某软土深基坑支护桩入土深度分析

吴连祥

（启东市建筑设计院有限公司，江苏南通 226200）

0 引言

在软土区，由于土体的含水率高，抗剪强度低，支护方案通常采用桩锚或桩撑支护结构，支护桩作为其主要受力构件，其入土深度与保证基坑在开挖阶段的稳定以及降低支护工程造价密切相关，入土深度越深，基坑稳定性越好，支护造价也越高。因此，应当在保证基坑施工安全的前提下，尽量减少支护桩的入土深度。基坑抗隆起稳定性分析是决定支护桩入土深度的关键。

基坑抗隆起稳定分析方法归纳为三大类：极限平衡法、极限分析法、常规位移有限元法[1]。其中Terzaghi[2]以及Bjerrum[3]等提出的基于地基承载力模式的黏土基坑抗隆起稳定计算公式属于极限平衡法。我国基坑工程规范则普遍采用基于Chang[4]提出的Prandtl 公式的地基承载力分析方法及圆弧滑动破坏模式的极限平衡法。

现行国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120−2012）[5]（简称国家基坑规范）及上海市《基坑工程技术规范》（DG/TJ 08−61−2010）[6]（简称上海基坑规范）对坑底抗隆起稳定验算均采用圆弧滑动模式分析方法，但抗滑力矩的计算存在差异，软土区按上海基坑规范计算的入土深度明显小于按国家基坑规范计算的结果。

软土区高层建筑大多采用桩基础，工程桩的施工先于支护桩，工程桩对基坑稳定的影响客观存在。鲁 宏[7]、肖 健[8]等采用有限元法分析了工程桩的存在对坑底隆起失稳破坏的影响和作用机理，胡康俊等[9]采用强度折减有限元法对坑底有无工程桩对软土深基坑抗隆起稳定性进行了对比研究，基坑稳定系数有桩明显高于无桩；张耀东等[10]从基坑形状、围护墙入土深度、坑底下软土深度、坑底被动区地基加固处理、坑内工程桩等方面对基坑抗隆起稳定性的影响进行分析研究，提出了相应的计算改进方法。这些研究成果表明：软土区坑内工程桩对基坑抗隆起稳定性产生积极、有利的影响。

目前用于基坑坑底抗隆起稳定分析方法一般均未考虑工程桩等有利影响，现行的基坑工程规范也没有提及工程桩的有利作用。基于以上考虑，以长江口北岸软土区某基坑工程为例，在确定支护桩入土深度时，按国家基坑规范和上海基坑规范分别对多种入土深度方案进行相关计算和分析比较，并考虑工程桩对支护桩入土深度的有利影响，力求支护桩的入土深度安全、合理、经济，为类似工程提供一定的参考与借鉴。

1 工程简介

启东金融建筑产业园位于启东市牡丹江西路南侧，公园南路西侧，由4 栋高层塔楼组成，框剪结构，总建筑面积209311 m2，其中地上21 层，建筑面积141415 m2，地下2 层，建筑面积67896 m2。钻孔灌注桩、钢筋混凝土筏板式基础。

基坑近似呈长方形，南北长290 m，东西宽140 m，周长约860 m，基坑面积近40000 m2。场地整平后的绝对标高2.4 m，对应于相对标高−1.40 m。地库垫层底标高−11.00 m，挖深9.60 m；基坑周边承台底标高−11.40 m，挖深10.0 m；集水井、电梯井、主楼承台部分局部超挖1.0～3.6 m，最大挖深13.2 m。

基坑开挖北侧边线距河道14.3～26 m，距牡丹江路22～34 m；东侧边线距公园路30～38 m；南侧边线距拟建纬三路7～16 m；西侧距新规划道路15 m。

地貌形态为长江三角洲冲积平原，场地平坦，稍有起伏，自然地面标高2.02～2.44 m。勘探最大钻孔深度80 m，所揭示的土层为第四系河流−滨海相、湖相交互沉积土层，划分为11 个工程地质层，典型的静探曲线见图1，在基坑涉及深度范围内各土层情况描述如下：

