船式支护在基坑中的应用

何世达 徐 忠 李燕枫

(中南勘察基础工程有限公司，湖北武汉 430081)

0 引言

在武汉地区长江Ⅰ级阶地，广泛分布软塑—流塑软土，厚度大，有的地方软土厚度超过20 m。在有深厚软土场地的基坑支护难度大，费用高，即使只挖一个4～5 m浅坑，其支护桩桩长往往超过20 m，远大于弹性桩长的特征长度4/α，且变形极大，计算难以通过。在环境紧张情况下，为了减少变形，通常采用被动区加固[1-3]、内支撑[4-5]或增大桩直径[6]等措施来控制变形，但造价都相对较高。为了降低造价，被动区加固体深度设计一般采用台阶式布置[7-8]，宽度一般大于10 m，但由于加固体是漂浮上软土中，其抗力发挥受软土性质的控制，在设计计算时水平向抗力系数随深度变化的比例系数m值的取值也有所限制，没有完全发挥加固体的作用。“船式”支护将整个基坑看作一梭船，整个支护系统类似船外壳，侧壁支护系统视为船侧板，坑底采用搅拌桩满堂加固形成船底板，则计算时，支护桩桩长只需满足其抗倾覆要求，而底板加固体要满足其底板稳定性的要求。结合武汉深厚软土区某基坑实例，分析船式支护在基坑中的应用。

1 船式支护的设计思路

在深厚软土基坑支护中，对基坑整个底板进行搅拌桩加固处理，在侧壁采用悬臂桩支护，如图1所示。

图1 船式支护模型及受力简图

支护桩和止淤帷幕形成“船侧壁”，承受侧向土压力，并将压力传给加固体，支护桩要有合理的长度保证其不向坑内倾倒。底板加固体类似船底，需有一定厚度以承受支护桩传递过来的水平向压力，同时要承受坑底下部软土隆起而产生的“上浮力”并保持稳定。

1.1 支护桩的设计思路

均质饱和软土基坑开挖深度为H，底板加固体厚度为t，忽略支护桩本身的弹性变形，假设支护桩绕加固体范围内某一深度点o发生刚性旋转变形，上部在土侧压力作用下向坑内发生变形，下部支护桩向桩后变形，受力如图1(b)所示。所有抗力均由加固体来承担，要求加固体的厚度t≥a。

对于饱和软土，当支护桩前后的土压力差超过其抗剪强度Cu时，会产生剪切破坏，从桩间产生流动变形直到新的平衡为止，止淤帷幕可以阻止软土从桩间流动。若旋转点以下没有止淤帷幕，则o点以下支护桩桩后所受土压力合力增加到Cu后不再增加，其受力分布呈梯形，为简化计算，直接按矩形来考虑。支护桩桩长确定如下，以o点为坐标原点(见图2)。

图2 支护桩受力分析简图

(1)

Rp对o点的力矩为

(2)

旋转点o点以上桩后主动土压力为

(3)

式中：γ为土体重度，kN/m3；Ka为朗肯主动土压力系数。

其对o点的力矩为

(4)

o点以下的土压力Ep=bCu，对o点的力矩为

(5)

桩的稳定性必须满足静力平衡条件及对o点的力矩平衡，即有：

∑X=0Rp-Ea-Ep=0

(6)

∑M=0Mp-Ma+Mp=0

(7)

联立(6)、(7)两式可得一个关于a的一元六次方程式，可通过二分法求得a、b的近似解，从而可确定桩长L=H+a+b。并初步确定加固体厚度t≥a。

可以利用基坑设计软件采用其它计算方法进行试算确定桩长，只需其桩的位移及抗倾覆满足安全要求即可。

1.2 加固体厚度的确定

饱和软土C=Cu，φ=0，Ka=1，加固体及土体重度均为γ。如图3所示，对单元体A有

图3 底板单元体受力分析示意图

σA1=γ(H+t)+q0

(8)

(9)

单元体B，有σB1=σA3

(10)

可得

q1=γH+q0-4Cu

(11)

实际基坑开挖底面上是没有荷载，q1相当于作用于加固体底面上的“上浮力”，假设q1是均匀作用在加固体上，把加固体作为一个简支梁来考虑，如图4所示，梁的端点受水平力Rp及竖向摩阻力Q保持稳定，使加固体不出现剪切破坏或受拉破坏，通过计算可以确定厚度t。加固体设计厚度为max(t,a)。

