基坑坡体或坡脚加固对变形控制效果的对比分析

张 岩

上海广联环境岩土工程股份有限公司 上海 200444

基坑采用放坡开挖不仅施工方便，而且造价较低。对于周边环境相对简单的基坑可以考虑采用放坡开挖。上海市工程建设规范DG/T J08-61—2018《基坑工程技术标准》规定：“基坑开挖应采用全面分层开挖或台阶式分层开挖的方式；分层厚度不应大于4 m，开挖过程中的临时边坡坡度不宜大于1∶1.5。”故基坑挖深超过4 m时，需采用多级放坡。

对开挖面积较大、挖深一般、采用放坡开挖的基坑，当基坑开挖影响范围内局部位置存在保护对象时，可对基坑边坡采用搅拌桩进行加固，以达到控制基坑变形的目的。

朱爱国等[1]通过深厚粉细砂层中深基坑支护的成功案例，表明水泥搅拌桩加固浅部淤泥质土和粉细砂层具有效果好、速度快、造价低的优点；王定军等[2]分析了淤泥质软土基坑边坡的稳定性，并比较了2种坡脚加固方案的有效性；赵晓彦等[3]介绍了一种坡面锚索与坡脚抗滑桩联合加固边坡的设计方法；孙书伟等[4]运用数值分析方法为具体案例提出了放坡开挖方案的实施参数；陈寅春等[5]采用有限元方法对多级边坡的稳定性进行了研究；刘开富等[6]基于有限元方法，采用不同本构模型对基坑放坡开挖进行了数值模拟及对比分析。

一般来说，对基坑边坡采用搅拌桩加固时，其加固位置可以选在坡体，也可选在坡脚。本文针对工程实例，采用有限元分析方法，对基坑边坡坡体、坡脚分别加固后的变形控制效果进行了对比分析。

1 工程概况

1.1 基坑规模及周边环境

上海浦东新区某工程基坑挖深4.60～5.30 m。基坑开挖面积约4 630 m2，围护周长约279 m。

基坑东侧开挖面距离用地红线最近5.4 m，红线外为内部道路，其东侧为金工实验室的2幢1层附属用房。基坑开挖面距离该附属用房外墙最近21.7 m，超过基坑4倍挖深。该附属用房为天然地基。

基坑南侧开挖面距离用地红线最近为15.4 m，红线外为内部道路，路宽约9 m，其下方埋有管线，距离基坑围护内边线由近及远依次为：低压给水管、雨水管、污水管、加压给水管、埋地10 kV电力电缆等。其中，基坑开挖面距离低压给水管最近为22.9 m，超过基坑4倍挖深。

基坑西侧开挖面距离用地红线最近为21.9 m，红线外为现状绿地，绿地西侧为内部道路，其下方埋有管线，但距离基坑围护内边线超过10倍基坑挖深。

基坑北侧开挖面距离用地红线最近为19.7 m，红线外为现状绿地。

根据现行上海基坑规范的相关规定，确定本基坑安全等级为三级，环境保护等级为三级。

1.2 场地地质条件

根据该项目勘察报告，拟建场地位于古河道地层沉积区与正常地层沉积区交界处，在55.0 m深度范围内的地基土属第四纪全新世Q4沉积物及上更新世Q3沉积物，主要由黏性土、粉性土及砂土组成。地下水对本工程有影响的主要为浅部土层中的潜水，基坑围护设计时，按地下水潜水位埋深0.5 m考虑。

1.3 围护结构简介

从安全、经济的角度出发，结合施工工艺、施工周期等因素，综合确定基坑的围护形式为放坡开挖。图1为本项目基坑围护结构平面布置。图2、图3为基坑东侧围护结构剖面（图2为坡体设置加固搅拌桩，图3为坡脚设置加固搅拌桩）。其中，坡体加固搅拌桩总排数与坡脚加固搅拌桩总排数相等，且桩底标高相同。

图1 基坑围护结构平面布置

图2 基坑东侧围护结构剖面（坡体加固）

图3 基坑东侧围护结构剖面（坡脚加固）

本工程基坑采用放坡开挖，但大面积卸土势必会对周边环境造成一定影响，尤其是场地东侧存在现状建筑。为此，设计时考虑该侧采取一定的加固措施，以控制基坑变形，达到保护已有建筑的目的。

2 有限元数值模拟分析

有限元数值分析是理论计算中的一种重要手段。岩土工程中采用有限元分析问题的重要前提是选取计算采用的本构模型。本次模拟选取的本构模型为HS模型。

HS模型是能考虑软黏土硬化特征、区分加荷和卸荷的区别，且其刚度依赖于应力历史和应力路径的硬化类弹塑性模型。它能给出较为合理的墙体变形及墙后土体变形情况，适合于基坑开挖过程中的数值分析[7]。HS模型本质上是一个双曲线的应力应变关系，可以同时考虑剪切硬化和压缩硬化，并采用Mohr-Coulomb破坏准则。

HS模型参数可通过实际工程监测数据反分析或通过室内土工试验得到[8]。本次分析所采用的参数来自参考文献[7]的结论，以及通过本工程板式支护模型与相应的基坑计算软件结果进行反分析得到的参数。

考虑到围护桩（止水搅拌桩与加固搅拌桩）与周边土体的刚度差异较大，本次数值分析建模时采用了接触面单元。

2.1 建立有限元模型及网格划分

采用足够尺寸的计算模型能减小模型边界对模拟结果的影响。根据基坑的挖深，本次模拟的计算范围如下：深度为50 m，水平向100 m。同时对位移边界条件做了假设：认为模型的左右边界水平方向位移为零，竖直方向允许发生一定变形，下边界任意方向的变形为零。模型采用15节点单元，网格采用较细程度划分。

