软土地区深基坑被动区加固变形控制研究

林希鹤

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

在深厚软土场地进行深基坑开挖时，由于基坑坑底以下被动区土体为软弱土层(如淤泥、淤泥质土层)，软土所具有的低强度和高压缩性，使得被动区土体提供的抗力不足，引起支护结构产生较大的侧向变形；加之，软土多呈流塑状态，自稳性差，基坑开挖过程软土将产生流动，使支护结构产生整体滑移破坏。因此，深厚软土场地的基坑工程事故多表现为整体失稳破坏，在软土场地进行基坑支护设计时应以变形和稳定性控制为主。

深厚软土场地为了有效控制深基坑变形，常对被动区土体进行加固。在对被动区土体进行加固后，可以较大程度地提高被动区土体的土压力系数和水平抗力系数，从而使被动区土体抵抗围护结构侧向变形的能力显著提高，并最终达到控制基坑变形的目的。在深厚软土场地,被动区土体加固是减少支护结构侧向变形较为可靠的方法。大量研究和工程实践证明，被动区土体加固，对于减少支护结构的水平位移及控制周边地面及建筑沉降，效果十分显著。

工程中，由于加固区土体强度及复合模量显著增加，基坑土体承载力和抗变形能力得以提高，基坑加固中表现为加固体在基坑施工中对支护结构变形和稳定性的控制效果明显。基坑被动区土体加固提高被动区土体抗力是一种经济、有效的技术措施，可减少支护结构的内力、侧向位移、地面沉降及坑底隆起等，基坑内不同的被动区土体加固形式对减少土体变形的作用有明显差异。

1 被动区加固形式选择

1.1 被动区加固体的平面布置

基坑被动区土体加固的平面布置，包括加固体宽度、沿围护边线方向的长度、间距，平面加固孔位布置原则、土体置换率要求等。土体加固平面布置形式，包括满堂式、格栅式、裙边式、抽条式、墩式等，如图1所示。

(a)满堂式加固 (b)格栅式加固 (c)裙边式加固

(d)抽条式加固 (e)墩式加固

基坑工程周边环境各具特色，地质状况复杂，确定被动区加固形式时，应根据加固目的、周边环境、场地地质条件及施工条件、预期处理效果及造价等因素，进行综合技术经济对比分析，从中选择相对合理的加固形式。相比较之下，满堂式加固成本最大，一般仅应用于基坑外侧环境保护要求较高且基坑对应的被动区域，或基坑面积较小的基坑工程；格栅式及抽条式加固成本居中，一般用于基坑形状呈窄长条形(如地铁车站基坑)且环境保护要求较高的基坑工程；裙边式加固成本较低，一般用于基坑面积较大且环境保护要求较高的基坑工程；墩式加固成本最低，一般用于基坑面积较大且环境保护要求一般的基坑工程[3]。

1.2 被动区加固体范围

在基坑工程中，过大的墙体变形即表明坑内地基已经处于塑性发展状态，局部地基已经进入破坏状态。故，对墙前地基土的压力应进行限制或对土体进行加固，以满足水平承载能力或满足地基稳定要求。坑底加固应有足够的宽度和深度，以有效提高坑底地基土强度和增强被动土压力作用。土体加固范围及加固土体力学性能要求，与基坑深度、平面几何尺寸、地质条件、支护结构体系特征、施工工艺及施工参数有关。

1.3 被动区加固体置换率

基坑被动区加固体平面(置换率)和断面(加固深度和加固宽度)布置与基坑开挖深度、周边环境要求是一个比较复杂的系统关系，必须结合不同的施工工法实践和工程经验确定，并通过计算进行复核。

环境保护要求较高时或考虑加固后的土体m值提高的坑内加固，宜采用格栅加固体布置，其截面置换率通常可选择0.6～1.0，在基坑较深或环境保护要求较高的一级或二级基坑中，可选用大值，反之可取用小值。

2 工程案例

2.1 工程概况

该项目位于福建省平潭综合实验区金井湾片区，北厝镇西侧，万宝中路东侧，目前已回填砂。主体建筑由南侧4层门诊楼、北侧3层放疗楼及中部8层台胞救治中心和17层住院楼组成。南侧门诊楼及住院楼下设2层地下室，地下室占地面积约31 000m2，地下室周长约760m，基坑开挖深度9.50m～10.40m，基坑侧壁安全等级一级。

