软土地区基坑被动区加固成桩质量对围护变形控制的影响分析

邵晨晨

（上海市岩土地质研究院有限公司，上海 200072)

0 引言

面积大、开挖深度深、环境保护要求高的基坑成为城市建设中的常态。这意味着基坑工程支护作为临时措施，从确保开挖安全的单一维度向还需注重环境变形控制的多维度转变。

在深厚软土地区，基坑影响范围内土体普遍呈流塑状，力学性能较差，不利于基坑稳定和围护变形控制。通过对被动区采用水泥土搅拌桩加固，改善被动区土体力学性能，从而达到控制围护插入比及围护体变形的目的[1]。因此，基坑被动区加固在基坑工程中得到广泛应用。程博等分析了软土地区被动区加固对支护体稳定性的影响[2]。金晓波系统研究了加固深度、宽度、强度等对基坑变形及基坑稳定性的作用[3]。

在以往研究中，往往偏重于坑内加固对基坑工程的有利影响。随着建筑工程市场化进程，低价中标在工程项目招投标中屡见不鲜，基坑施工过程中的偷工减料情况时有发生，而坑内加固成为偷工减料的重灾区，常出现重点加固的区域反而是变形最大区域，如此反常现象为工程建设埋下了重大隐患。本文结合上海地区实际工程案例，针对被动区扰动后围护结构的变形情况进行讨论和研究。

1 被动区加固机理

在上海软土地区，为达到控制围护变形的目的，常采用水泥土搅拌桩进行被动区加固。水泥土搅拌桩加固工艺原理是采用特制深层搅拌器械对土体进行搅拌，在破坏土体原有结构的同时加入一定配比的水泥浆液，在搅拌器械的外力作用下使土体与水泥浆液充分拌和，水泥浆液作为胶结材料，在水泥浆液固化的过程中形成新的复合结构体。

被动区加固的布置形式根据控制变形要求进行设计，常用的加固布置形式有墩式加固、裙边加固、抽条加固和满堂加固。

2 工程案列

2.1 工程概况

本文以上海地区某基坑为例。场地地貌类型属于滨海平原，地形较平坦。地下潜水水位埋深较浅，一般为地下0.5～1.5m，按最不利原则0.5m埋深取值计算；场地下分布有微承压水层，止水帷幕插入下卧相对不透水层不少于1.5m，隔断坑内外微承压水层的水力联系。场地浅部以淤泥质粉质粘土为主，土层参数见表1。

表1 土层物理力学参数

基坑面积2021m2，开挖深度9.55m。根据上海市工程技术规范DG/TJ08-61《基坑工程技术标准》，基坑安全等级为二级[4]。基坑东侧有一栋6层砖混结构居民楼，距基坑开挖边线19.0m，是本项目的重点保护对象。基坑采用φ900mm灌注桩挡土，结合φ850mm三轴水泥土搅拌桩止水，竖向设置两道钢筋混凝土水平支撑，靠近居民楼处坑内加固采用双轴水泥土搅拌桩裙边加固，其余三侧考虑环境保护要求较低，未设置被动区加固[5]。第一道支撑上部设置环通栈桥，基坑四周无重车行走。基坑四条边中间位置各设一个围护测斜变形监测点。见图1、图2。

图1 基坑围护平面图

图2 基坑围护剖面图

2.2 计算结果分析

被动区加固采用2φ700@500双轴水泥土搅拌桩，水泥掺量13%，加固范围为第二道支撑到坑底以下4.0m，加固宽度4.2m。对被动区是否加固分别进行剖面计算，结果见图3和图4，计算采用同济启明星软件。

由图3和图4可知，被动区不进行加固的情况下，围护灌注桩在不同工况下最大变形计算值为30.0mm；被动区加固后，围护灌注桩最大变形得到大幅改善，变形值减少至19.9mm，降幅达32%。

图3 被动区未加固情况下围护计算变形包络图

图4 被动区加固情况下围护计算变形包络图

2.3 现场实测分析

本项目地下工程建设过程中，第三方监测单位进行信息化监测，工程四条边中间部位分别设置一个围护桩测斜监测点，其中被动区进行裙边加固侧监测点编号为CX1，其余侧为CX2～CX4。见图5。

图5 基坑围护测斜最终变形图

根据监测结果可知，分布于基坑四周的四个测斜孔的最终变形趋势基本一致，但CX1最大变形值为40.6mm，出现在基坑开挖深度9.3m处，基本位于基坑坑底附近；CX2～CX4三个测斜孔最大变形为34.01～34.97mm，最大变形出现在基坑开挖深度8.5m左右，位于第二道支撑与底板之间的中部位置。根据原设计，基坑东侧设置裙边被动区加固，CX1变形应明显小于其余三个监测点的变形数据，且最大变形位置应在其余三侧最大变形点之上，而监测数据却相反，与原设计意图背道而驰。

从土方开挖情况看，加固体基本没有成型，且离散性较大，完全达不到设计要求的0.5MPa无侧限抗压强度。此异常情况基本可归结为：1）施工单位认为坑内加固仅作为安全储备，不参与受力计算，故重视不够。2）坑内加固施工时，水灰比偏大，同时搅拌提升速度及喷浆不均匀。3)水泥掺量不足，与设计要求的13%差异明显。4)考虑浅部软土层中灵敏度较高，在双轴设备空搅过程中，土体强度下降，被动区抗力不足，从而加剧围护变形。

3 不同搅拌桩成桩质量对围护变形的影响分析

3.1 计算模型

为研究不同搅拌桩成桩质量对围护变形的影响，采用plaxis有限元软件进行分析，综合考虑分析的合理性、计算速度和模型规模。模型竖向取50m范围，横向取90m范围。

分析过程中，针对不同分析对象采用不同的单元类型和本构关系，见表2。分析模型的竖向底部采用全自由度约束，侧面采用法向约束。

表2 分析单元类型与本构模型表

图6 模型网格划分图

3.2 计算结果分析

模型分别计算水泥掺量13%、8%的加固土（加固宽度为4.2m，加固范围为第二道支撑底～坑底以下4.0m）、原状土及扰动土（力学指标按原状土50%取值）四种情况下围护灌注桩的变形量，计算结果见表3。

表3 有限元计算结果

结果显示，被动区加固水泥掺量为13%时（模型一），可有效改善围护墙体的变形，变形减小30%左右，与同济启明星软件计算结果基本一致；当被动区加固水泥掺量为8%时（模型二），被动区加固对围护墙体变形的控制效果明显降低；当考虑被动区施工严重喷浆不达标时，土体被扰动，被动区抗力较原始状态降低，围护变形较原状土状态大幅提高35%左右，其变形是模型一变形的2倍左右。

4 结论

1）坑内加固可有效改善围护墙体的变形，但实际效果与施工质量紧密相关，被动区加固成桩质量好坏导致围护变形差异较大，施工质量特别差的甚至对围护变形控制产生负面影响。

2）若周边环境保护有很高要求，计算中须考虑被动区的加固效果时，应结合土质情况对加固后的被动区的力学指标进行折减利用，且坑底以上水泥掺量与坑底以下水泥掺量保持一致，均采用高掺量设置。

3）相比被动区加固方式，采用增加围护刚度，即增加灌注桩直径和减少灌注桩间距对围护变形的控制更加明确，且现场管理更方便。

4）对于被动区加固施工，现场管理中应通过水泥浆液配比、提升和下沉速度、水泥用量进行控制，基坑开挖前应对被动区加固搅拌桩桩身强度进行钻芯取样检测，取样数量不少于总桩数的2%，且不少于3根。