重力式水泥土墙在连云港地区海相沉积土基坑支护中的应用

潘必胜

(中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070)

随着国民经济的发展，大中型城市用地日益紧张，愈益要求开发三维城市空间，市政工程中上跨立交和下穿隧道越来越多，各类用途的地下空间已在世界各大城市中得到开发。为保证地面向下开挖形成的地下空间在地下结构施工期间的安全稳定，基坑工程应运而生。基坑工程具有较大风险性和明显的区域特征，设计者一般根据项目特征、周边环境和地质条件，选择合适的基坑支护方案。

水泥土搅拌桩[1-2]，是在原状土内搅拌并喷射水泥浆，水泥浆凝结后的复合体，复合体凝结后具有比原状土更高的强度、刚度，能够提高地基土承载力(fspk)和增大其压缩变形模量(Es)[3]，因而应用于地基处理和基坑支护中[4-7]，并对水泥土桩的性能展开了研究[8-11]。重力式水泥土墙是由水泥土桩相互搭接成格栅或实体的重力式支挡结构，广泛应用于开挖深度不大的深厚软土基坑中。

结合连云港市中华西路西延工程中新建框架桥的顶进工作坑的基坑支护实例，分析重力式水泥土墙在连云港地区海相沉积土基坑支护中的应用，并重点研究坑内地基处理和土层力学指标选取对基坑稳定性的影响，在此基础上提出重力式水泥土墙在连云港地区海相沉积土基坑支护中的设计建议，以期为本地区或同类型地区的同类工程提供经验。

1 项目概况

中华西路位于连云区老城区，由东向西依次下穿平山客整所、陇海铁路、连霍高速公路，全长约0.85 km。采用结构类型多样，由东向西依次为：U形槽、下穿平山客整所现浇框架桥、下穿陇海铁路顶进框架桥、U形槽、新建高速公路分离式立交桥。

连云港软土是中国东南沿海第四纪沉积海相软土的代表，三轴试验前后软土的孔径均主要集中在1～20 μm，经三轴剪切试验后软土的平均孔隙半径减小，孔隙率降低，含水率减少[12]；黏滞系数不仅与时间有关，还与土所受到的偏压和围压有关[13]；为碱性环境下沉积的非均质海积软土，快剪试验中，剪切面为固定的水平面，软土强度反应土体天然沉积面的强度，三轴UU试验测得的黏聚强度大于快剪测得的黏聚强度，水平剪切面强度最低，竖直面抗剪强度最高[14]。

连云港地区海相软土浅层含水量高，原位十字板剪切强度/有效上覆应力之比为0.2～0.4[15]，含水量、液限高，密度、强度低，压缩性、灵敏度高，压缩沉降量大，排水固结缓慢，地基稳定性差。随着指标类型不同，各类指标的变异系数有差异，较大变异系数对指标的取值有一定影响，但各个指标的变异系数都不随统计单元的变化而变化[16]。

本工程下穿陇海铁路，顶进框架桥工作坑(基坑)范围从上至下主要由素填土、黏土(厚3.2～5.4 m)、淤泥(厚6.3～7.3 m)、淤泥质黏土(厚1.3～1.7 m)组成，物理力学指标如表1、表2所示。

由表1可以看出，该项目的软土具有含水量大、液限高，密度小、强度低，压缩性大、灵敏度高等特点[16]。含水量(w=50%～73.9%)、孔隙比(e=1.371～2.038)、液限(wL=41.1～56.5)、压缩系数(α1-2=0.85～2.16mPa-1)都比大部分沿海软土高，因而具有沉降量大、排水固结缓慢、地基稳定性差的特点。

表1 顶进工作坑(基坑)范围主要土层的物理力学性质指标

表2 顶进工作坑(基坑)范围主要土层的抗剪强度指标

注：1.Ccq1、φcq1为直接快剪强度指标统计值；2.Ccq2、φcq2为考虑浅部离散性直接快剪强度指标统计值；3.Ccq3、φcq3为直接快剪强度指标经验值；4.Cuu、φuu为三轴不固结不排水抗剪强度指标建议值。

连云港海相软土的抗剪强度指标在浅部(h<3 m)比较离散，大于3 m后指标变化规律性明显[16-17]，本项目的勘察资料也表明了这一规律。基坑计算时需考虑淤泥土层顶层15%h范围内或淤泥质黏土层顶层30%h范围内c、φ、w、Es、e0的波动影响。

2 基坑支护方案

顶进框架桥工作坑(基坑)长84.8 m、宽77.4 m，场地整平高程为4.00 m，工作坑滑板顶高程-3.50 m，基坑深度8.50 m。由于基坑底为较厚淤泥和淤泥质土，若采用单排悬臂灌注桩支护，支护桩由于无法嵌固，支护结构抗倾覆和水平位移难以满足规范要求；若采用支护桩+支撑方案，由于支撑的存在给基坑开挖和框架桥的顶进施工带来很大不便；若采用双排灌注桩，工程造价较高，经济性较差。本工程结合工程特点和总投资预算，综合考虑采用的最终支护方案为：铁路路堤坡脚侧由于场地条件受限，采用双排灌注桩支护，支护桩悬臂5 m，桩后设2 m宽平台，平台后坡高3.5 m；其余三侧采用重力式水泥土墙支护，墙宽9.2 m，墙后坡高3.5 m。同时基坑底为U形槽结构持力层，且承载力较差，采用深搅桩加固处理。基坑平面、支护结构及深搅桩布置如图1所示。

图1 基坑平面及深搅桩布置(单位：mm)

