南沙港区陆域软土基坑支护方案设计与实现

刘树明 王四根 朱峰

摘 要：为了有效消减建设于软土地基上的建筑物整体工后沉降，充分提高后续软土地基中基坑开挖的稳定性，依托广州港南沙港区办公楼软土基坑搅拌桩墙支护工程，进行了基坑支护方案的选型，分别對“先预压软基+后搅拌桩墙支护”与“不预压软基支护”2种备选工程方案进行了对比，同时采用直剪强度参数和φ=0法计算了地基的抗隆起承载力，并进行了对比分析。结果表明：对于研究项目，先预压可以显著提升土体的抗剪指标近一倍，实现搅拌桩 墙深度和置换率的降低，从而降低工程造价;工程实测数据表明，计算中考虑φ 会显著增加抗隆起安全系数，从而降低设计安全性;计算中考虑内摩擦角φ 对土体抗力具有积极贡献，可以有效减少桩基布置密度。研究结果可以为工程中的土体设计参数选取提供重要依据，同时为类似基坑工程设计提供实用化参考案例。

关键词：地基基础工程;基坑支护;搅拌桩墙;φ=0法;抗隆起

中图分类号：U652.7    文献标识码：A    DOI：10.7535/hbgykj.2021yx04012

Design and implementation of soft soil foundation pitsupporting scheme in Nansha Port land area

LIU Shuming，WANG Sigen，ZHU Feng

（CCCCFHDIEngineeringCompanyLimited，Guangzhou，Guangdong510230，China）

Abstract：Inordertoeffectivelyreducetheoverallpostconstructionsettlementofbuildingsonsoftsoilfoundationandfullyimprovethestabilityoffoundationpitexcavationinthesubsequentsoftsoilfoundation，thefoundationpitsupportingschemewasselectedbasedonthesoftsoilfoundationpitmixingpilewallsupportingprojectofNanshaportofficebuildinginGuangzhouport.Thetwoalternativeengineeringschemesof"preloadingsoftfoundationfirstandthenmixingpilewallsupporting"and"nonpreloadingsoftfoundationsupporting"werecomparedrespectively.Atthesametime，thedirectshearstrengthparametersandφ=0methodwereusedtocalculateandanalyzetheupliftbearingcapacityofthefoundation.Theresultsshowthatthepreloadingcansignificantlyimprovetheshearstrengthofsoilbyalmost100%inthisproject，andreducethedepthandreplacementrateofmixingpilewall，whichresultsinthedecreaseoftheprojectcost;theengineeringmeasureddatashowsthatthesafetyfactorsagainsttheupheavalcanbesignificantlyincreasedbyconsideringtheinternalfrictionangleφintothecalculation;theinternalfrictionangleφ hasapositivecontributiontothesoilresistanceandcaneffectivelyreducethepilefoundationlayoutdensity.Theresearchresultscanprovideanimportantbasisfortheselectionofsoilparamet

软土地基基坑设计中往往需要进行地基加固，基坑地基加固一般分为结构物地基永久加固和施工期间被动区地基临时加固2种类型。房建和市政行业软土基坑设计中，由于工期紧、排水预压对周边场地影响、行业习惯等原因，一般都没有事先对地基进行整体处理，而主要采用被动区局部临时性加固，结构物则采用桩基础，由于地基没有整体加固，常见结构物底板或承台与地基脱空现象。

整体地基处理和基坑支护综合设计的文献不多见。林志强等[1]提供了浙江某港区一个6m 深基坑先真空预压后实施复合土钉墙支护的案例。黄时锋[2]提供的巨型污水处理厂基坑案例中，采用了两级放坡+双排灌注桩支档，仍然出现了支护桩位移达69cm的情况。李红军[3]提供的一个深4.6m基坑案例，采用宽4.2m、深11m搅拌桩墙支档，出现大位移和坍塌现象。如果先行整体预压处理地基，大大减小主动土压力，提高和充分利用地基自身的抵抗力，后期基坑支护可以进一步加大放坡减载，提高基坑安全性，降低支档结构造价。总的来说，陆地行业的基坑工程大多优先考虑“加强支档”，而相对忽略“减小主动土压力荷载，利用地基自身的抵抗力”。

