强夯置换法支护软土基坑的模拟及应用

何寿迎，董成祥，王殿斌，闫强刚，赵民

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛　266032；　2.青岛岩土工程技术中心，山东 青岛　266032)

1　引　言

沿海城市的软土回填区，一般具有软土层厚、强度低、顶层填土回填无序、地下水埋深浅的特点。该类地质条件下，深基坑的开挖支护难度大，费用高。软土基坑支护设计与施工是城市基础设施建设中的难点问题，也是岩土工程中比较复杂和困难的问题。软土具有稳定性差、含水量高、孔隙比高、明显触变性、地基承载力低、透水性差等特点。在基坑开挖中，首先需要满足自身稳定、周边环境对变形的要求；其次是经济、快捷、施工方便的要求。目前，国内外学者对于强夯置换加固地基研究较多，认为强夯置换具有置换与夯实共同作用效果，土体的抗剪强度和变形模量增加明显[1～3]；强夯置换施工中夯沉量、置换墩长度、夯击能是关键控制因素，空隙水压力监测是良好的评价手段[4～7]；原位测试及基坑支护实践表明，强夯置换对土体及边坡土层的加固作用明显[8，9]；软土基坑支护施工实践表明，软土条件下基坑开挖变形显著，随开挖深度增加，一般其水平位移及沉降均增加，最大水平位移多分布于基坑底部[10，11]。目前，强夯置换法用于基坑实例较少，对其支护基坑的机理、基坑失稳的形式缺乏系统的认识，本文结合工程实践及数值模拟，揭示强夯置换法支护时的变形、失稳机理，对以后的强夯置换法的设计具有较好的借鉴指导作用。

2　工程地质条件

2.1　地层类型及物理力学特征

工程场区为回填海域空间形成的陆域面积，其回填年限小于20年，地面标高约 3.70 m～4.20 m，地形平缓。场区第四系厚度约 20 m～25 m，由全新统人工填土层、海相～海相沼泽化沉积层、上更新统沼泽化沉积层及洪冲积层构成，下伏基岩主要为泥质粉砂岩。全系统地层沉积时间较短，强度较差。各岩土层物理力学指标如表1所示。

第①层为人工填土层，厚度5 m～10 m，杂色，回填成份复杂，以建筑垃圾为主，具有松散、不均匀性、低强度、易形变、富含上层滞水的特点；该土层为基坑开挖范围内主要土层。

第②层海相沼泽化淤泥质粉质黏土，厚2 m～8 m，灰黑色、以流塑状，具触变性及高灵敏度。该层位于基坑底部，易引起基坑失稳，变形过大。其下为强度较高的上更新统洪冲积粉质黏土土层。

各岩土层物理力学参数汇总表　　　　　　　　表1

2.2　水文地质条件

场区地下水主要为孔隙潜水，地下水丰富，且补给性强，水位埋深 2.40 m～3.90 m。地下水与海水联通，随胶州湾海水潮汐变化。海水潮位呈同相，但不同幅、不同步变化。

3　基坑强夯置换模拟

3.1　初始化模型参数

工程建有2层地下室，开挖深度约 9.0 m。本次采用FLAC二维模拟，模型的x轴长度为 50 m，y轴 20 m。自上而下，土层分别填土 8 m，淤泥质粉质黏土为 4 m，粉质黏土层为 8 m。本模型单元格为四边形或三边形等单元体组成，共由 2 000个单元体组成。由于模拟对象为滨海回填区，其地下水位较高且受海潮的影响。基坑支护中须采用旋喷桩等组成的止水系统，因此本次模拟分析中未考虑地下水渗流及地下水静水压力等水的作用。本模型采用了弹塑性模型，应用了摩尔库伦破坏准则，通过在模型基坑边界处设置监测点及基坑侧壁单元体的状态等参数对基坑的稳定程度进行判定。根据青岛地区滨海回填区土层的分布及物理力学性质，本模型土层采用的参数如下：填土层主要参数内摩擦角为18°，重度为 1 800 kN/m3；淤泥质粉质黏土主要参数内摩擦角为3.5°，黏聚力c为 6 kPa，重度为 1 700 kN/m3；本模型的初始化模型如图1所示。

