复杂环境软土基坑支护设计与应用研究

郑 稳

(福建省建设工程质量安全总站 福建福州 350000)

0 引言

随着城市快速发展和城市土地资源的日益紧张，越来越多的“老破小”建筑物被拆除，在原址上新建高层建筑，致使大量基坑孕育而生[1-3]。与传统基坑相比，现有基坑地处市中心，周边已经存在大量建筑，施工场地受限。同时，在拆除建筑原址施工基坑，受原建筑工程地质、遗留管桩等的影响，无疑给基坑的施工增加了难度和风险。为此，寻求一种适应现有复杂环境软土下基坑开挖的支护技术，对城市未来建筑的健康良性发展具有突出意义。

本文以福州某基坑为研究背景。首先，通过对比分析现有基坑开挖支护方法的优缺点，确定适合本工程背景的最优支护方法，进行相应优化设计；其次，利用有限元，对所设计的支护方案进行可行性分析；最后，结合施工现场监测结果，对所提基坑开挖支护方式的可行性和适用性进行论证分析，为后续同类型基坑的开挖提供借鉴与参考。

1 工程背景

福州某地块位于福州市鼓楼区工业路东侧，与西禅寺隔路相望。本工程±0.00为罗零8.10 m，现有地面标高约处罗零6.90 m，设有三层地下室，开挖深度约12.5 m。场地东侧为在建的融信澜郡小区，北侧和南侧均为规划路。场地土自上而下依次为：杂填土→粉质粘土→淤泥→粉(砂)质粘土→淤泥质土→粉质粘土→残积砂质粘性土→全风化岩→砂土状强风化岩→碎裂状强风化岩→中风化岩，软基特性明显且复杂。同时，场地基坑开挖范围内存在地下水，水位变幅1 m～1.5 m，东侧为福州市内河。这些都将使基坑内部土体的物理特性发生改变，增大安全风险。

该场地周边建筑物众多，极大压缩了基坑开挖的作业空间。基坑开挖过程中，支护的好坏，将直接影响周边建筑的使用安全。同时，场地为“老破小”小区拆迁所得，虽然上部结构已经拆除，但下部结构尚未进行相关处置，因而场地内分布大量原建筑的桩基础。通过现场调研和查阅相关图纸可知，原建筑散布桩基础的深度，大约与本工程基坑开挖深度基本相同，进一步增大了基坑施工的难度，影响着新建筑桩基、支护结构桩基的施工进程。

2 支护结构方案比选及设计

2.1 支护结构比选

鉴于本工程场地工程地质和施工作业环境的特殊性，以及施工工期的相关要求，该基坑开挖过程需要满足以下条件：

(1)需在场地有限空间范围内，尽可能提供较大的基坑开挖和后期桩基础施工作业面，确保按照业主的施工进度要求，保证主楼的施工进度不受基坑支护结构的影响，使主楼尽快先出地面；

(2)为减少基坑开挖工期和基坑暴露时间，先不处理原建筑散布的桩基础，待基坑开挖过程中，视桩长情况进行清理；

(3)本工程的桩基，需在基坑开挖至设计深度后再进行施工。

常用的支护结构形式有SMW工法[4]、钢板桩法[5]、地下连续墙法[6]和钻孔灌注桩法[7]。SMW工法和钢板桩法的刚度小，需设置多道水平支撑。且本工程场地风化岩面变化大，埋深浅，因而SMW工法和钢板桩法均不宜采用；地下连续墙法虽然能满足本工程支护要求，但造价较高，工期较长，对本工程而言，不是理想的支护方式；钻孔灌注桩法桩身刚度大，可根据不同地质条件选择不同的桩径，从而适应不同的地质条件。

考虑到上述四种支护方式的优缺点，结合本工程特殊场地条件与工程地质条件，本工程宜采用钻孔灌注桩法。

2.2 优化设计原则

由于本工程先开挖基坑，再进行主体结构的桩基施工，因此需要最大限度地保证地下施工平面及后期桩基施工机械的净空要求。结合本工程地下结构物特点为三层地下室，开挖深度达12.5 m，而桩基础施工机械通常要求10 m净高。因此，本工程场地基坑开挖过程采用的支护方式，需能够尽量保证支撑结构不会占用基坑上方空间。

