滨海相淤泥质软土钢板桩基坑扩坑施工研究

王 凯

(中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

连云港滨海相淤泥质软土物理力学性质差，土质软弱。章定文等［1］2003年对连云港地区软土的物理力学指标做出统计，结果表明，连云港海滨相软土具有高含水量、高液限、低密度、低强度、高压缩性、高灵敏度等特点。由于软土地区基坑变形控制难度高，许多学者对于软土地区基坑变形进行了深入研究，刘建航等(1999)［2，3］通过对上海近10年来大量施工的深基坑工程流变现象的研究，提出了经验流变模型——时空理论。刘国彬等(2007)［4］提出了基坑回弹量的简化计算方法，能考虑开挖面积、基坑的放置时间、围护结构的插入深度、基坑的开挖深度、超载等因素对基坑回弹的影响。李学(2007)［5］以天津某基坑支护的实例为一个1∶1的试验模型，得到了模型在开挖时的内力及变形等试验数据，对实体试验进行理论分析，为钢板桩支护结构设计提供一个比较准确的理论支持。胡俊(2008)［6］采用应力控制式三轴流变仪对连云港海相软土进行试验，得到土体的应力—应变—时间关系曲线，并从软土流变性质上分析解决软土地基工程事故。虽然对软土地区基坑变形控制的研究较为深入，但基坑扩坑施工的变形研究少见报道，本文采用数值模拟的方法对连云港淤泥质软土某钢板桩基坑扩坑施工进行了模拟，分析了扩坑施工过程中围护结构的变形，得到扩坑施工中应该重点关注的围护结构部位，以期对类似工程提供借鉴。

1 工程及地质概况

1.1 工程概况

连云港某桥全长360 m，主桥为95 m上承式系杆拱桥，跨径95 m，矢高10.5 m。两侧引桥分别为6×13=78 m空心板梁。主桥立面图见图1。

图1 主桥立面图

施工时需要施作系杆基坑与承台基坑，在基坑中完成系杆与承台的浇筑。系杆基坑长76 m，宽30 m，基坑深约4.6 m，坑底结构物高1.9 m，围护结构采用12 m长拉森40钢板桩(桩顶标高0 m，基坑底标高－4.6 m)，围檩采用500×300×11×18的 H型钢，支撑采用φ609×16钢管(钢管间用法兰连接)，牛腿及支撑连接围檩处采用30工字钢，立柱采用530×7钢管打入13 m深，系杆下每隔6 m设置1根45 m长D80钻孔灌注桩。结合主桥承台、拱脚施工，将系杆基坑向外扩大、延伸。承台拱脚基坑长36 m，宽18 m，四周超高约2 m，基坑深约5 m，坑底结构物高4 m～6.28 m。围护结构采用12 m长拉森V钢板桩(桩顶标高0 m，基坑底标高－4.6 m)，围檩采用双拼H400×400/13×21型钢，钢支撑为φ609/16钢管，立柱采用530×7钢管打入20 m深，承台下设12根D150钻孔灌注桩，桩长70 m，整体基坑平面图见图2。

图2 整体基坑平面图

因施工进度的限制，系杆基坑先于承台基坑施工，当系杆基坑开挖至坑底需要进行扩坑施工，将系杆基坑与承台基坑合二为一，形成一个连通的大基坑。

扩坑施工主要分为4个阶段，具体过程如下:阶段①:系杆基坑开挖至坑底标高－4.6 m。阶段②:拆除系杆基坑第二层支撑，在基坑左右两端各增加3道直撑，直撑中心间距分别为6 m，6 m，3.5 m，插打承台基坑钢板桩。阶段③:施作承台基坑并开挖至坑底标高－4.6 m位置处。阶段④:最后拆除系杆基坑角撑，拔除承台基坑靠近系杆位置的钢板桩，在系杆基坑两侧加设3根直撑(第二层)。各施工阶段示意图分别见图3。

1.2 地质概况

主桥基坑处地质概况为淤泥层，灰色、饱和、流塑，平均厚度18 m。主要土力学参数:重度16.2 kN/m，内摩擦角10°，粘聚力10 kN/m2。地质分布图见图4，施工涉及的各层主要工程地质特征分述如下:①层素填土():灰黄色、潮湿、松散，以黏土为主，夹少量碎石。分布较普遍，仅少量孔缺失。该层土厚度0.80 m～2.70 m、平均1.76 m。②层黏土():灰黄色，潮湿，有光泽，韧性及干强度低，摇震反应无。间断分布，大多地段缺失。该层土层顶埋深0.00 m～2.70 m、平均 1.18 m;层顶标高 0.79 m～3.22 m、平均2.20 m;厚度1.25 m～6.00 m、平均2.57 m。③层淤泥():灰色，饱和，流塑，夹粉砂薄层，有臭味。均有揭露、普遍分布。该层土层顶埋深1.00 m～6.00 m、平均2.72 m;顶层标高 －2.80 m～2.27 m、平均0.67 m;厚度12.60 m～18.90 m、平均16.00 m。④层粉质黏土夹粉土(Qa1-P13):灰黄色，饱和，可塑～软塑，混大量粉土，局部以粉土为主。均有揭露、普遍分布。该层土层顶埋深17.00 m～20.60 m、平均18.71 m;层顶标高 －17.52 m～ －13.55 m、平均 －15.33 m;厚度5.10 m～15.40 m、平均8.16 m。