海港建设中往往采用吹填泥土成陆，办公楼建筑基坑设计一般需综合考虑地基沉降处理和基坑支护稳定性。大面积软基处理一般采用经济有效的排水预压法，可同时达到消减工后沉降、提高基坑土体强度从而降低支护难度的目的。如果全部采用搅拌桩进行地基处理和坑内被动区加固，费用高昂。如果不对地基进行整体处理，只对坑内被动区土体加固，达不到消减整体地基沉降的目标。

软土地基中深度6m或7m内的基坑，支护方式通常可以选择钢板桩或重力式水泥土墙[4-6]。对于办公楼基坑，尚需考虑基桩与基坑开挖的顺序。一般来说送桩长度超过3m时，施工难度和费用会增大。基桩在坑底施工的优点是减少预制桩送桩，降低桩基子项费用。如果在坑底打设基桩，则需选择没有内支撑或支锚体系尽量不影响打桩施工的基坑支护方案。

关于基坑设计中的抗隆起稳定验算，研究文献[7-9]众多，这里就不再列举。相关文献大多关注计算方法本身，对于采用总强度参数（φ=0法）的论证笔者尚未见相关报道。

本文以广州港南沙港区一期到四期工程办公楼基坑设计选型为例，探讨地基处理、基坑支护综合设计问题。探讨软土基坑设计中土体力学参数在各项稳定性计算中对计算结果的影响，尤其是φ=0法对抗隆起承载力验算结果的影响。

1 项目概况

场地位于珠江三角洲河口湾河海交汇处。原状浅层地层主要为②淤泥质土、③粉质黏土。土层分布及物理力学指标见图1和表1。其中，原状②淤泥平均层厚约8m。地下水位埋深1.0m 左右，补给主要来自大气降水和珠江水。该场地对基坑支护影响最大的土层是总厚约13m的吹填和原状软土。

南沙港区成陆设计理念是吹填约4.7m 厚疏浚土成陆，再铺设0.8m 中细砂、0.7m 中粗砂，插塑料排水板真空/堆载预压处理，预压沉降至接近铺面结构层底，预压卸载后基本无大面积外弃方或补填。

综合办公楼地下室一层，地下室面积约5000m2，二期地下室长宽约为73m×64m。基桩采用高强预应力管桩。地下室基坑开挖深度为3.5～4.5m，局部核心筒基坑深度约8.0m。

2 地基整体处理方案

南沙港区一期至四期各期吹填造地基面积为100～150万m2，地基处理方案以真空预压为主，局部区域采用堆载预压方案。地基处理过程中需将排水板打设至标准贯入度击数为5的土层顶部。地基处理预压时长一般为90～100d，对应的土体固结度达90%。基坑在大面积预压处理后施工，且有适当放坡的场地条件。基坑支护断面见图1（注：为方便阅读，图中标高按基坑顶±0.0m 起算，下同）。

预压后软土强度增长值计算[10]如下。

ΔCuk =Urzσzktgφcq， （1）

式中：ΔCuk 为强度增长值;Urz 为固结度;σzk 为附加应力;φcq为土体固快内摩擦角。

采用表1中处理前的固结快剪角φcq =16.8°，按南沙试验区总结，真空度为85kPa乘以0.9，估算强度增长值ΔCuk =90%×（0.9×85）×tg16.8°=20.8kPa。处理前原状土十字板强度9.5kPa，预测处理后总强度Cu 约为30kPa。卸载后检测的②淤泥质土十字板剪切强度Cu 为30～40kPa。理论计算值和实测值较为相符。

另外，由表1可见，处理前、后固结快剪强度参数有较明显不同。预压处理项目大多出现类似情况。

3 基坑支护方案

3.1 支护方案选型

根据场地工程地质、水文地质、环境条件和基坑开挖深度（3.5～4.5m），可以考虑3种支护方案。

1）放坡大开挖方案 按1∶5～1∶6坡率放坡大开挖，占用场地面积较大，对临近其他子项施工存在干扰。由于处理效果不均，一期办公楼基坑试挖过程中经常塌方和出现流沙，而且周围还有场地在堆载预压，试挖出来的基坑很快就被挤淤填没。因而，此方案实现难度大，二、三、四期没有再采用此方式试挖。

