软弱土层中不同基坑支护方案的分析

佘清荣

软弱土层中不同基坑支护方案的分析

佘清荣

(福建省华厦能源设计研究院有限公司 福建福州 350003)

结合具体工程实例，比较了在同一软弱土层地区采用不同的基坑支护方案的优劣。分析表明，水泥搅拌桩与土钉墙组合的支护结构型式比传统的排桩与内支撑组合的支护结构型式具有更大的优势，该支护结构与其它支护结构相比，具有明显的经济性和优越性。

软土基坑;基坑支护;水泥搅拌桩与土钉墙组合支护

0 引言

福建沿海的地质条件多为浅海滩涂，具有淤泥层厚，上覆土层历史较短，且存在基坑支护造价相对较高、变形较难控制等特点，故在该区域进行工程建设和基坑开挖时，需对基坑进行支护。目前，基坑支护常见的方式有：分级放坡、土钉支护、水泥土搅拌桩重力式支护、排桩加锚支护、内支撑支护等，以上单一的支护型式在软弱土层中均存在着一些不足[1-3]。

近几年，随着支护型式和施工工艺的发展，一种新型的支护型式：土钉墙结合水泥土搅拌桩在软弱土层的基坑支护中得到了广泛的应用。此支护型式具有如下优点：施工工艺简单、造价相对较低、适用范围和深度变大、可与其他支护型式结合使用。

本文以工程条件类似的具体案例，探讨了两种不同支护结构型式在软弱土层基坑中的支护效果。分析表明，水泥搅拌桩与土钉墙组合支护在软土基坑中的应用有着良好的效果，并且在节省工程造价方面也有较大的优势[4-6]。

1 工程概况

A工程位于福州长乐市城西片区，场地南邻吴航路，东侧为某住宅小区，北侧和西侧均为规划道路，目前为空地。该工程设一层连体地下室，基坑开挖深度3.10m～4.00m(主楼多桩承台处基坑开挖深度4.50m～5.50m)，基坑占地面积约22 000m2。

场地上部岩土层主要为：杂填土层①，松散为主，厚度1.50m～4.80m。粉质黏土层②，可塑，厚度1.00m～1.50m。淤泥层③，流塑，厚度10.50m～20.00m，为欠固结土。粉质黏土层④，可塑，厚度2.60m～7.50m。中砂层⑤，中密，厚度2.50m～8.10m。基坑开挖范围内的地下水主要为赋存于杂填土层中的孔隙潜水，受大气降水和地表水等影响，稳定水位埋深在0.90m～1.00m之间。中砂层⑤的孔隙承压水对基坑开挖基本没有影响。影响基坑开挖的土层分布及参数,如表1所示。

表1 A场地土层基坑设计计算指标

B工程与A工程相隔吴航路，西与泮野港相邻，南侧为规划住宅用地，东侧为规划道路，场地西北角与龙芝大厦建筑群相邻，东北侧与国惠大酒楼相邻。

该工程设一层地下室，基坑开挖深度约为3.50m，多桩承台位置开挖深度3.85m～4.50m。场地西北角已建的龙芝大厦建筑群地面标高约为黄海5.00m，比现有场地高出约1.80m左右，该范围基坑开挖深度约为4.30m，多桩承台挖深约5.65m，基坑占地面积约20 000m2。

场地上部岩土层主要为：杂填土层①，松散为主，厚度1.00m～3.00m。粉质黏土层②，可塑，厚度1.00m～2.00m。淤泥层③，流塑，厚度10.90m～20.50m。 粉质黏土层④，可塑，厚度1.00m～9.00m。中砂层⑤，中密厚度1.50m～5.00m。基坑开挖范围内的地下水主要为赋存于杂填土层中的孔隙潜水，受大气降水和地表水等影响，稳定水位埋深在1.00m～1.20m之间。中砂层⑤的孔隙承压水对基坑开挖基本没有影响。影响基坑开挖的土层分布及参数如表2所示。

表2 B场地土层基坑设计计算指标

2 基坑支护设计方案

2.1 基坑支护设计方案的选择

(1)A工程基坑侧壁安全等级为Ⅱ级，采用的支护型式为：东侧和西侧采用PHC管桩支护，桩长10m～14m，单节桩，桩顶设置钢筋混凝土冠梁，管桩内灌芯，东侧坑内侧设置钢斜支撑，斜支撑为Φ300×5钢管，长约6m。基坑南、北侧采用平台卸载、土钉支护与木桩组合支护。基坑支护型式如图1～图2所示。