2.2 工程与水文地质情况

场地原始地貌属滨海滩涂-潮间带，现有场地标高约为黄海标高3.00～5.00m，场地地层主要为：①吹填砂，稍湿，松散～稍密，层厚2.50～8.30m；②淤泥，流塑，饱和，层厚7.20～14.60m；③淤泥质土，流塑～软塑，饱和，层厚6.70～10.30m；④粘土，可塑，湿，层厚3.50～13.30m。

场地对基坑开挖有影响的地下水为赋存于①吹填砂层中的孔隙潜水，因填料成分差异，填土层渗透性能差异较大，属中等～较强透水层，地下水水位主要受附近海域海平面影响，富水性中等，水位标高约在黄海3.21～3.26m，水位埋深在地表下约3.0m。

2.3 基坑工程特点

(1)场地周边环境复杂，基坑占地面积大，开挖深度大，最深的位置达10.40m；

(2)基坑开挖面以上及坑底以下存在软弱淤泥及淤泥质土层，为欠固结土，厚度巨大(平均厚度19.0m)、土层软弱、土压力大、土层稳定性较差；

(3)淤泥层之上多为填砂层，渗透系数高，地下水受海平面影响，水位较高；

(4)基坑坡顶分布有裙楼的预应力管桩，需严格控制基坑变形，确保坡顶工程桩安全。

2.4 基坑支护方案

该工程基坑底部均位于淤泥层中，工程力学性质极差。根据场地周边环境、工程及水文地质条件，基坑支护采用卸载放坡+SMW工法桩(H型钢插一跳一)+两道预应力锚杆支护形式，支护桩桩端穿透软弱淤泥层，进入下卧粘土层不少于1.0m。SMW工法桩采用φ650@450三轴水泥搅拌桩，内插型钢为H488×300(强度Q235B),设计单根预应力锚杆轴向拉力标准值为100kN,与锚杆连接的围檩采用[22槽钢(强度Q235B)。由于支护桩桩身范围大部分位于淤泥及淤泥质土层中，且基坑坡顶紧邻裙楼的预应力管桩，需对坑底被动区土体进行加固，以控制支护结构水平位移，要求基坑支护结构深层土体水平位移需控制在40mm之内。

2.5 被动区加固参数的确定

由于基坑面积较大，被动区土体采用深层水泥搅拌桩进行裙边加固。水泥搅拌桩桩径φ500mm，桩中心距400mm，搭接100mm，置换率约为1.0。固化剂采用PO42.5普通硅酸盐水泥，水泥掺入量不小于21%，被动土加固区域上部开挖段(空孔段)水泥掺入量10%，水泥浆水灰比为0.5∶1，水泥土28d的无侧限抗压强度≥0.8MPa，取加固后被动区水泥土内聚力为20kPa，内摩擦角为25°，m值为9.0MN/m4。

为确定被动区土体最优加固宽度及加固深度，针对裙边加固不同的宽度及深度进行计算分析，采用单一因素控制变量法进行对比分析，计算软件采用理正深基坑7.0，场地各土层物理力学指标如表1所示，基坑工程总平面图如图2所示，基坑支护典型剖面如图3所示。

图2 基坑工程总平面图

表1 场地土层设计计算参数

图3 基坑支护典型剖面

2.5.1不同被动区加固深度下的计算结果

取被动区土体加固宽度为4.0m(约为基坑深度的0.4倍)，分析不同被动区加固深度对基坑支护结构水平位移的影响和变化趋势，支护深层水平位移最大值变化趋势如图4～图5所示。

分析计算结果可知：

(1)支护结构的深层水平位移，最大值一般位于基坑底面以上约2.0m处。由于支护桩桩端穿透淤泥层，嵌入下卧粘土层稳定地层一定深度，受到粘土层对支护桩的约束作用，使得桩端不会产生踢脚失稳现象，同时桩顶受到预应力锚杆的约束，也避免了支护桩产生倾覆破坏的情况，因此，支护结构体系的验算主要以变形计算为主。

(2)支护深层水平位移，随着被动区土体加固深度的增加而单调递减。当土体加固深度控制在2m～6m区间范围时，通过增加被动区加固深度，支护结构在基坑开挖深度范围内的水平位移减少趋势较为明显。随着被动区加固深度的增加，起始时支护最大深层水平位移减小值较大，之后支护深层水平位移逐渐趋于稳定；当加固深度大于6m这个临界值后(约为基坑深度的60%)，此时再增加被动区加固深度，支护深层水平位移值变化值逐渐趋近于零，变形控制效果也不再明显。