2）水泥搅拌桩重力式挡墙方案 该方案会比钢板桩方案造价高。结合广东省软土基坑经验，深度6m 内可以考虑此方案，再深则不经济且不安全。本项目软土先经预压处理，物理力学性能均有明显改善，基坑穩定性满足的条件下，变形可以得到有效控制，初判变形比钢板桩方案小很多。并且，场地内其他施工部位搅拌桩设备较多，设备进出场调配方便，可作为首选方案。实际上一期到四期工程的办公楼基坑均采用格型搅拌桩墙方案，只是各期基坑尺度有所不同引起墙体宽度、深度的差异。

3）悬臂钢板桩支护方案 由于办公楼基桩需在坑底施工，钢板桩方案只能考虑悬臂型式。穿过钢板桩加锚索的方式利于控制变形，但该方式不常见，对钢板桩造成损伤不利于回收。悬臂钢板桩方案造价和施工速度均有优势，可作为比选方案。

3.2 支护方案初步设计

由于浅层砂层厚度一般不小于1.5m，结合地下水位1.0m，考虑卸载0.75m 厚，以利于减少主动土压力。

搅拌桩桩径 600mm，28d原位抽芯无侧限抗压强度qu =1.0MPa。按1格格栅型式布置，内外肋墙均按双排桩，见图1。放坡后墙顶起算的基坑深度H =3.5m，嵌固深度按>1.2H 取4.5m、总桩长8m试算。按规范构造要求，墙体宽度B ≥0.8，H =2.8m，按桩位布置取3.3m。墙宽范围内的置换率m=74%，满足规范中对于软土不低于70%的要求。本项目先预压后开挖基坑。预压期为超载状态，同时基坑开挖又处于卸载状态。土体抗剪强度的计算采用固结快剪强度参数。

格栅内的土体面积A =a×b（见图1）计算需用到土体抗剪总强度。如果直接用快剪试验的黏聚力C 值而不考虑摩擦角φ，输入到理正基坑软件，可能导致搅拌桩的置换率偏大而造成浪费，需根据基坑深度范围内土体一半自重压力p 换算总强度τ=C+ptgφ。采用处理后的固结快剪指标换算总强度为

τ=13.9+（0.25×17+0.5×7+1×6.5）×

tg9.8°=16kPa;

格栅尺寸：a=2.25-0.6/2=1.925m，b=1.80-0.6/2=1.500m;

面积：A =a×b=2.925m2;

周长：u=2（a+b）=6.85m;

满足a/b<2，且满足

A ≤δτu/γm =0.5×16×6.85/16.5=3.32m2。

式中δ 为系数，γm 为格栅内土体天然重度。

水泥土墙弹性模量可采用压缩模量，其取值在各基坑规范中未明确，参照文献[11]建议取83.4qu 。

采用理正深基坑计算软件得到的各项结果满足规范要求。墙体最大拉应力0.1MPa，最大位移46mm（见图2），按文献[12]建议的三角形法计算的坑外地表沉降最大为57mm。由于桩底悬浮于软土层，桩底存在约8mm 位移，意味着支护结构有整体位移的趋势。

3.3 方案比选

1）不先行预压软基的搅拌桩墙方案

在不少建筑或市政基坑工程中，由于行业习惯不同，往往基于工期要求不事先采取预压处理软基，而对坑内外土体采取水泥系桩加固。这种做法支护费用较大，总体造价较高。

以图1断面的基坑、土层为例，不事先对软土进行排水预压处理，按原状软土参数设计。为确保整体稳定性，桩长需穿过软土层50cm 且需加强支护墙体（置换率m =92%），同时需采取坑内被动区土体加固形成底部闭环内圈梁支撑，才能保证墙体抗倾覆、抗滑移稳定、控制支护墙位移和墙体拉应力。加强断面见图3（限于篇幅，未列出计算结果）。

取基坑边长方向2.7m 段，对先预压和不预压处理地基2种情况的支护综合造价估算对比：①预压后支护桩30根、桩长8.5m;②不预压，支护桩46根、桩长13.8m，坑内加固桩30根、桩长3.0m。不预压而直接采用搅拌桩墙方案，每2.7m 段长增加搅拌桩470延米。③搅拌桩按80元/延米估算，不預压支护方案增加约3.8万元。而真空预压+插板约200元/m2，换算到2.7m 基坑边长、墙宽3.3m的90m2范围真空预压费约1.8万元，比不预压直接采用搅拌桩墙的方案减少约2万元，换算到基坑边长方向减少7400元/m。