①淤泥质粉质黏土：褐黄色−灰色，土质不均匀，流塑，稍夹薄层砂质粉土，无摇振反应，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，属高压缩性土。

②砂质粉土：灰色，土质不均匀，很湿，稍密，摇振反应迅速，无光泽，干强度低，韧性低，属中压缩性土。

③淤泥质粉质黏土：灰色，土质不均匀，流塑，夹砂质粉土，无摇振反应，稍有光泽，干强度低，韧性低，属中−高压缩性土。

④砂质粉土：灰色，土质不均匀，很湿，稍密，摇振反应迅速，无光泽，干强度低，韧性低，属中压缩性土。

⑤淤泥质粉质黏土：灰色，土质不均匀，流塑，稍夹薄层砂质粉土，无摇振反应，稍有光泽，干强度低，韧性低，属高压缩性土。

⑥粉质黏土：灰色，土质不均匀，软−流塑，频夹薄层砂质粉土，无摇振反应，稍有光泽，干强度低，韧性低，属中−高压缩性土。

建筑场地浅层地下水为孔隙潜水，主要赋存于①−④层土中。补给来源为大气降水、地表水以及区域水系，排泄方式为大气蒸发及侧向径流。勘察实测初见水位在自然地面下1 m 左右。基坑深度涉及的土层物理力学指标见表1。

表1 基坑深度涉及的土层物理力学指标

2 支护桩入土深度分析探讨

综合本基坑开挖深度、周边环境、地质条件等因素，初定基坑支护方案采用桩锚支挡结构：基坑上部3 m 放坡开挖，挂网护面，下部7 m 采用SMW 工法桩+一道旋喷加劲锚支护。SMW 工法桩为3φ850@1200三轴搅拌桩，内插H700×300×13×24 型钢，作为受力排桩和止水帷幕，桩顶设置一道旋喷加劲锚，如图2所示，具体设计参数通过计算确定。

图2 桩锚支护方案剖面（单位：m、mm）

坑内外均采用管井降水，坑内水位降至坑底以下0.5～1 m，坑外水位降至地表以下4 m 左右，基坑四周设截水沟排除地表水。

初定的支护方案属于单层锚杆支挡式结构，设计除进行强度、变形计算外，还必须对支护结构进行稳定性验算，包括抗倾覆、整体稳定、抗隆起验算。抗隆起验算又包含坑底抗隆起、墙底抗隆起验算。

由于本工程位于长江口北岸软土地区，地质条件较差，地表向下17 m 左右为淤泥质粉质黏土与砂质粉土交互沉积土层，17～43 m 主要是淤泥质粉质黏土层，基坑挖土深度10 m，支护桩必然要进入淤泥质粉质黏土层，这对支护结构的稳定不利。

基坑安全等级设定为二级，考虑基坑四周有土方车及混凝土搅拌泵车通过，施工超载取30 kPa，采用同济启明星FRWS 软件，按国家基坑规范，对支护桩三种入土深度的方案进行计算，结果汇总于表2。