图1 基坑支护剖面图

图2 基坑支护剖面图

(2)B工程的基坑安全等级为Ⅱ级。该基坑支护型式为：水泥搅拌桩与土钉墙组合，水泥搅拌桩水泥掺量为20%，抗剪强度为100kPa，无侧限抗压强度大于1.0MPa，土钉以Φ48焊接钢管作为注浆锚管，浆体喷射直径130mm，土钉长度18m，水平间距为1.30m，基坑支护型式如图3所示。

图3 基坑支护剖面图

2.2 A、B工程基坑支护的共同点

(1)基坑地处市区，与主干道相邻，距离已有建筑物较近，对周边环境变形敏感。

(2)场地岩土工程地质条件差，且位于软土地区，软弱土层厚度大，沉积时间短，含水量高，分布有欠固结的淤泥层，力学性能极差。

(3)基坑均开挖至淤泥层，容易引起淤泥深层滑动，若支护型式不合理，将对基坑及其周边安全构成威胁。

(4)软土地区可选择的支护型式较少。

2.3 B基坑整体稳定性计算

计算单排水泥搅拌桩不同桩长下的整体稳定性。通过计算可知，水泥搅拌桩嵌入坑底以下4m深度时，切割桩身的滑弧成为最危险滑弧，需采取措施，如增加水泥搅拌桩的排数，安全系数将进一步提高，并能满足要求。不同搅拌桩排数的基坑整体稳定安全系数结果如表3所示。

图4 A工程北区基坑侧壁土体水平位移—深度关系曲线(注：横坐标代表水平位移，纵坐标代表深度)

表3 不同搅拌桩墙厚度下的整体稳定安全系数计算结果

通过计算结果和实际情况相结合，水泥搅拌桩的参数设置如下：主动区采用2排直径500mm、间距400mm、桩长为L=8m的水泥搅拌桩，被动区采用2排直径500mm、间距400mm、桩长为L=4m的水泥搅拌桩，并增设了水泥搅拌桩墩式加固体，以进一步稳固坡脚，控制变形。

通过整体稳定性计算可知，水泥搅拌桩墙的厚度对基坑稳定性的作用是巨大的，且三道注浆锚管也对基坑的稳定性发挥了关键作用。通常在极软弱土层场地的基坑支护中，注浆锚管的拉拔力往往被忽视，但通过多个工程实例和事实表明：

(1)注浆锚管加固后的复合土体，外来荷载和土体自重应力由锚管和土体共同承担，注浆锚管为基坑的稳定性提供了部分的抗滑力，延缓了复合土体塑性区发展和滑裂面出现。

(2)由于锚管注入水泥浆，在压力作用下，水泥浆液能够在锚管周边与土体结合形成一定直径的锚固体，且锚固体的形成使得周边软土被加固好，同时被强制性挤向四周，软土层受到挤压，土体密实度得到提高。

(3)水泥浆与淤泥共同作用，改善了土体的力学性能，提高了软土的强度，因此能够为锚固体提供更大的侧阻力，一方面增大了锚管与周围土体的粘结力，从而增加基坑的稳定性。

3 坑壁土体水平位移监测结果

(1)A工程南区基坑开挖工作自2010年9 月初开始，2010 年11 月初基坑开挖基本完成；北区基坑开挖工作自2010年9 月底开始，2010 年12月底基坑开挖基本完成。由于基坑开挖时土体变形较大，支护结构及土体变形多次超出预警值，部分地段因变形过大产生裂缝或滑塌等。地下室施工完成后，土体累计水平位移最大值为19.00mm～438.87mm(南区)、41.25mm～387.34mm(北区)，大部分地段土体变形均超出设计允许值，部分地段土体位移110mm～460mm，大大超出设计允许值，导致基坑局部失稳，如图4～图5所示。