由以上对比可见，先采取预压法进行软基加固，既可以整体处理地基，也节约基坑支护费用。市政、建筑行业中的软土基坑，往往直接采取局部坑内搅拌桩加固方案再行支护，在没有特殊工期要求且具备场地条件的情况下，可以考虑先行预压法处理软基。

2）钢板桩方案

预压处理后采用悬臂钢板桩方案，仍在坑顶卸载0.75m 厚。若采用9m 长桩方案抗倾覆系数为1.013，可判为临界安全;采用12m 长钢板桩抗倾覆系数为1.298>1.15，但桩顶位移达8cm，且由于钢板桩未穿透软土层，桩底存在约6mm 位移。悬臂钢板桩方案因位移过大而不可取。

4 计算参数和软件问题

4.1 理正基坑软件整体稳定计算问题

计算结果如图4所示，理正基坑软件计算的整体稳定系数K =1.709较大。为打消对计算结果的疑虑，采用Slope软件进行核算。搅拌桩桩体强度Cp =qu/6[11]，搅拌墙复合抗剪强度计算如下：

Csp =mCp +（1-m ）Cs，

tgφsp =mtgφp +（1-m ）tgφs，

式中：Csp ，φsp 为复合土层的黏聚力和内摩擦角;Cp ，φp 为水泥搅拌桩的黏聚力和内摩擦角，φp =0;Cs，φs为被加固土层的黏聚力和内摩擦角。

采用Slope 软件计算的整体稳定系数K =1.380，比理正基坑算的小不少。根据其他项目的计算，特别是基坑临近有较大荷载的情况，需采用其他软件平行验算理正基坑软件整体稳定计算结果的可靠性，否则可能存在较大隐患。

4.2 强度参数在基坑计算中的不同作用

对搅拌桩墙和钢板桩方案，采用处理前和处理后的固结快剪、十字板剪切强度分别进行对比计算，结果见图5、表2和表3。

从图表结果可以看出：

1）总的来说，φ=0时主动荷载、被动抗力分布都向支护桩底部靠近（见图5）。采用总强度（φ=0）计算，按朗肯理论计算存在明显受拉区，导致基坑深度（临空段）主动荷载小，这也导致支护结构位移和弯矩明显小。

2）采用总强度（φ=0）计算，2种方案的位移都比采用固结快剪强度计算的小1/3～1/2，从后面的实测数据对照来看，采用总强度计算的位移偏小;同时，钢板桩方案的弯矩小1/2以上。

3）采用总强度（φ=0）计算，主动荷载、被动抗力分布都向支护桩底部靠近，主动土压力的力臂明显缩短、被动土压力的力臂变化不明显，导致抗倾覆稳定系数大。

4）采用十字板总强度（φ=0）计算，抗隆起安全系数明显比采用φ>0的剪切试验参数小。

规范计算抗隆起承载力公式为Prandtl（普朗德尔）极限平衡理论解，假定地基土容重为0，即忽略支护结构底端以下滑动区内土的重力对隆起的抵抗作用，公式如式（2）所示[1]。

γm2LdNq +cNcγm1（h +Ld ）+q0 ≥Kb， （2）

Nq =tg2 45°+φ2？è ？？？ ÷eπtgφ ，Nc =（Nq -1）/tgφ，ì？í ？？？？ （3

式中：Nc，Nq 为承载力系数;h，Ld ，分别为基坑深度和嵌固深度;γm1，γm2分别为坑外、坑内挡土构件底面以上土的加权平均有效重度;q0 为地面均载;Kb为稳定系数。对应部分φ 角的计算结果[13-14]如表4所示。从表4可以看出，φ>0后，承载力系数Nc，Nq都比φ=0时的系数值大，土体内摩擦角φ起主要作用。

下面举例计算查看黏聚力C、内摩擦角φ 在抗隆起承载力计算中的影响。假定陆相软土（含砂）基坑深度h=6m，嵌固深度Ld =12m，软土C=8kPa，φ=5°，均按水下取土体容重γ=6.5kN/m3。取支护桩底换算土体总强度为，Cu =8+12×6.5×tg5°=15kPa。假定q0=0，式（2）的分母项=117kPa。则