图4 加固体受力简图

显然，在上述分析过程中，当单元体B离A较近时，可近似取σB1=σA3，但单元体B远离A时，σB1<σA3，而且相距越远，差值越大，底板所受的“上浮力”不是均匀分布的，随着距离增大而减少，直至趋于零。因此，在基坑宽度较窄条件下(如一些沟槽类基坑)，可以采用上述方法来分析计算。对一般宽度相对较大的基坑，如果坑底不发生深层滑弧破坏，其抗隆起基本能满足安全要求。因此，可以通过圆弧滑动面法来确定加固厚度t。通过软件能够自动搜索最危险滑弧面，通过试算确定加固厚度，在此不再赘述。

2 工程概况及环境条件

该建筑项目设一层地下室，地下室约呈75 m×53 m的矩形，开挖面积约4170 m2。基坑开挖深度按4.72～6.40 m。场地东侧为空地，南侧有铁路，地下室边轴线距铁路19.5～24.5 m。西侧为村民房，民房一般4～5层，砖混结构，天然地基，该侧边轴线距民房距离为10.3～16.6 m。北侧西段有民房，其中有两栋一层的建筑物靠边轴线仅2.6 m。北侧东段为道路。基坑周边环境如图5所示。

图5 基坑周边环境图

3 工程地质条件

拟建场地属长江Ⅰ级阶地，场地较平坦，地面标高为20.1～21.1 m。与基坑相关的地层为：表层杂填土(Qml)，其下分别为第四系上更新统冲洪积成因的淤泥质黏土、粉质黏土、粉土、粉砂等，地层分布特征见图6, 各地层的性质参数见表1。

表1 地层特征及设计参数

图6 基坑侧壁地层展开图

场地内地下水类型主要为上层滞水及承压水，上层滞水赋存于第①层杂填土层中，水位、水量随季节而变化，勘察期间测得的埋深为1.3～1.4 m。承压水赋存于下部粉土、粉砂层中，与长江水体有水力联系。勘察测得承压水埋深4.5 m。

4 基坑特点及设计方案的比选

4.1 基坑特点及难点

(1)基坑开挖深度不深，但基坑侧壁及坑底为流塑—软塑的软土，这对支护结构及坑底抗隆起等极为不利。

(2)除东侧外，其它三侧均有需保护的建(构)筑物，均是天然地基，对沉降变形敏感，特别是北侧有两栋建筑临近基坑边线，对支护结构要求较高。

(3)南侧为铁路，火车经过时产生的地面振动较大，振动使孔隙水压力瞬时增加,降低了土体的有效应力，导致土体的强度降低，必然增大了支护结构受力，且使结构受力变得复杂，是极为不利的。

(4)上层滞水的水量较大，需要采取止水措施；承压水埋深相对较深，经复核不会发生突涌问题。

(5)坑底为流塑的软土，土方开挖施工难度大，极易造成坑底隆起，需对工程桩进行保护。

4.2 方案比选

根据基坑地层条件及周边环境条件，确定本基坑支护结构安全等级为一级。常规方案可采用内支撑或排桩+被动区加固的方式。对排桩+内支撑方案，当采用桩径800 mm、桩间距1.1 m、桩顶放坡1.5 m时，利用天汉软件按弹抗性法进行计算，计算所需桩长22 m，桩身在坑底附近最大位移达33 mm，最大弯矩为584 kN·m。而采用悬臂桩+被动区加固方式，同样的参数所需桩长22 m，计算桩身在桩顶位置最大位移20 mm，桩身最大弯矩为457 kN·m。

两方案支护桩都过长，经济上不合理。排桩+内支撑方案的变形仍然偏大，且内支撑布置需采用角撑及对顶撑，占据了施工空间，严重影响土方施工工期；采用悬臂桩+被动区加固方案，因底板土体的加固可以部分解决土方开挖难题，但加固体是漂浮在软土中，其被动区抗力仍受软土影响，发挥作用有限。在设计计算时，加固体的水平向抗力系数随深度变化的比例系数m值，根据实践经验不宜超过4000 kN/m4。且支护桩过长的问题仍然存在，从经济角度不合理。

为了保证基坑的安全，方便土方施工，同时要求方案的综合性价比合理，设计采用“船式”支护的方案。因侧壁只考虑水平向受力稳定，支护桩桩长可以减短很多，而坑底满堂加固形成船底板，既解决了土方开挖施工问题，又有利于工程桩的保护，保证了基坑内外环境的安全。