(2)B工程的基坑按照以上所述的基坑支护设计方案施工，从土方开挖到地下室土方回填共历时约270d，监测单位进行了70多次的基坑监测。由监测数据可知，基坑土体水平位移变形特征表现为沿深度的水平位移中部大，顶部和底部两头小的肚子型变形曲线，位移最大值27.32mm～32.42mm，水平位移最大值产生于基坑底标高附近，以上数值及规律满足规范要求，如图6所示。

实践表明：通过水泥搅拌桩和注浆锚管对土体的约束，使得淤泥侧向挤出及基坑坑底隆起等现象未产生，水泥搅拌桩的存在延缓了土体塑性变形发展阶段，同时被动区布设多排水泥搅拌桩对坡脚进行加固，对基坑变形起了很好的控制作用，达到了良好的效果。通过计算，基坑支护的造价每延米约5 000元，与喷锚支护型式相比造价微高，但比桩锚支护、桩内支撑支护等造价均低。

图5 A工程南区基坑侧壁土体水平位移—深度关系曲线(注：横坐标代表水平位移，纵坐标代表深度)

图6 B工程基坑侧壁土体水平位移-深度关系曲线(注：横坐标代表水平位移，纵坐标代表深度)

4 结论

(1)A、B工程基坑范围较大，形状复杂，分块建设，从技术角度和支护造价角度均不宜采用造价较高的内支撑支护。

(2)A工程基坑的支护型式相对于B工程而言，结果造成支护结构失稳。若基坑采用排桩加外锚支护，则造价高，可见B的支护型式比A工程的支护型式有较大的优势。

(3)软土场地基坑单一采用土钉墙支护变形过大，基坑整体稳定性差，且基坑开挖深度受限。在土压力主动区和被动区布设普通水泥搅拌桩，对基坑形成超前支护，增大支护复合抗剪强度、提前加固开挖面、稳固坡脚和抵抗基坑坑底隆起等起到了良好的作用，大大提高了基坑整体稳定性、抗隆起稳定性；且增加了基坑支护的适用深度，对控制基坑的水平位移等变形起到了很好的控制作用。

(4)注浆锚管在水泥搅拌桩与土钉墙联合支护中为基坑稳定性提供了一定的抗滑力，延缓了复合土体塑性区发展和基坑滑裂面的出现，对基坑应力传递和扩散、加固土体、改善土体物理力学性能起到了良好的作用。

(5)在水泥搅拌桩与土钉墙的联合支护型式中，水泥搅拌桩的抗剪强度对基坑整体稳定性有着良好的贡献，水泥搅拌桩桩长的增加使得切割桩身的滑弧成为最不利的滑弧，随着水泥搅拌桩排数的适当增加，支护结构的整体稳定安全系数可以得到较大的提高。

[1] 刘建航，侯学渊.基坑工程手册[Z].北京：中国建筑出版社，1997.

[2] 徐扬青.深基坑工程设计方案优化决策与评价模型研究[J].岩土工程学报，2005，27(7)：844-848.

[3] 吴恒，周东，李陶深,等.深基坑桩锚支护协同演化优化设计[J].岩土工程学报，2002，24(4)：465-470.

[4] 罗耀武，凌道盛，陈云敏,等.环形超深基坑支护结构受力变形特性分析[J].岩土力学，2011,32(2):617- 622.

[5] 艾智勇，苏辉.深基坑多层水平支撑温度应力的简化计算方法[J].同济大学学报(自然科学版)，2011，39(2):199-203.

[6] 周沈华.深基坑开挖对周边地表沉降影响因素分析[J].土工基础，2008(2):40-44.

Analysis of different schemes for soft soil foundation pit in soft soil

SHEQingrong

(Fujian Huasha Institute of Energy and Design Co.Ltd.,Fuzhou 350001)

Based on actual foundation pit supporting projects, different schemes of foundation pit supporting are introduced in the paper, the advantages and disadvantages of different foundation pit support schemes are compared in the same soft soil area, it shows that the composite retaining wall combined cement mixing pile with soil nailing has greater advantage than soil nailing wall in the soft soil foundation pit ,it has obvious economy and superiority.

Soft soil foundation pit;Foundation pit supporting; Composite retaining wall combined cement mixing pile with soil nailing

佘清荣(1963.6- )，男，教授级高级工程师。

E-mail:784268494@qq.com

2017-02-21

TU47

A

1004-6135(2017)04-0056-04