(3)由于支护结构顶部、底部分别受到预应力锚杆及粘土层的约束作用，被动区加固深度的增加对支护结构顶部和底部的水平位移值产生的影响较小，被动区加固深度的变化，对基坑底面附近的支护结构最大水平位移产生的影响最大。当加固深度为2m～6m时，每增加1m的加固深度，支护深层水平位移最大值减少幅度约为8%～12%，且减幅随着被动区加固深度的增加而逐步趋近于零。

2.5.2不同被动区加固宽度下的计算结果

同样，取被动区加固宽度为4.0m(约为基坑深度的0.4倍)，分析不同被动区加固宽度对基坑支护结构水平位移的影响和变化趋势，支护深层水平位移最大值变化趋势如图6～图7所示。

图4 不同加固深度下的支护水平位移变化图

图5 H=5m时支护水平位移图

图6 不同加固宽度下的支护水平位移变化图

图7 B=4m时支护水平位移图

分析计算结果可知：

(1)支护深层水平位移，随着被动区土体加固宽度的增加而单调递减。当加固宽度控制在2m～5m区间范围内时，通过增加被动区土体加固宽度，能有效减少支护结构的最大深层水平位移；当加固宽度继续增加并超过5m后，此时，再增加被动区土体加固宽度，支护结构最大深层水平位移减少值将不再明显。因此，被动区土体的最优加固宽度临界值，可取为4m～5m，约为基坑开挖深度的0.4～0.5倍。

(2)被动区土体加固宽度的大小，对支护结构最大深层水平位移影响较大。当加固宽度控制在2m～5m区间范围时，每增加1m加固宽度，支护深层水平位移最大值减少幅度约为9%～14%；而被动区土体加固宽度的变化，对支护结构顶部、底部的位移影响较小。这与上述分析被动区土体加固深度的变化对支护结构深层水平位移的影响一致。因为支护结构顶部、底部均受到较强的约束作用，因此，深层水平位移变化值并不明显。

2.6 计算结果与实测数据对比

经综合对比分析，该基坑被动区土体加固深度取为6.0m，加固宽度取为4.0m，该基坑按照上述支护方案进行施工，从土方开挖到地下室土方回填完成，前后历时约一年，基坑开挖期间，被动区水泥搅拌桩经开挖检查，成桩质量好，加固效果较为理想。

由于该工程场地存在深厚软弱淤泥层，基坑开挖深度较深，地质条件和周边环境条件复杂，在基坑开挖及支护施工过程中加强了基坑支护结构自身及周边环境的监测，实施动态设计，信息化施工，前后共进行了100多次的基坑监测。通过监测资料得出，基坑深层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鼓肚型变化曲线，支护结构最大深层水平位移位于地面以下约8.0m处。

1#～3#监测点位置实测深层土体，最大水平位移约28.70mm～32.07mm(阳角处)。监测点位置相应支护剖面理论计算深层最大水平位移为27.15mm～34.63mm(阳角处)，通过对比理论计算结果与实测数据，两者结果较为接近，实际变形符合设计预期效果。通过被动区土体加固，基坑底部一定宽度和深度范围被动土强度得到提高，延缓了坑底土体塑性变形发展阶段，较好地控制了基坑变形，达到了良好的效果，如图8所示。

图8 基坑支护实测深层土体水平位移-深度关系曲线

3 结论

基坑支护结构变形及对环境的影响程度，与场地地质条件及周边环境条件有关，故坑内被动区域的土体加固设计应区别对待，以达到加固设计合理、工程投资经济、周边环境安全的社会效果。

在深厚软土场地，被动区土体加固，对于减少基坑支护结构的深层水平位移、控制周边地面及建筑沉降效果十分显著。被动区土体加固，提高了土体的强度，改善了土体的物理力学性能，减少了被动区的塑性区范围。支护结构深层水平位移，随着被动区土体加固深度及宽度的增加而减少。当被动区加固深度和宽度为基坑深度的40%～60%时，加固效果达到最佳临界状态；超过了这个临界范围后，支护结构水平位移减少不再明显，而加固所需的费用会增加，造成工程浪费。

为了避免因盲目地加大被动区加固宽度、深度而造成工程造价增加、施工工期延长等情况，应根据实际工程的周边环境及场地地质情况，确定最优的被动区土体加固宽度和深度，确保在合理的工程造价范围内最大限度地控制基坑的侧向变形，既能保证基坑和周边环境安全，又能达到节约工程造价目的。