图1　基坑地质数值模型

3.2　基坑支护模拟工况设置

根据现场试验，置换土体重型动力触探平均击数为6.8击，置换深度为填土及软土范围内。置换部分土体采用的物理力学参数为E=1E7 Pa，内摩擦角为30°，黏聚力为 1 kPa，泊松比为0.3。在基坑顶部，侧壁及基坑底部设置位移监测点，对基坑土体的位移进行监测。置换模型如图2所示。本次分析中，基坑侧壁坡度为1∶1，置换宽度分别为 4.5 m、7 m，11 m三种工况，置换土层范围为填土层及软土层，通过强夯置换形成一定宽度的碎石墙体。置换范围及位置如图3所示。由于基坑外侧设置止水帷幕，本次分析中不考虑地下水对基坑稳定性的影响。

图2　置换宽度4.5 m模型

图3　置换宽度7 m模型

3.3　计算结构及分析

(1)4.5 m宽强夯置换碎石墙

强夯置换4.5 m宽时，模拟结果显示，基坑侧壁水平方向最大位移约 5.2 m，坑底隆起竖向位移最大约 3.8 m，最大水平位移发生在基坑侧壁中间位置。自基坑顶向外约 9 m范围内的基坑侧壁土层发生剪切塑性变形行为，软土层形成近似弧形的深层滑移。模型中最大不平衡力不收敛。综上所述，基坑侧壁发生深层滑移。该条件下，基坑侧壁水平方向上约 8 m～10 m发生滑移，如土钉小于 10 m，土钉墙等柔性支护结构难以增加基坑侧壁稳定性。由此可见，支护软土基坑时，防止基坑发生深层滑移破坏是主要问题与关键点。基坑模拟结果如图4、图5所示。

图4　置换宽度4.5 m时塑性区范围

图5　置换宽度4.5 m时基坑侧壁位移

(2)7 m宽强夯置换碎石墙①

模拟结果表明，基坑侧壁x向发生的最大位移约 5.2 m，基坑底发生的竖向位移最大约 3.8 m，最大水平位移发生在基坑侧壁中间位置，如图6所示。从模型中最大不平衡力中可以发现，目前工况下，模型内最大不平衡力处于不收敛状态。自基坑顶向外约 7 m范围内基坑侧壁土层为剪切塑性变形状态。综上分析，基坑侧壁填土形成近似弧形的滑移机制。在此情况下，采用土钉等支护形式对基坑的稳定性作用较小，基坑侧壁滑移范围在x轴方向的距离约8 m～10 m。当锚杆小于 10 m时，锚杆难以控制基坑侧壁的滑移。

图6　置换宽度7 m时基坑塑性区及位移分布图

图7　置换宽度7 m时基坑塑性区图

(3)7.0 m宽强夯置换碎石墙②

在该工况下，位移特征主要表现在坡脚处向基坑内侧的水平位移，水平方向的位移呈线性发展，模型不平衡力未能收敛。塑性单元分布范围明显减少，仅基坑侧壁浅部土层处于塑性状态，如图8、图9所示。在目前支护状态下，采用土钉对强夯置换土体进行加固，进而控制基坑侧壁浅层滑动。当置换范围在 7 m时即一倍基坑深度时，置换深度穿透软弱土层时，基坑失稳模式已从深层滑移破坏转变为基坑侧壁的浅层破坏，如图10所示。

图8　置换宽度7 m工况置换范围

图9　置换宽度7 m工况下X方向位移

图10　置换宽度7 m工况下塑性区分布

(4)11 m宽强夯置换宽度

模拟结果表明，基坑范围内土层发生剪切塑性变形的范围为自基坑顶向外约 7 m范围内，在基坑侧壁范围内填土形成浅层滑移破坏。在此情况下，采用土钉等支护形式对基坑侧壁的加固起到限制基坑侧壁浅层破坏的作用。基坑侧壁滑移范围在x轴方向的距离约等于侧壁向土体内部 4 m范围内。根据基坑侧壁位移特征，根据图12，基坑侧壁x向发生的最大位移约 5.2 m，基坑底发生的竖向位移最大约 3.8 m，最大水平位移发生在基坑侧壁中间位置。从模型中最大不平衡力中可以发现，目前工况下，计算模型最大不平衡力为一个不收敛的较大值，总体分析，在目前工况下，基坑侧壁发生深层大规模滑移。由目前的模拟结果可以分析得到，在软土基坑支护过程中，防止基坑发生深层的滑移破坏是我们支护基坑所解决的主要问题与关键点。采用置换宽度为 11 m时，模拟的效果如图11、图12所示。