由表2 可知：

表2 按国家规程JGJ120—2012 计算结果

（1）支护桩入土深度从16 m 到26 m，支护结构的最大内力及最大变形基本上没有变化；

（2）支护桩入土深度越深，稳定性安全系数越大；

（3）支护桩入土深度16 m，抗倾覆、整体稳定、墙底抗隆起验算均已满足验算要求，仅坑底抗隆起验算不能满足验算要求；

（4）支护桩入土深度达 26 m，坑底抗隆起验算方能满足验算要求。

支护桩及锚桩的部分参数通过强度验算即可确定，但支护桩的入土深度必须根据稳定性多项指标的验算才能最终确定。

本工程支护桩的入土深度达26 m，方能满足稳定验算的全部要求，插深比2.6，显然不尽合理。因此有必要对坑底抗隆起验算进行分析。

国家基坑规范规定：坑底抗隆起稳定验算应符合以最下层锚拉点为轴心的圆弧滑动稳定性要求，圆弧滑动模式的计算简图如图3所示，计算公式见式（1）。

图3 国家规程计算简图

式中：Kr为以最下层支点为轴心的圆弧滑动安全系数，安全等级二级时Kr为1.9；cj、φj分别为第j土条在滑弧面处土的黏聚力（kPa）、内摩擦角（°）；lj为第j土条的滑弧长度，m，取lj=bj/cosθj；qj为第j土条顶面上的竖向压力标准值，kPa；bj为第j土条的宽度，m；θj为第j土条滑弧面中点处的法线与垂面的夹角，（°）；ΔGj为第j土条的自重，kN，按天然重度计算。

支护桩的入土深度16 m，按公式（1）计算，坑底抗隆起的安全系数为1.38，距要求的安全系数1.9差27.36%。

而采用同济启明星FRWS 软件，按上海基坑规范，同样对支护桩三种入土深度的方案进行计算，结果汇总于表3。

表3 按上海规范DG/TJ 08−61−2010 计算结果

由表3 计算结果可知：支护桩的入土深度16 m，按上海基坑规范计算，坑底抗隆起安全系数为1.79，距要求的安全系数1.9 相差5.79%。

对比表2、表3 发现，国家基坑规范与上海基坑规范计算出的内力、位移均比较接近，抗倾覆安全系数差别很小，整体稳定和墙底抗隆起稳定安全系数也一致，但坑底抗隆起的安全系数却差别较大。

上海基坑规范坑底抗隆起稳定验算采用圆弧滑动模式，假定坑底隆起破坏面为圆弧形且滑动面经过桩底，其圆弧部分的圆心在锚拉点处，圆弧滑动模式的计算简图如图4所示。

图4 上海规范计算简图

利用力矩平衡法进行分析，力矩平衡法的圆心固定在锚拉点处。抗隆起安全系数表示为

式中：γRL为抗隆起安全系数，安全等级二级时γRL为1.9；MRLk为抗隆起力矩标准值，kN·m/m；MSLk为隆起力矩标准值，kN·m/m；Msk为围护墙的容许力矩标准值，kN·m/m；MRLkj为坑外最下道支撑以下第j层土产生的抗隆起力矩标准值，kN·m/m；MRLkm为坑内开挖面以下第m层土产生的抗隆起力矩标准值，kN·m/m；MSLkq为坑外地面荷载产生的隆起力矩标准值，kN·m/m；MSLki为坑外最下道支撑以上第i层土产生的隆起力矩标准值，kN·m/m；MSLkj为坑外最下道支撑以下、开挖面以上第j层土的隆起力矩标准值，kN·m/m。

比较分析上海基坑规范与国家基坑规范坑底抗隆起计算公式，可以发现，上海基坑规范与国家基坑规范考虑的滑动力矩相同，但抗滑动力矩却不同。上海基坑规范中抗滑动力矩包括：①围护墙的容许力矩；②滑动面FECK 上抗剪强度产生的抗滑力矩；③EFG 区域内土体自重产生的抗滑力矩。而国家基坑规程中抗滑动力矩仅包括滑动面ECK 上抗剪强度产生的抗滑力矩。这就是同一基坑工程采用上海基坑规范与国家基坑规范验算坑底抗隆起稳定，其安全系数不同的原因。但上海基坑规范与国家基坑规范要求的安全系数却又相同。

在基坑工程实践中，上海地区积累了大量的软土基坑支护工程经验，本工程位于长江口北岸，采用上海基坑规范进行坑底抗隆起验算较为合理。如支护桩的入土深度达18 m，按上海基坑规范验算坑底抗隆起稳定，安全系数即可达1.9，满足规范要求。