2.2 模拟工况

为较好地模拟土体的初始应力状态及基坑逐步开挖的施工过程，本次计算对基坑各施工过程进行分工况模拟，各计算工况描述如下：

1）工况一：形成开挖前的初始平衡状态。第一步建立开挖前模型，即划分土层、建立围护桩（止水搅拌桩、加固桩）、接触面及边界条件等；第二步输入土层、围护桩等材料属性；第三步划分网格；第四步计算基坑开挖前自重形成的初始平衡状态；第五步归零自重应力场形成时产生的位移。

2）工况二：激活围护桩单元。

3）工况三：开挖至基坑底。

2.3 模拟结果分析

2.3.1 边坡不加固工况

图4为边坡不加固工况下的计算模型，图5为边坡不加固工况下基坑开挖后的水平位移云图，图6为边坡不加固工况下基坑开挖后的垂直位移云图。

图4 边坡不加固工况下的计算模型

图5 边坡不加固工况下基坑开挖后的水平位移云图

图6 边坡不加固工况下基坑开挖后的垂直位移云图

由图5可以看出，基坑放坡开挖后，边坡整体向坑内水平移动，其中坡脚部位较大，坡顶部位较小。

由于坡体的水平移动，造成已建房屋向基坑方向移动。经计算，坡顶最大位移为66.84 mm，已建房屋的最大水平位移为32.1 mm。

由图6可以看出，基坑放坡开挖后，边坡后侧土体发生垂直沉降，造成已建房屋发生沉降。

经计算，已建房屋的最大沉降为36.85 mm，超过设计要求报警值的47.4%。

根据计算结果可以看出，若边坡不加固，则基坑放坡开挖变形较大，造成已建房屋变形也较大，严重时可能危害房屋的正常使用。

2.3.2 坡体加固工况

图7为坡体加固工况下的计算模型，图8为坡体加固工况下基坑开挖后的水平位移云图，图9为坡体加固工况下基坑开挖后的垂直位移云图。

图7 坡体加固工况下的计算模型

图8 坡体加固工况下基坑开挖后的水平位移云图

图9 坡体加固工况下基坑开挖后的垂直位移云图

由图8可以看出，基坑放坡开挖后，边坡整体变形的趋势与不加固工况相同，但位移峰值有所减小，基坑的稳定性有所提高。

经计算，坡顶的最大水平位移为51.75 mm，已建房屋的最大水平位移为26.4 mm，比不加固工况减小了17.8%。由此可以看出，将坡体进行加固后，能够控制房屋的水平位移。

由图9可以看出，基坑放坡开挖后，边坡后侧土体沉降有所减小。

经计算，已建房屋的最大沉降为31.7 mm，比不加固工况减小了14%。由此可以看出，坡体加固后能够控制房屋的沉降。

2.3.3 坡脚加固工况

图10为坡脚加固工况下的计算模型，图11为坡脚加固工况下基坑开挖后的水平位移云图，图12为坡脚加固工况下基坑开挖后的垂直位移云图。

图10 坡脚加固工况下的计算模型

图11 坡脚加固工况下基坑开挖后的水平位移云图

图12 坡脚加固工况下基坑开挖后的垂直位移云图

由图11可以看出，基坑放坡开挖后，边坡整体变形趋势与不加固工况相同，但位移峰值有所减小。

经计算，坡顶最大水平位移为52.79 mm，已建房屋的最大水平位移为20.85 mm，比不加固工况减小了35%。由此可以看出，将坡脚进行加固后，能明显控制房屋的水平位移。

由图12可以看出，基坑放坡开挖后，边坡后侧土体沉降有所减小。

经计算，已建房屋的最大沉降为13.29 mm，比不加固工况减小了63.9%。由此可以看出，坡脚加固后，基坑开挖后坡体后侧土体沉降得到了明显控制，已建房屋沉降被控制在允许范围内。

2.3.4 总位移对比

图13、图14、图15分别为边坡不加固工况、坡体加固工况、坡脚加固工况下基坑开挖后的总位移云图。

图13 边坡不加固工况下基坑开挖后总位移云图

图14 坡体加固工况下基坑开挖后总位移云图

由图13～图15可以看出，边坡的破坏趋势与经典的圆弧滑动理论是一致的，故可验证本次模拟在理论上是正确的。经过对比可以发现，坡脚加固后基坑开挖后的总位移最小。

图15 坡脚加固工况下基坑开挖后总位移云图

3 结语

1）基坑放坡开挖会对基坑周边环境产生较大影响，主要是造成已建建筑及管线的水平位移和沉降。本工程东侧的已建建筑是本次基坑围护的重点保护对象，该建筑对水平位移和沉降的控制有更高的要求。围绕这一要求，需要制订专项施工方案。

2）本基坑拟采用最为经济的放坡开挖方案，已建房屋距离放坡坡顶最近为9.6 m，经有限元模拟计算可知，放坡开挖会导致已建房屋的水平位移及沉降均超过设计要求的报警值，因而有必要对边坡进行加固，以更好地控制基坑施工对已建房屋的影响。

3）在加固桩桩底相同及加固宽度相同的情况下，采用坡脚加固方案，对房屋沉降的控制更为有利，且造价较为节省。

4）本次模拟结果可为类似基坑工程设计提供相应依据。