图11　置换宽度11 m工况塑性区域

图12　置换宽度11 m工况位移分布

4　工程应用及监测结果

4.1　基坑支护概况

(1)第一次强夯加固

为保证强夯加固效果，开挖前进行坑内预降水，使坑内地下水位低于 -2.00 m标高，然后按1∶1.2自然放坡开挖至 0.50 m标高，进行第一次强夯加固，为减小强夯对帷幕的振动破坏，强夯采用 600 kN·m～800 kN·m小能量夯击能连续强夯，强夯采用两遍点夯。强夯布置如图13、图14所示。

图13　首次强夯、开挖及夯点顺序布置图

图14　夯点顺序布置图

(2)第二次开挖、强夯置换

开挖前进行坑内预降水，使坑内地下水位低于 -4.00 m标高。然后将强夯后边坡按1∶1.0自然放坡开挖至 -2.00 m标高，进行第二次强夯，采用强夯置换法，夯击能采用 1 500 kN·m～2 000 kN·m，夯锤锤重不小于 12 t，采用底面积 1.0 m2的异形锤，以保证置换效果。沿开挖边界梅花形布置夯点，随夯补土，填料应采用碎石类土，累计夯沉量不宜小于 12.0 m，以尽可能着底。第二次强夯布置如图15所示。

图15　二次强夯及开挖布置图

(3)第三次开挖及支护

强夯置换后，边坡按1∶1.0自然放坡开挖至基底标高 -5.10 m标高，第三次开挖时间不早于第二次强夯置换加固结束后10天。

4.2　现场监测数据分析

在该边坡坡顶设置监测点，分别用于基坑坡顶水平位移、坡顶沉降，深层水平位移、地下水位监测。在监测过程中，边坡监测点水平位移累计最大值为 28.7 mm，最小值为 15.1 mm。从坡顶水平位移变化曲线图上可以看到，各点在开挖基坑软土时位移变化速率增大，个别检测点达到位移最大值后随基坑开挖至基底及支护的逐步完成后位移趋于平稳。变化最大点为SP22，累计变化值 28.7 mm，均未超出报警值，在可控范围之内。部分典型水平位移变化曲线如图16所示。

图16　sp21-sp25监测点水平位移变化曲线

基坑沉降监测各测点最终沉降量及最终沉降速率，由图17中数据知最大沉降发生在SP34(-22 mm)，未达到沉降监测报警值，基坑其他各测点的沉降量均较小，基坑在监测周期内一直处于安全状态，各测点在监测周期后期处于稳定状态，典型监测点沉降位移曲线如图17所示。从坡顶竖向位移历时曲线图上可以看到，本阶段各曲线较平缓，变化速率基本一致，沉降比较均衡，其中SP34变化最大，累计变化值为 -22.0 mm，沉降变化平缓，各测点现处于变形平缓状态，随着基坑开挖及支护的逐步完成，沉降曲线逐渐出现拐点并最终稳定。

图17　各监测点沉降位移变化曲线

深层水平位移历时曲线图表明，本阶段各曲线较平缓，变化速率基本一致，均未超过报警值，该阶段变化主要出现在基坑开挖中后期。随着基坑开挖及支护的逐步完成，沉降曲线逐渐出现拐点并最终稳定。

瑞海馨园基坑工程监测周期约7个月，从2010年4月～10月，整个监测过程经过青岛市雨水期，对整个基坑安全产影响不大，雨水期主要出现在基坑开挖支护后期，对基坑安全稳定没有构成太大影响。

对于基坑开挖及支护情况，基坑施工初期，基坑开挖较快，基坑支护未完全达到设计强度时，基坑出现较大变形，在基坑施工中后期，随着土石方开挖进度变慢、支护施工及时及基坑开挖的逐步完成，支护结构达到设计强度，基坑变形趋小，逐步进入稳定状态。

水压力分析：

从监测数据上看，围护结构监测过程中一直处于安全状态且最终处于稳定状态，各个部位均未出现异常数据和现象，基坑设计方案综合考虑了本基坑工程的地质、支护深度、基坑形状等情况，做出了合理的围护结构设计。

5　结　论

先放坡开挖一定深度然后对填土进行强夯加固后进行放坡、放台开挖，再对淤泥质土进行强夯置换加固，又放坡、放台开挖的基坑支护方法，通过试验段的开挖试验确定了强夯及强夯置换的设计参数，避免了强夯震动对止水帷幕的破坏，将地基处理技术巧妙地用于基坑开挖过程中，通过强夯置换解决了基底土层的强度要求，节省了大量投资及时间，创造性地解决了滨海回填区深厚软弱土复杂地质条件下的基坑支护问题。