软土区桩—土—锚组合深基坑支护数值试验研究

王国欣 王 杰 周光毅

(中国建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

近年来，随着我国经济的发展，深基坑工程规模越来越大，面积几万甚至是十几万平方米的深基坑也层出不穷。在硬土地区，根据环境情况大面积的深基坑多采用了放坡或桩锚支护体系，但是在软土地区，由于软土的流变特征明显，锚杆在软土中的作用有限，会产生较大的基坑变形，对周边环境的保护不利，所以对于周边环境要求较高的软土深基坑工程很少采用单排支护桩—锚杆的支护型式，认为其存在一定的安全风险，所以多采用了有内支撑的支护型式[1-3]。然而，软土区大面积深基坑采用混凝土内支撑时，不但造成严重的材料浪费，成本较高，而且严重影响施工的进度。因此，在软土区对于面积较大的基坑，其深度不深时(一般地下2层以内或12 m以内)，通过经济技术比选，可考虑采用双排桩—加固土墙—锚杆(简称桩—土—锚)的结构型式，根据基坑周边环境的要求，选择合适的双排桩、加固土墙及锚杆的组合型式。有些学者曾对双排桩与锚杆组合支护结构进行了排距、桩径、桩长、锚索长度、锚索预应力等研究，但很少提及桩间加固土墙的作用[4-8]。本文通过数值试验，确定双排桩、加固土墙及锚杆在软土深大基坑中的各自作用，以期优化桩—土—锚支护结构。

1 工程概况

营口万达广场工程项目位于营口市渤海大街南侧，工程整个大基坑东西长约351 m，南北宽约322 m，总面积近11万m2。整个基坑分为东西两个区，东侧商业区基坑面积约4.4万m2，为地下2层结构，平均深度11.6 m，局部最大深度12.8 m；西侧住宅区基坑面积约6.6万m2，为地下1层结构，平均深度6.75 m，局部最大深度8.9 m，整体基坑设计安全等级为一级。

根据勘察报告显示场地主要为第四系海陆交互沉积地层，主要由杂填土、粉土夹粉质粘土、粉质粘土与粉砂互层、粉砂、淤泥质粉质粘土、粉砂、粉质粘土等组成，分布特征表现为海陆相交互沉积，不均匀性及变异性大。地下水类型分别为上层滞水和微承压水，上层滞水主要赋存在②粉土夹粉质粘土、③粉质粘土与粉砂互层之中，微承压水主要赋存在④⑥⑦粉砂中，具有微承压水特性，水头埋深3.6 m～4.6 m，场地稳定水位埋深0.2 m～1.70 m，平均埋深约1 m。上层滞水渗透系数0.1 m/d～0.5 m/d，粉砂孔隙微承压水渗透系数为1.5 m/d。

设计采用了双排桩采用了钻孔灌注桩，前排桩φ800 mm@1 200 mm，后排桩φ800 mm@2 400 mm，双排桩顶按1∶ 1.5放坡3 m，坡顶地面处设置φ850 mm@600 mm三轴搅拌桩作为止水帷幕，在竖向设置三道锚杆，止水帷幕内设置疏干降水井。

2 数值计算模型

2.1 计算基本假设

1)假设基坑支护为平面应变问题；2)屈服准则采用Mohr-Coulomb准则；3)土体、降水固结土、坑内旋喷加固土采用三角形单元，双排桩采用板单元，锚杆采用锚杆单元；4)土体、降水固结土、坑内旋喷加固土采用弹塑性材料模拟，双排桩及锚杆采用线弹性材料模拟。计算采用了Plaxis进行了分析。

2.2 计算参数

基坑典型剖面的土层如表1所示，通过对②土层～⑤土层进行了疏干。

表1 基坑典型剖面各土层物理力学参数表

2.3 计算模型

计算分别对三种模型进行对比分析，具体如下：

1)纯双排桩模型(不考虑排桩间加固土和锚杆作用)，如图1所示；2)双排桩+加固土墙模型(不考虑锚杆作用)，如图2所示；3)双排桩+加固土墙+锚杆模型，如图3所示。