图3 扩坑施工各阶段示意图

图4 地质分布图

2 数值模拟

首先研究土体加固对基坑扩坑施工的影响，对比研究基底土体不加固和基底满膛加固且深度为3 m这两种不同情况下基坑扩坑施工变形。土体本构模型采用理想弹塑性模型——Mohr-Coulomb模型。有限元模型的尺寸为300 m×100 m×24 m，模型边界采用标准边界约束，模型中主要的土层有③层淤泥()、④层粉质黏土夹粉土。计算分析采用分布施工的荷载类型，采用重力加载的方法生成初始应力。计算中采用板单元模拟钢板桩，采用点对点锚杆模拟钢支撑。

对于加固土体的参数［7-9］，根据叶书麟《地基处理与托换技术》，当无侧限抗压强度fcu=0.1 MPa～3.5 MPa时，水泥土的变形模量为 E50=10 MPa～550 MPa，采用 E50=80fcu～150fcu，其中，fcu为加固土体无侧限抗压强度;E50为加固土体的变形模量。

图5 围护结构典型截面位置示意图

根据基坑变形规律及所关心的位置，选取3个有代表性的截面，见图5。系杆基坑长边中截面A—A、承台基坑长边中截面B—B、阴角处钢板桩中截面C—C，比较其沿截面法线方向的位移，研究钢板桩变形规律。由于围护结构C—C截面处受力复杂，重点对该截面处钢板桩变形进行研究。

图6为C—C截面钢板桩水平位移时程图，正值代表位移向基坑外，负值代表位移向基坑内，下同。图6表明随着承台基坑的开挖，C—C截面钢板桩并没有向基坑内移动，反而向坑外的位移增加，可能由于承台基坑长边钢板桩向坑内的位移引发C—C截面钢板桩发生向坑外的位移。第④阶段与第③阶段钢板桩水平位移接近。

图7对比了加固与不加固方式条件下钢板桩阶段④水平位移。C—C截面处受力复杂，变形规律不明显，加固后钢板桩水平位移不大于1 mm，说明加固效果明显。

图6 钢板桩水平位移时程图（不加固）

图7 不同加固方式下钢板桩阶段④水平位移图

接下来研究不同钢板桩长度对基坑扩坑施工变形的影响。分别选取12 m，15 m，18 m长拉森Ⅳ型钢板桩，作为基坑围护结构，基坑基底土体加固深度为3 m。

图8比较了不同长度下钢板桩C—C截面切向位移，可以发现随着钢板桩长度的增加，钢板桩的切向位移减小。

图8 阶段④C—C截面钢板桩切向位移图

3 结语

通过数值模拟对滨海相淤泥质软土钢板桩基坑扩坑施工变形进行研究，得到以下主要结论。随着承台基坑的开挖，C—C截面钢板桩水平位移增大至最大值，发生向基坑外的位移，在其后的拆除钢板桩阶段，C—C截面钢板桩水平位移基本保持不变。基底采用3 m满膛加固的方式可以有效减小C—C截面钢板桩水平位移。随着钢板桩长度的增加，C—C截面钢板桩的切向位移减小。

［1］章定文，刘松玉，于新豹.连云港海相软土工程特性及处治方法探讨［J］.工程地质学报，2003(3):250-257.

［2］刘建航，刘国彬，范益群.软土基坑工程中时空效应理论与实践(上)［J］.地下工程与隧道，1999(3):7-12.

［3］刘建航，刘国彬，范益群.软土基坑工程中时空效应理论与实践(下)［J］.地下工程与隧道，1999(4):10-14.

［4］刘国彬，贾付波.基坑回弹时间效应的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2007(S1):58-60.

［5］李 学.钢板桩支护结构的试验研究与有限元分析［D］.天津:天津大学硕士学位论文，2007.

［6］胡 俊.海相软土三轴流变试验研究［J］.西华大学学报，2008，27(3):7-8.

［7］雷金山，冷伍明，杨秀竹，等.软土地基深层搅拌水泥土加固机理及应用［J］.西部探矿工程，2002(2):14-15.

［8］徐新跃.水泥土搅拌桩的现场试验研究与分析［J］.勘察科学技术，2001(5):7-10.

［9］贾 坚.影响水泥土强度的综合含水量研究［J］.地下空间与工程学报，2006(1):132-136，140.