軟土地區基坑支護設計與穩定性分析

摘 要：在軟土地區，基坑設計和施工難度大且成本高，因此在土地區基坑支護設計中，應全面評估環境因素影響，采用合理的設計計算方法，保障工程安全。本文以某基坑事故為例，探討了軟土地區基坑設計的理論、方法及改進措施，并結分析了幾種支護方式，研究表明，深層軟土基坑采用噴射混凝土和錨桿支護效果不佳，懸臂排樁支護存在變形大、彎矩大等問題。通過土層計算參數選擇和基坑穩定性分析，發現計算參數的代表性和合理性對設計至關重要。除此之外，研究還分析了坑邊超載對支護結構的影響。最終建議設計時嚴格限制基坑邊緣超載，減輕支護結構負擔。

關鍵詞： 軟土地區；基坑；支護設計

中圖分類號：TU 43" " " " " " " 文獻標志碼：A

軟土分布在我國東部沿海地區以及河流、湖泊等地區[1]。軟土地區基坑設計和施工難度大、成本高[2]，因此設計計算應保證計算模式正確、計算參數具有代表性以及安全性[3]。正確的模式是指對土體和結構的力學行為進行建模和描述的方法[4]，參數是指設計計算中需要考慮的土體和結構的物理性質，例如土體的抗剪強度、剪切模量等[5]，安全性是指設計計算中需要考慮的安全指標，例如可靠性指標、安全系數等[6]。其中，淺基坑開挖深度為3～6m，很容易被設計和施工人員忽視，造成基坑失穩、局部滑移等事故[7]。因此，平衡基坑的設計要素非常重要，本文分析總結了軟土地區基坑支護選擇，以某基坑事故原因分析為例，探討了軟土地區基坑設計的理論、方法和改進措施。

1 軟土地區基坑支護類型總結

對半坡式、坡腳滑移式的軟土基坑來說，可設置較寬的卸載平臺，將上覆土的質量減輕至不發生隆起或側向擠壓的程度，支護形式可采用噴射混凝土-錨桿支護或復合噴射混凝土-錨桿支護，如圖1所示。

不同條件下軟土基坑包括以下幾種支護形式。1）基坑底部為軟土，但在一定深度內存在較硬的土層，可采用卸載平臺加水泥擋土墻的支護形式，墻底深入硬土層（圖2（a））。2）基坑底部為軟土，一定深度內有較硬層，但場地狹窄不具備減坡減載條件，可采用剛性擋土樁（墻）加內部支護，樁底深入硬土層（圖2（b））；也可采用重力水泥擋土墻，墻底深入硬土層（圖2（c））。3）基坑底部為深層軟土，一定深度內不存在相對堅硬的土層，采用內支撐剛性樁（墻）時，在樁內基坑下方一定深度內對被動區進行加固，以控制樁下部向基坑方向的“裙邊”變形（圖2（d））。

2 穩定性分析

基坑周圍環境通常較為復雜，因此基坑設計需要控制變形。目前整體穩定性的常用計算方法與實際情況存在差異，原因是對欠固結土采用固結不排水抗剪強度指標；土體上存在車輛、建筑和其他動態荷載擾動；降雨和漏水增加了土體的質量，降低了土體的強度。以上都是不利因素，但也存在有利因素，例如土體的結構強度、非飽和土的基質吸力、基坑平面的三維效應、土體的負孔隙壓力等。由于難以定量分析有利因素和不利因素，因此抗隆起穩定性分析規定了一定的安全系數。

對抗隆起穩定性計算來說，如果采用松散不排水強度指標，那么飽和黏性土的內摩擦角為0°，該部分的抗滑力矩都為0。如果采用固結不排水強度指標，土體在浮重作用下固結，那么滑動力矩采用飽和質量，抗滑力矩必須采用浮重。圖3為抗隆起計算示意圖。

通常采用公式（1）計算抗隆起穩定性。

（1）

式中：Kb為抗隆起安全系數；γm1、γm2為軟弱下臥層頂面以上土層重度，土層為多層土的，厚度按加權平均值取值，kN/m3；D為基坑底面到軟弱下臥層頂面的土層厚度，m；h為基坑深度，m；c為軟弱土層（下臥層）的黏聚力，kPa；q0為地面荷載，kPa；Nc、Nq為承載力系數。

當采用松散不排水強度指標時，Nq為1.0，Nc為5.14。如果采用固結不排水強度指標，那么Nq遠大于1.0，結構并不安全。因此，當采用公式（1）計算穩定性時，水位下的土層重度須采用浮重，載荷采用飽和質量。

3 軟土層基坑案例分析

3.1 項目概況

某項目基坑長約107m，寬21m，深16m。支撐方式是地下連續墻+4根鋼支撐，連續墻厚度為800mm，墻深約為33m，埋入基坑底部以下17m，支座水平間距為3m。設計要求分層、分段開挖，當開挖達到支護面標高以下0.5m時，必須停止開挖，立起支護，不得超挖。表1為本工程勘察報告中提供的地層、土體物理性質指標及靜力滲透試驗數據。

3.2 開挖穩定性計算

軟土基坑工程的主要問題是主動土壓力大、被動區阻力小、支護結構變形大，且抗剪強度低，易造成整體失穩和坑底隆起。可將支護結構穿過軟土層至高阻力土層，在樁頂設支撐。當軟土層底部埋深較大時，支護結構承受較大的應力，且應通過計算確定其可行性和經濟性。除此之外，可以對被動區進行加固，提高軟土抗剪強度，減少變形，解決整體穩定性和坑底隆起問題。根據公式（1）計算穩定性系數，結果見表2。