3 计算结果与分析

从表2和表3可以看出，仅考虑双排桩的模型时，其变形最大，在考虑了加固土墙和锚杆后双排桩的变形逐渐减小(可称为“基坑变形递减法”)，每层土开挖后，双排桩、加固土墙及锚杆在抵抗基坑变形上所起的作用大小不一，下面就具体分析每层土开挖后三者承担的作用比例。

表2 三种模型下各层土开挖后的前排桩的变形量

模型变形量(mm)挖土层数第①层土(0 m～3 m)第②层土(3 m～4.9 m)第③层土(4.9 m～7 m)第④层土(7 m～9.5 m)第⑤层土(9.5 m～12.3 m)双排桩15.0728.6844.6064.0190.13双排桩+加固土墙17.1324.0330.3837.1848.72双排桩+加固土墙+锚杆17.1523.1528.4733.7241.51

表3 考虑固结土与锚杆作用后各层土开挖后的前排桩变形减小量

第①层土开挖后，抵抗基坑变形的主要作用是双排桩，其间的加固土墙和锚杆没有参与作用，可以得出的结论是：基坑第①层土开挖后双排桩起到了100%的作用比例。

第②层土开挖后，双排桩、加固土墙及锚杆均参与了作用，从三者抵抗基坑变形来看，双排桩抵抗了基坑变形23.15 mm，加固土墙抵抗了基坑变形4.65 mm，锚杆抵抗了基坑变形0.88 mm，可以得出的结论是：基坑第②层土开挖后双排桩有80.7%的作用比例，加固土墙有16.2%作用比例，锚杆有3.1%作用比例。

第③层土开挖后，双排桩、加固土墙及锚杆均参与了作用，从三者抵抗基坑变形来看，双排桩抵抗了基坑变形28.47 mm，加固土墙抵抗了基坑变形14.22 mm，锚杆抵抗了基坑变形1.91 mm，可以得出的结论是：基坑第③层土开挖后双排桩63.8%的作用比例，加固土墙31.9%作用比例，锚杆4.3%作用比例。

第④层土开挖后，双排桩、加固土墙及锚杆均参与了作用，从三者抵抗基坑变形来看，双排桩抵抗了基坑变形33.72 mm，加固土墙抵抗了基坑变形26.83 mm，锚杆抵抗了基坑变形3.46 mm，可以得出的结论是：基坑第④层土开挖后双排桩52.7%的作用比例，加固土墙41.9%作用比例，锚杆5.4%作用比例。

第⑤层土开挖到坑底后，双排桩、加固土墙及锚杆均参与了作用，从三者抵抗基坑变形来看，双排桩抵抗了基坑变形41.51 mm，加固土墙抵抗了基坑变形41.41 mm，锚杆抵抗了基坑变形7.21 mm，可以得出的结论是：基坑第⑤层土开挖后双排桩46.1%的作用比例，加固土墙45.9%作用比例，锚杆8.0%作用比例。

通过以上分析，所得结论列表如表4所示。

表4 各层土开挖后三种支护结构体所分担的作用比例表

4 结论与建议

1)对于营口软土区地下2层(12 m以内)的基坑可采用锚—土—锚组合支护体系，其中起主要作用的是双排桩与加固土墙两者的作用，对于锚杆根据实际工程可进行相应优化。

2)基坑桩—土—锚组合支护体系能够充分发挥各个结构的优势，形成一种半刚性的支护结构，适用于基坑面积较大的支护工程，特别是在软土深大基坑工程，是一种安全、经济、节省工期的基坑支护体系。

3)采用“基坑变形递减法”对双排桩、加固土墙、锚杆三者作用比例进行分析的方法，是一种用来分析组合支护体系中各支护结构所起作用的简易分析方法。