C=8kPa，φ=5°时，Kb=1.48>1.4，

Cu =15kPa，φ=0°时，Kb=1.32<1.4。

从这个简单算例看，φ=0法导致不满足规范要求。实际上软土基坑支护桩嵌固深度达到基坑深度的2倍（嵌固比达到1∶2）基本上是安全的。

理论上讲，无论采用哪一种试验方法获取抗剪强度参数，最终计算的总强度值是唯一的，从而对同一种稳定性计算的结果应该是相同的。但现有的土压力、承载力、整体稳定、弹性地基梁等理论，分别从不同角度研究地基或桩土共同作用，各种理论的假定条件未必协调，导致强度参数C，φ 在整体稳定、抗隆起、抗倾覆等各项不同计算中，其主导地位会发生变化。另外，由于取土试验和数据分析误差、强度理论不完善，也导致C，φ 取值不合理。这个问题在排桩支护设计中长期存在，目前的土力学和基坑计算理论尚不能解决。实际工程中，对各项计算不宜全部采用φ=0°法，否则可能造成较大浪费。

5 实施效果

5.1 监测结果

对应图1的方案，在搅拌桩墙顶（墙宽中点）布设12个水平位移测点，断面方向距离坑内边线向外5.5m 和11.5m 各设1个地面沉降测点共14组。基坑长边中部典型测点监测结果见图6和图7。

从全部测点监测结果看，基坑长边中部的位移和沉降最大，与通常的判断规律相同。

测得的桩顶位移一般不超过40mm，如S6点为38.4mm;对侧点S12为47.5mm，该点部位存在因局部构筑物需要的超挖。距离坑边5.5 m 和11.5m的坑外地表沉降分别为21mm 和14.1mm，坑外地表沉降范围超过基坑深度2倍，预计可影响到3倍基坑深度范围。桩顶位移实测值和计算值接近;但坑外地表沉降计算值偏大，目前坑外地表沉降往往采用经验方法。

桩顶位移和坑外地表沉降曲线总体上出现2个大台阶，与大体分2层开挖的施工进展一致。分层开挖的变形量与最终变形量的比值，与分层开挖厚度与最终开挖厚度的比值大体相同。

从观测曲线看，变形一般在1～2周内趋于稳定。关于基坑隆起、支护结构变形随时间的变化关系，目前研究不多。本文案例实测结果可供科研人员参考。

5.2 与往期建设成果比较

在早期的南沙港区一期工程中，实际施工中还采用了图8的型式。

基坑侧肋墙采用双排桩、外侧肋墙采用单排桩。一般规范手册均建议双排桩肋墙，理正基坑软件也不支持这种型式的计算。南沙港区三期办公楼基坑，基坑总深度6.45m，坑顶放坡高1.3m。采用了直径70cm 的双轴搅拌桩，布桩形式见图9。四期办公楼基坑深度及支护方案与二期相似。除一期工程方案过于节约导致施工期隆起变形较大外，其余三期工程实施情况良好。

6 结 语

本文依托南沙港陆域软土基坑，对软土地基处理与基坑支护综合方案开展比选与设计，用于判断工程方案的适用性与工程造价的合理性，主要结论如下。

1）软土地区基坑，宜考虑软基整体处理和基坑支护综合方案。先行整体软基加固，既可以整体处理地基，也节约基坑支护费用，并利于控制后续基坑开挖支护结构和地基变形。对于深度6m 内的房建基坑，场地空旷条件下，可考虑先对软基采取排水预压加固，之后采取搅拌桩墙支护。

2）在土体指标选取方面，搅拌桩墙格栅内的土体抗力计算需采用土体抗剪总强度。仅采用黏聚力而不考虑摩擦角将导致布桩过密。在钢板桩、灌注桩等支护设计中，不宜仅采用总强度参数验算抗隆起稳定性，否则可能导致计算结果偏小较多，造成设计浪费。

在后续研究中，对于基坑整体稳定性计算，特别是基坑临近有较大荷载的情况时，需采用基于专业岩土力学的计算软件对理正基坑软件结果进行平行校核，来提高分析结论的可靠性。

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