综上，本工程基坑支护采用钢筋混凝土内撑式排桩支护结构。由于本工程场地条件特殊，同时业主对工期有特殊的要求，需对本工程的支护体系进行优化，所采用的支护体系应具有以下两方面特点：

(1)最大化立面空间作用面。减少钢筋混凝土圈梁的道数。本工程支护体系支撑仅采用一道钢筋混凝土圈梁；

(2)最大化平面空间作业面。结合业主工期要求，确保主楼先出地面且不受支护体系的影响，即保证支护体系中的混凝土结构体系不会占用主楼的平面位置。从受力最优、平面空间最大原则出发，钢筋混凝土圈梁结构形式采用圆形形式，保证圈梁内部支撑、节点尽量稀疏。

2.3 基坑设计方案

基坑圈梁和环梁布置见图1，施工现场照片见图2。围护桩采用钻孔灌注桩。围护桩与围护桩之间的外侧均采用双重管高压旋喷桩挡土止水。支撑柱采用格构式钢柱与钻孔灌注桩形成组合桩。以碎裂状强风化花岗岩为持力层，桩端需进入持力层的深度不少于5.0 m。

图1 基坑支护方案

图2 现场照片

由于基坑东侧有软土淤泥较厚、土压力较大，且周边有新建高层住宅小区，基坑发生失稳坍塌的风险较高，因此基坑东侧钻孔灌注桩采用φ1100 mm桩径，桩中心距采用1400 mm。其余位置钻孔灌注桩采用φ900 mm桩径，桩中心距采用1200 mm。围护桩与围护桩之间的外侧均采用φ600 mm桩径的双重管高压旋喷桩，进行挡土止水。

由于本工程基坑场地部分区域裸露，且该地层工程地质多为残积土，遇水容易松软，失去承载能力，同时可能出现流泥、流沙等，造成基坑底部承载能力丧失。为了降低基坑发生水毁的风险，进行基坑降排水设计优化。杂填土的上层滞水水量有限，可采用明排疏干。针对残积土及风化岩存在的裂隙承压水，易使基坑开挖时残积土及风化岩遇水发生软化。为确保基坑土方开挖干作业进行，在基坑内部及周边布置降水管井以降低承压水头。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

为了减小基坑开挖过程中出现安全事故，同时为了更为准确地掌握本文优化设计的复杂环境软土基坑开挖支护方式的变形规律和受力特性，采用专业有限元软件MIDAS GTS NX，对本工程基坑开挖进行有限元分析，有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

支护结构中的圈梁、环梁、支撑柱等，均采用足尺进行几何模型的建立。土体范围的确定以减少土体边界条件对有限元分析结果影响为原则，因而有限元整体几何尺寸为450 m×350 m；土体最大深度位置宜距离桩底长度应大于桩径的3倍以上，因而有限元模型高度取150 m。

支护结构中的圈梁、环梁、支撑柱，以及开挖土体和周边土体均采用六面体单元，采用滑动库仑摩擦模型模拟支护结构与土体的接触方式。在保证计算精度和分析结果具有代表性的前提下，进行网格分区域划分，支护结构和土体相交范围内采用精细网格，其它非重点关注位置采用稀疏网格。

支护结构中圈梁、环梁、支撑柱的混凝土本构关系，采用Drucker-Prager模型，本构模型的详细参数按《混凝土结构设计规范》[8]确定。由文献[9]可知，土体由于具有多元性和复杂性，使得本构关系异常复杂。对于本文而言，研究的重点是确定支护结构的合理性，因而本文根据文献[9]的相关简化方法，对土体本构进行相应简化，采用弹塑性土体本构模型和Mohr-Coulomb屈服准则模拟土体应力-应变相关关系。土体本构相关参数取值根据本工程地质勘察报告进行确定，如表1所示。

表1 土层计算参数

有限元分析模型的边界条件，采用土体四周约束水平方向位移，土体底部约束三维方向位移。圈梁与围护桩、圈梁与支撑柱等之间的接触，采用命令“Tie”进行绑定。初始条件考虑结构自身的重量和边界条件。

3.2 分析结果

图4给出了最不利工况下，基坑周边土体位移云图。由图可见，基坑开挖完成后，土体坡顶水平方向和竖直方向位移达到最大，分别为28.4 mm和28.5 mm。由于两侧工程地质和围护桩的尺寸存在差异，因而土体变形呈现出不对称。基坑开挖完成后，越接近基坑中心，基坑周边土体沉降越大。此外，由图4(c)可以看出，基坑底部土体回弹不明显，说明本文提出的复杂环境软土基坑开挖支护能够较好地约束基坑周边土体。

