高程為-2.25 m，基坑深度7.59 m；臨時施工占用兩車道，施工過程中需考慮基坑頂未占用車道車輛通行要求；基坑附近存在一根現狀DN1800 mm雨水管，距基坑邊線約3 m，管內底高程為-0.50 m，為鋼筋混凝土管，采用承插式接口連接；開挖影響范圍內土層從上至下分別為①-3黏性素填土、②-2淤泥質砂、②-1淤泥、②-2淤泥質砂，依據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120—2012)，福強路段箱涵基坑支護安全等級定為二級。

綜合考慮各基坑支護特點并結合場地條件、施工便利性、工程投資及施工工期等方面因素，箱涵基坑采用鋼板樁+內支撐+坑底被動區加固支護形式，鋼板樁采用15 m拉森Ⅳ(新)型鋼板樁，內支撐采用兩道φ299δ10鋼管撐，鋼管撐水平間距4.0 m，腰梁采用HW350×350型鋼腰梁；考慮基坑深度較大，為保證周圍道路、管道安全運行，在基坑兩側增設Φ600@450攪拌樁加強截水。

地勘報告顯示，基坑底為厚0.85 m ②-2淤泥質砂、厚6.40 m ②-1淤泥及②-2淤泥質砂層。廠區內淤泥、淤泥質砂具高含水量、高觸變性、高壓縮性、低強度、自穩能力差等特征，土的力學強度低，變形速率大且穩定時間長等特點，工程性質差，尤其在地震作用及振動荷載作用下，易產生軟土震陷、側向滑移、不均勻沉降及蠕變等工程地質問題，易造成基坑壁滑塌、沉降、地基承載力不足等問題，對建筑物的穩定性影響較大[7]。

結合地勘資料成果及類似工程經驗。被動區加固采用滿堂加固形式，水平方向按照格柵式布置，采用Φ600@450水泥土攪拌樁加固，樁長8.0 m，穿透軟土層0.5 m。

3 基坑被動區加固參數優化數值模擬

為研究不同類型支護方案的適用性，本節在設計方案的基礎上采用PLAXIS 2D有限元數值模擬軟件，建立管涵基坑支護二維平面數值模型，在此基礎上分析基坑變形及受力情況，研究被動區加固體的變形控制作用，以提出被動區加固體的優化參數。

3.1 有限元模型建立

模型邊界約束為ux=uy=0，兩側邊界ux=0。模型計算范圍考慮基坑開挖深度的3～4倍，計算模型尺寸大小為300 m×78 m。所有土體均采用HSsmall小應變硬化土模型，加固體采用混凝土塑性單元，支護樁采用板單元等效代替，支護樁和土層的接觸效應采用界面單元模擬，界面強度折減因子均取為0.7。混凝土內支撐和鋼支撐采用梁單元代替，圍檁同采用梁單元。所有巖土體物理力學性質計算指標依據表1實測值，有限元計算模型見圖1，計算模型選用最不利工況進行分析，計算施工步驟模擬見表2。

圖1 有限元數值計算模型

表2 基坑開挖施工步驟模擬

3.2 基坑模擬結果分析

圖2、圖3為基坑開挖至基底時基坑水平位移云圖和豎直位移云圖，可以看出基坑水平向最大變形為23.59 mm，基坑水平變形較大值主要出現在基底附近，由于內支撐的存在支護樁水平位移呈現出如圖4所示的組合拋物線形式。基坑地表距基坑一定范圍內出現豎向沉降，沉降最大值為6.38 mm，同時基坑底部由于巨大的卸荷效應出現隆起變形。參照相關規范及設計要求，支護結構水平位移控制值為30 mm，現狀管道位移控制值為20 mm，現狀道路沉降控制值為30 mm。可以看出模型計算結果均在規范運行變形范圍內，現有“鋼板樁+內支撐+坑底被動區加固”支護形式有效可行。

圖3 基坑豎直位移云圖

圖4 基坑支護樁水平位移

3.3 基坑被動區加固體參數優化

本案例基坑被動區加固體采用深8 m的滿堂加固型式，加固體黏聚力為42 kPa、內摩擦角為28°。經以上模擬計算可知基坑采用目前支護方案后變形有一定的冗余度，因此可考慮對加固體參數進行優化設計，滿足變形控制且經濟合理。本次考慮單因素變量，分別研究加固體深度、黏聚力、內摩擦角對基坑的變形控制作用。

如圖5～圖7所示，設置不同加固體深度、黏聚力、內摩擦角下基坑支護樁水平位移量、地表沉降量和現狀管道豎向沉降值，可以看出隨著加固體深度、黏聚力、內摩擦角的增加基坑變形量呈遞減趨勢，但不同影響因素導致的遞減趨勢不一致，現狀管道豎向沉降隨加固體參數變化幅度較小，即表明基坑開挖對現狀管道影響較小。當加固體深度在0～6 m深度范圍，基坑變形減小幅度明顯，在6～9 m深度范圍，基坑變形不再發生明顯變化，同時考慮變形控制和經濟性，本工程基坑最優深度可取6 m。當加固體黏聚力在10～40 kPa范圍時，基坑變形減小幅度明顯，在40～70 kPa范圍時，基坑變形減小幅度不明顯，結合本工程加固體設計指標，建議黏聚力可取30～40 kPa范圍。整體上加固體內摩擦角的變化對基坑變形的控制效果不夠明顯，在實際設計或施工中可依據實測指標。

圖5 不同加固深度下基坑變形最大值

圖6 不同加固體黏聚力下基坑變形最大值

圖7 不同加固體內摩擦角下基坑變形最大值

4 結 論

(1)在現行支護方案下，支護樁水平位移及現狀管道沉降均滿足規范要求，基坑設計方案有效可行。

(2)被動區加固體深度存在優化空間，隨著加固體深度的增加，支護樁水平位移和地表沉降均呈現線性遞減趨勢，對于本工程而言在考慮基坑變形控制和方案的經濟合理性，較為適宜的加固體深度應取6 m，此時基坑變形能夠滿足規范標準，且造價相對較低。

(3)被動區加固體黏聚力存在優化空間，當加固體黏聚力在10～40 kPa范圍時，基坑變形減小幅度明顯，在40～70 kPa范圍時，基坑變形減小幅度不明顯，結合本工程加固體設計指標，建議黏聚力可取30～40 kPa范圍。

(4)加固體內摩擦角的變化對基坑變形的控制效果不夠明顯，在實際設計或施工中可依據實測指標選值。