3 坑内地基处理对基坑稳定性的影响分析

坑内地基加固处理对坑内被动土的力学强度有所提高，基坑底若采用满堂加固处理，连云港地区海相软土考虑深搅桩地基处理对坑内被动土的力学强度的提高，可采用[c=3.2qu0.6][7]计算水泥土的内聚力c，计算内摩擦角取φ=25°。在P=0时对基坑支护进行计算分析，分别按坑内加固土和原状土两种工况，根据等值梁法[18]计算理论，采用不同的抗剪强度指标计算两种工况下的安全系数，变化曲线如图2所示。由图2可知，考虑坑底土加固效果安全系数计算值明显大于不计加固效果的计算值，因此设计中宜考虑坑内地基处理的有利影响。

注：横坐标参数如下：1—快剪强度指标；2—快剪强度指标(考虑浅部离散性)；3—快剪强度指标经验值；4—三轴不固结不排水抗剪强度指标。图2 安全系数随土层指标变化曲线

然而坑底采用满堂加固处理，地基加固成本较高，为了考虑经济性指标，当基坑较大时一般采用坑内三角形布置或者矩形布置深搅桩对地基进行加固处理，此情况下，坑内被动土力学强度亦有所提高，但提高幅度远不及满堂加固的处理效果，根据经验内聚力和内黏聚力可在原状土的基础上提高30%。故笔者建议，当坑内地基加固处理的成本相对总造价而言不高时，可采用满堂加固或格栅状加固处理坑内淤泥及淤泥质土，基坑分析计算时充分考虑坑内被动土加固对基坑的有利影响；当坑内地基加固处理的成本相对总造价而言较高时，采用三角形或矩形布置深搅桩对坑内地基土进行加固处理，基坑分析计算时亦可考虑坑内被动土加固对基坑的有利影响，且紧邻支护结构设置一些暗墩，作为控制基坑水平位移的安全储备。

4 不同土层力学指标选取对基坑位移、稳定性的影响分析

为了反映不同力学指标对基坑稳定性的影响，本文采用Cuu、φuu，Ccq1、φcq1，Ccq2、φcq2，Ccq3、φcq3四种指标对基坑的顶部位移、抗倾覆系数、抗滑移系数和整体稳定安全系数进行分析。

通过计算分析，格栅式水泥土墙顶水平位移与基坑坡顶分级加载集度变化关系如图3所示。由图3可知：①不管何种力学指标，墙顶水平位移均随着荷载集度的增加而增加，P与u基本呈线性递增关系；②力学指标值选取的不同，Δu/ΔP变化幅度较小，位于0.97～1.01，即不同力学指标的选取对墙顶水平位移的影响不明显。

图3 水平位移u随荷载集度变化曲线

基坑抗倾覆系数与基坑坡顶分级加载集度变化关系如图4所示。由图4可知：①不管何种力学指标，Kov均随着荷载集度的增加而减小，P与Kov基本呈非线性递减关系；②抗剪强度指标值选取的不同，Δu/ΔKov基本相等，位于1.02～1.05，在P相同的情况下，选用三轴指标时Kov最小，表明不同力学指标的选取对基坑抗倾覆系数的影响不大，而设计时选用三轴力学指标是偏于安全的。

图4 基坑抗倾覆系数随荷载集度变化曲线

基坑抗滑移系数与基坑坡顶分级加载集度变化关系如图5所示。由图5可知：①不管何种力学指标，Ksl均随着荷载集度的增加而减小，P与Ksl基本呈非线性递减关系；②抗剪指标的选取对Ksl影响较大，相同荷载集度下，三轴指标计算的基坑抗滑移稳定系数最小，为考虑浅部离散性直接快剪强度指标计算结果的0.67倍。

图5 基坑抗滑移系数随荷载集度变化曲线

基坑整体稳定安全系数与基坑坡顶分级加载集度变化关系如图6所示。由图6可知：①不管何种力学指标，Ks均随着荷载集度的增加而减小，P与Ks基本呈非线性递减关系；②抗剪指标的选取对Ks影响较大，相同荷载集度下，三轴指标计算的基坑整体稳定安全系数最小，为考虑浅部离散性直接快剪强度指标计算结果的67%。

图6 基坑整体稳定安全系数随荷载集度变化曲线

5 结论及设计建议

(1)本项目支护经验表明，重力式水泥土墙应用在连云港地区海相软土(淤泥及淤泥质黏土)基坑支护中是可行的，且经济性方面有明显优势。

(2)根据本文研究分析结果，基坑稳定性分析计算时可考虑坑内地基处理对基坑稳定性的有利影响，当基坑内采用满堂加固处理时，对提高基坑稳定性的效果尤为突出。

(3)根据本文研究分析结果，不同力学指标的选取对基坑位移和基坑抗倾覆稳定影响不大，而对基坑抗滑移稳定和基坑整体稳定影响较大，选用三轴指标进行计算是偏安全的[19]，若选用直接剪切强度指标，需对基坑抗滑移系数、整体稳定安全系数容许值进行修正，否则存在安全隐患，修正后建议值[Ksl]*=1.5×[Ksl]=1.80，[Ks]*=1.5×[Ks]=1.95[20]。

(4)水泥土桩桩身强度直接影响重力式水泥土墙正截面验算，因此水泥土墙体28 d无侧限抗压强度的设计取值至关重要，根据该项目后期施工实际情况，建议在连云港地区海相沉积土基坑支护中，宜取0.8～1.0 MPa。

(5)为降低成本和工期，重力式水泥土墙常设计成格栅式，但为保证重力式水泥土墙的整体性，建议加强对格栅面积置换率是否满足规范要求的验算，以防格栅式重力式水泥土墙在土压力作用下“各个击破”而发生整体破坏。