(a)水平(X方向)

(b)水平(Y方向)

(c)竖向(Z方向)图4 土体位移云图(单位：mm)

分析表明，最不利工况下，圈梁和环梁所受最大拉应力和压应力分别为1.1 MPa和12.4 MPa，均小于文献[8]规定的设计抗拉强度(2.20 MPa)和设计抗压强度(16.7 MPa)。除较少部分因为施工方便造成的几何变化而引起的应力集中外，圈梁和环梁应力分布较为均匀。可见，本文提出的复杂环境软土基坑开挖支护体系中的圈梁和环梁，具有良好的受力性能。

此外，通过有限元分析还得出，最不利工况下，围护结构最大水平位移发生在基坑底部附近，为28.8 mm，支撑撑立柱最大沉降为19.8 mm。

4 基坑开挖监测结果分析

本工程基坑场地地处复杂软土地基，周边土体水系发达，周边建筑物众多，因而基坑开挖过程中，对周边土体的变形控制的好坏，直接影响周边建筑物的使用功能，同时也事关基坑开挖安全。此外，本工程基坑开挖支护采用钢筋混凝土内撑式排桩支护，仅在基坑顶部布设一道的横向框梁支撑，而且地下室桩基施工采用逆作法，先开挖再施工桩基，增加了基坑暴露的周期。为了保证本工程场地基坑开挖的安全性，同时也为了验证本文所提基坑开挖支护结构的有效性与适用性，项目在基坑开挖过程中，对周边土体、支护体系和周边建筑物进行监测和分析。

根据本工程场地的工程地质和基坑开挖支护方式，基坑开挖过程中的主要监测对象和内容包括：①土体深层水平位移(测斜)监测；②基坑坡顶水平位移和沉降监测；③支撑立柱沉降监测；④周边建筑沉降监测。

图5给出了工程基坑开挖过程中，周边土体深层水平位移累计的最大位移。由图可见，土体深层水平位移累计最大位移范围为18.35 mm～30.73 mm，其中最大值30.73 mm(小于设计预警值45 mm)，满足规范要求。图6为累计位移最大值所在测点的土体深层位移监测结果。可见土体开挖完成后，该测点变形速率逐渐减小并趋于稳定。由此可见，采用支护对本工程土体变形进行约束。具有良好的可靠度。

此外，基坑坡顶累计水平位移和沉降位移分别为12.51 mm～29.40 mm和28.61 mm～29.99 mm，小于设计预警值30 mm。虽然基坑坡顶累计水平位移和沉降位移逼近设计值，但是土体开挖完成后，变形速率逐渐减小并趋于稳定，支护结构处于安全使用状态。基坑坡顶变形实测与有限元计算结果误差为5.2%，实测大于有限元结果的原因，主要是基坑开挖过程中，坑边可能存在堆载情况，这也是基坑坡顶变形逼近设计值的重要因素之一。

基坑开挖及地下室开挖期间，对场地东侧2座小区住宅楼及西北侧售楼部进行了沉降监测。结果表明，各建筑累计沉降小，在规范允许范围内。同时，同一建筑物不同沉降监测点所得结果基本相等，差值不超过15.5%。说明基坑开挖过程中，周边建筑整体均匀沉降，不存在倾覆倒塌的风险。

图5 土体深层位移监测结果

图6 最大位移测点土体深层位移监测结果

5 结论

(1)基于本工程特殊工程地质和施工环境，以及业主对施工工期和施工进度的特殊要求，提出并设计适合复杂环境软土基坑开挖的支护方法，既能优化施工工序、缩短工期，又能保证基坑开挖安全，可为后续其它同类型基坑工程提供借鉴和参考。

(2)有限元分析结果与实测结果较为接近，说明采用本文所建立有限元模型进行基坑开挖过程模拟的可行性。

(3)通过有限元和现场监测结果表明，验证了所提出的复杂环境软土基坑开挖的支护方法，能够有效控制基坑开挖过程中土体的变形，同时支护体系中的围护桩、圈梁和环梁等的受力性能满足规范要求，具有较好的适用性。