5 基坑支护的设计

“船式”支护将侧壁及坑底两部分从不同角度分开考虑，设计如下。

5.1 底板加固设计

对“船底板”进行加固，即保证坑底不会出现剪切破坏，按圆弧滑动面法进行分析计算，对加固厚度进行设计。由于坑底为流塑的淤泥质土，底板选用粉喷桩搅拌加固。水泥对土体有固结作用，且由于采用干法施工，水泥水化固结需吸收大量的水分，能有效降低土体的含水量，从而有效改善土体的力学性质。加固范围为整个基坑底板除工程桩位置外，其余位置满堂加固。水泥土加固体的抗剪强度参数，根据湖北省地方标准及施工经验，取c=70 kPa，φ=0°，采用天汉软件进行试算，当坑深4.72 m，加固厚度达5.5 m时，坑底整体稳定性系数最小值达1.336，满足一级基坑安全要求。

5.2 侧壁支护设计

对“船侧壁”设计，需要保证侧壁不发生倾覆，变形满足环境安全要求。支护采用钻孔灌注桩悬臂支护，计算按悬臂+被动区加固模式进行计算。由于底板是满堂加固，对支护桩来说，相当于暗撑作用，其抗力发挥水平要大于漂浮在软土的加固体。因此，在计算时，水平向抗力系数随深度变化的比例系数m值也要做相应调整，设计中取m=6000 kN/m4。经计算，当支护桩设计参数φ800 mm@1100 mm，桩顶放坡1.5 m时，所需桩长L=11 m，桩顶最大位移14 mm，满足侧壁稳定要求。

基坑南、西、北侧三侧采用悬臂桩支护，典型支护剖面如图7所示，支护桩外侧设两排搅拌桩帷幕起止水止淤作用。基坑东侧因外环境相对宽松，采用搅拌桩重力式挡墙支护。

图7 典型基坑剖面图(单位：m、mm)

6 监测结果及变形分析

基坑在开挖施工过程中进行了变形监测，共设6个测斜孔(见图5)进行土体深层水平位移监测，布设17个点对基坑边坡土体沉降监测，对周边建筑物布置32个沉降监测点。根据监测结果，测得桩顶最大位移为18.47 mm，基坑周边地表最大沉降20.11 mm，周边建筑物最大沉降为16.57 mm。基坑施工在整个过程中顺利进行，未对周边环境造成不良影响。土体深层水平位移监测结果如图8所示。

图8 深层水平位移监测结果

从土体深层水平位移监测结果来看，侧壁变形都在安全范围内，与计算结果相近。C1、C2、C3孔的桩顶位移相对偏大，说明铁路运行产生的地面震动对支护系统有较大的影响。基坑开挖施工现场如图9所示。

图9 基坑施工现场

7 结论

本工程采用“船式”支护取得成功，说明侧壁与底板分开来设计的思路是可行的，可供其他类似工程参考借鉴。“船式”既避免了支护桩过长产生的浪费，也因底板加固利于土方施工及工程桩保护，在基坑面积不大或条形的基坑中，具有明显的优势。根据被动区加固等类似工程的施工经验，总结经验如下：

(1)对于加固体m的取值，当加固体全部都在软土内时，加固体发挥的抗力与软土有关，根据武汉当地经验，其m取值不宜超过4000 kN/m4，若加固体穿过了软土层，进入下部可塑土层一定厚度的，可适当提高取值，在船式支护方式中，因加固体对向两侧均受力，在水平向上是两侧受压状态，其抗力的发挥与本身刚度有关，因此取值应有所区别。

(2)采用水泥土搅拌加固时，应注意水泥土在淤泥质土中的成桩可能性。水泥土搅拌桩施工有干法与湿法两种工艺，从加固体对支护贡献的整体效果来看，在饱和软土中采用干法施工的效果普遍要强于湿法。

(3)底板加固体与支护桩之间应保证密贴。可先施工搅拌桩，再施工支护桩，两者有一定的重叠来实现密贴，也可在搅拌桩与支护桩之间设置高压旋喷桩来实施密贴。

(4)当采用悬臂桩时，侧壁支护桩长可按对称原则确定，即以被动区加固体为支点，上下两段长度相当。

(5)在方案比选时，不能仅从支护造价上对比，还要综合考虑土方施工、工程桩保护、工期等因素，从而选择合理方案。