從表2可以看出，開挖4m時，大多數情況下都能滿足穩定系數k＞1，但達不到設計規定的k值。開挖6m時，k＜1.0。當采用噴射混凝土和錨桿支護時，深層滑移的穩定系數并未得到實質性提高，說明通過增設錨桿很難解決問題。因此，在深層軟土地區，地下室基坑開挖時，采用噴射混凝土和錨桿支護是不可行的，邊坡開挖也不一定可靠。因此分析基坑穩定性的影響時，為保障工程安全、保證施工合理性，應全面評價環境因素對基坑穩定性的影響，并采用適當的方法進行設計計算。

3.3 支護結果分析

本節對以下3類土體參數下的支護進行分析。I類：γ=17kN?m-3，c=10kPa，φ=0°，m=500kPa/m2。I類：γ=17kN?m-3，c=10kPa，φ=4°，m=750kPa/m2。Ⅲ類：γ=17kN?m-3，c=10kPa，φ=7°，m=1000kPa/m2。開挖深度分別為4m、5m、6m、7m，擋土樁直徑為?900mm，軟土厚度分別為10m、12m、16m。樁最小埋深（m）、最大位移（mm）、最大彎矩（kN?m）計算結果見表3。

根據表3的數據，分析開挖深度和軟土厚度對支護的影響。開挖深度的影響：隨著開挖深度增加，支護結構需要承受更大的土壓力，導致樁的最小埋深、最大位移、和最大彎矩顯著增加。這種趨勢在所有土體類型中均表現明顯。

I類土體：開挖深度從4m增至7m，最小埋深從13.5m增至17.2m，最大位移從100mm增至135mm，最大彎矩從1209kN?m增至2135kN?m。此類土體表現出較高的穩定性，但隨著深度增加，位移和彎矩也快速增加。

II類土體：在同樣的深度變化下，最小埋深增加了約4m，最大位移從95mm增至120mm，最大彎矩從914kN?m增至1848kN?m。與I類土體相比，II類土體穩定性稍差。

III類土體：最小埋深從11.3m增至15.8m，最大位移從65mm增至100mm，最大彎矩從633kN?m增至1516kN?m。III類土體摩擦角較大，說明抗滑移能力更強，但深度對其影響仍較為明顯。

軟土厚度因素的影響：軟土厚度是影響支護設計的關鍵因素之一。在相同的開挖深度下，軟土厚度增加直接導致結構所需的最小埋深、最大位移、最大彎矩增加。當開挖深度為6m時，I類土體的軟土厚度從10m增至16m，最大位移從130mm增至310mm，最大彎矩則從1940kN?m增至2645kN?m。這表明厚軟土層顯著增加了支護結構的設計難度。II類和III類土體表現出類似的趨勢，但III類土體摩擦角較大，因此其位移和彎矩增幅相對較小。

當開挖深度在5m以內且軟土不太厚、土質不太差時，可以考慮采用懸臂排樁支護。在深層軟土中，采用懸臂排樁支護時，出現變形過大、彎矩過大、要求樁長較大的情況，不經濟且不安全。因此可以通過增加一層或多層內支護，有效減少樁的位移和彎矩，提高結構的穩定性和安全性。當設計內支護時，應保證樁端嵌入硬土層，避免出現“裙邊”現象，影響樁的整體穩定性。

3.4 坑邊超載分析

坑邊超載對支護結構影響較大。表4為懸臂樁在不同超載和開挖深度下的最大彎矩（土層c=10kPa，φ=6°）。由表4可知，當坑邊超載為20kPa時，懸臂樁最大彎矩值為無超載時的2～4倍。因此，設計時應根據坑邊可能發生的過載強度和分布范圍來計算，而不是根據坑邊外的無限分布方式來計算。當超載影響過大時，不宜盲目加強支護結構，而應采取措施嚴格限制基坑邊緣超載，減輕支護結構負擔。

數據表明，隨著超載增加，最大彎矩呈顯著上升趨勢。例如，當開挖深度為4m時，無超載的最大彎矩為452kN?m，但在20kPa超載情況下，彎矩增至1746kN?m，增幅約為3.86倍。在深7m的開挖過程中，最大彎矩從無超載時的7546kN?m增至20kPa超載時的14025kN?m，增幅約為1.86倍。可以看出，超載對淺基坑的影響尤為顯著，因其土壓力較小，超載對整體土壓力的影響比例更大。因此，在支護設計中，必須詳細評估基坑邊緣的超載情況，避免假設為均勻分布，而是要根據超載強度和作用范圍制定相應措施，采取限載區、調整施工順序等減載措施，可以有效減輕支護結構的負擔。而在無法避免超載的情況下，須考慮更高強度的材料或更復雜的支護體系，保障結構安全性。

4 結論

通過軟土地區基坑工程分析，本研究得出以下結論：軟土地區基坑設計與施工需要特別關注土體的抗剪強度、支護結構的變形及基坑穩定性。傳統的噴射混凝土和錨桿支護方式在深層軟土條件下效果有限，而懸臂排樁支護方式在軟土較厚的情況下也存在變形和彎矩過大的問題。因此，建議在軟土基坑設計中，優先考慮多種支護形式的組合，并對土層參數進行準確測定和合理應用。除此之外，還須嚴格控制基坑邊緣超載，減輕支護結構的負擔。本研究的全面評估和優化設計，可以為基坑工程的安全性和經濟性提供參考。

參考文獻

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