另一方面，工程桩对软土区基坑的抗隆起有明显帮助作用[9]，而规范在坑底抗隆起的验算中并未考虑工程桩对坑底抗隆起的贡献。

在软土区，高层建筑基础大多采用桩基础，并且桩基是在基坑开挖以前施工完成的，因此这些工程桩会对基坑开挖的性状产生一定的影响。

由于工程桩的强度和刚度比较大，也在一定程度上提高了坑底土的整体力学性能，从而减小了支护桩的位移。当基坑开挖引起基底隆起时，由于受到工程桩的约束，桩与土之间存在摩阻力，工程桩对被动区土体具有一定的拉锚作用，有利于控制基底隆起，从而提高了抗隆起稳定性。

采用强度折减有限元法考虑有无工程桩的存在对软土深基坑抗隆起稳定性对比分析结果表明：坑底有工程桩时抗隆起稳定系数明显高于无工程桩[10]。基于工程桩的有利作用，本基坑将支护桩的入土深度调整至16 m 作进一步分析探讨。

考虑工程桩与周边土对抗隆起稳定性的影响，把入土深度范围内桩与土体间总的摩阻力平均到整个基坑。整个基坑范围内基础底共布置钻孔灌注桩1869 根，其中：桩径1 m，桩长62 m，501 根；桩径0.7 m，桩长37 m，1368 根，在基坑被动区支护桩入土深度16 m 范围内，工程桩对土增加的黏聚力按式（5）计算。

式中：α为工程桩与土体间的黏聚力修正系数，小于1，本工程取0.7 计算；u为桩身周长，m；ci为支护结构入土深度范围内被动区土体的黏聚力，kPa；A为基坑范围内基础底面积，m2。

在被动区滑动面FE 上增加的抗滑力按式（6）计算[1]。

采用同济启明星FRWS 软件，按上海规范DG/TJ 08−61−2010 验算坑底抗隆起，抗滑力为：4083 kN/m，滑动力为：2283.7 kN/m，坑底抗隆起安全系数1.79，考虑工程桩的有利影响，坑底抗隆起安全系数增加到：

说明若考虑工程桩的有利影响，支护桩的入土深度16 m，就可以满足坑底抗隆起的验算要求。

此外，尚有一些有利因素还未加考虑，因此，本工程的支护桩的入土深度最终确定取16 m。

3 实测结果

该工程支护桩的施工时间是2019年7月10日−2019年10月20日，基坑挖土时间是2019年9月1日−2019年12月初，2019年11月即开始部分地下室施工，2020年1月20日大部分地下室已施工至地下一层，2020年4月施工至±0，工法桩中的型钢于2020年6月20日全部拔出。

根据监测资料，至2019年12月4日，基坑的位移、基坑周边沉降变化达到最大值，基坑东南侧支护桩压顶梁最大水平位移达39.8 mm，代表性的深层土体位移曲线参见图5。

图5 深层土体位移曲线

坑外地面的最大沉降31.5 mm，坑底隆起变形量为23.4～32.8 mm，均在正常范围内。图6 为基坑开挖后的实际效果。

图6 基坑开挖后的实景图

4 结论

(1)软土深基坑支护，由于土的抗剪强度较低，支护桩的入土深度主要由坑底抗隆起稳定验算控制，而采用国家基坑规范JGJ120−2012 公式与采用上海基坑规范DG/TJ 08−61−2010 公式验算，其稳定安全系数相差很大。

(2)上海附近地区的软土深基坑支护结构，坑底抗隆起稳定验算采用上海基坑规范DG/TJ 08−61−2010 公式比较合理。而按国家基坑规范JGJ 120−2012 验算，桩的入土深度过长，不够经济。

(3)坑内工程桩对坑底抗隆起稳定验算的有利影响，可以适当加以考虑。有必要进一步对坑内工程桩参与坑底抗隆起稳定验算方法进行探讨，使计算结果更贴近工程实际。