加固体“暗撑”在软土深大基坑工程中的应用

2023-08-23朱浦栋

岩土工程技术 2023年4期

权威朱浦栋

（中南勘察基础工程有限公司，湖北武汉 430080）

0 引言

我国城市地下空间开发的规模逐渐加大，城市深基坑工程日益增多。对于含深厚淤泥的基坑工程，开挖过程中支护结构变形较大是基坑支护关注的首要问题，研究表明[1-4]，对于含深厚软土的基坑，对基坑被动区加固能显著改善支护结构的受力及变形，而搅拌桩作为主要方法之一[5-6]，在基坑工程中得到了普遍应用。

众多学者对被动区加固的变形控制效果进行了分析，马海龙等[7]、秦爱芳等[8]、屈若枫等[9]研究了被动区深度和宽度对支护体系受力与变形的作用，且给出了合理的建议值；侯新宇等[10]总结了加固体对超大深基坑的作用，最终显示，搅拌桩加固能减小27%的支护结构变形，且能明显抑制坑底隆起；郑俊杰等[11]、熊春宝等[12]针对不同的被动区形式进行了研究，得到了不同加固方式的加固效果并给出工程意见。但多数研究重点关注加固深度和宽度以及加固方式带来的影响，未综合考虑加固体宽度与基坑尺寸存在明显空间效应时被动区加固体的效果。

以武汉白沙洲长江大桥西侧老关村K3 地块基坑工程为例，基于二维数值模拟，介绍搅拌桩加固体作为“暗撑”结构在基坑工程中的应用。不同于常规被动区加固结构作用长度有限，大型狭长型基坑的搅拌桩直接从基坑支护桩的一侧通向基坑的另一侧支护桩，形成基底以下具有一定强度的连续水泥土墙，提高了支护结构的被动区抗力，类似一道看不见的支撑。实践证明，该方法可以弥补深厚软土基坑土方挖运困难、支撑结构层数过多、被动区抗力过小等不足，充分发挥搅拌桩加固的优点，丰富了长江Ⅰ级阶地上的基坑支护方法，具有一定借鉴意义。

1 基坑工程概况及特点

1.1 工程概况

老关村K3 地块位于武汉市汉阳区长江路老关村，项目含2 栋34～40 层办公楼，5 栋45～55 层住宅楼、3 层裙房及整体2 层地下室。基础形式为桩筏板基础，持力层落于中等风化岩。

基坑开挖面积约45600 m2，周长约1300 m，东西向宽度144 m，南北向长度572 m。主体结构±0.000=+26.650 m，基坑分为机械车位区域和普通车位区域，机械车位区域基坑普挖标高-12.750 m，电梯坑中坑标高-15.150～-18.950 m；普通车位区域基坑普挖标高-10.150 m，电梯坑中坑标高-12.550 m。场地东南角地势高，整个场地整平标高+23.500～+25.500 m。基坑深度7.00～11.60 m，基坑安全性等级为一级。基坑周边环境图及监测点平面布置图见图1。

图1 基坑周边环境及监测点平面布置图

1.2 工程特点

（1）基坑大

基坑开挖面积45600 m2，周长约1300 m，深度7.00～11.60 m，属深大基坑。

（2）基坑周边环境紧张

基坑西侧临杨泗港货运铁路专线，本项目剪力墙与铁轨最近处3.7 m；东侧临长江80 m 堤防保护线，南侧临天然基础砖混民房，铁路及砖混民房对于基坑引起的地面沉降较为敏感。

（3）深厚软弱土层

项目地处长江左岸Ⅰ级阶地，支护坑壁范围内存在平均厚度约14 m 的淤泥质粉质黏土层，深厚软土孔隙比大，含水量高，灵敏度高，抗剪强度低，工程性质差。

（4）施工工期紧，施工组织考验大

项目位于长江防洪控制区，紧贴堤防保护线，基坑施工与开挖需考虑长江丰水期停工对整体工期安排的影响。

（5）土方挖运量大，挖运困难

因基坑面积大，深度深，坑底土质软弱，土方外运工程量大，且基坑整体为狭长型，不便于设置下坑坡道，从而造成土方挖运困难。

2 场区环境地质条件

场地地貌单元为长江左岸Ⅰ级阶地。各土层的参数见表1 及典型土层剖面见图2。

表1 土层物理力学参数表

图2 典型地质剖面图

根据埋藏条件、地下水动力特征，地下水类型主要分三类：上层滞水、孔隙承压水、基岩裂隙水。

上层滞水无统一自由水面，水量不大；孔隙承压水主要赋存于中部的互层及圆砾层中，富水性较强，接受地下径流侧向补给，与长江水有一定的水力联系，该承压水的水头高程约为地面下3 m。基岩裂隙水赋存于下部粉砂质泥岩的裂隙中，按其埋藏条件属弱承压水，对基坑开挖影响较小。

3 支护结构设计

3.1 基坑支护方案

本基坑周边环境条件及工程地质条件复杂，基坑设计方案的关注点在于对西侧杨泗港铁路的保护，以及长江丰水期时政策要求停工对于整体项目工期的影响。

根据《普速铁路线路修理规则》，线路轨道静态几何不平顺容许偏差管理值（V≤80 km/h“计划维修”）中轨距、水平、高低容许变化值在6 mm 以内。鉴于此种情况，基坑支护总体方案可考虑明挖顺做（钻孔灌注桩+一道混凝土内支撑+被动区加固支护体系）。同时基坑根据建设方的整个施工规划安排分成两期施工，一期为南侧的23#-27#住宅楼，二期为北侧的21#-22#商业楼。基坑围护平面图及各区段灌注桩设置情况见图3 和表2。

表2 不同区段开挖深度与支护桩型号统计表

图3 基坑支护平面图

3.2 搅拌桩加固体“暗撑”的设计

根据湖北省地标《建筑地基基础技术规范》（DB 42-242-2014）中第10.1.1.12 条要求：“采用灌注桩的高度超过50 m 的高层建筑，当承台下存在厚度大于2 m 的淤泥或fak＜60 kPa 饱和软土时，应对承台下和承台间软土进行加固或换填处理。承台间和承台下可采用搅拌桩格构式加固，承台下处理深度不用小于2 m，加固范围为承台周边外不少于1 m”。本项目主楼筏板底需进行搅拌桩加固处理，结合基坑空间形状呈狭长型的特殊性，被动区加固与主楼加固近乎相连。出于对软土基坑开挖的安全性把控以及项目工期的严格要求，通过再次增设加固体，被动区加固协同主楼筏板加固、坑中坑高差加固等共同形成以主楼为核心，基坑东西向连通的地下加固“暗撑”受力体系，在增加被动区抗力的同时，有效降低支护结构变形，减小桩径，降低配筋率，形成上部混凝土支撑+下部搅拌桩“暗撑”的联合支撑体系。搅拌桩采用粉喷桩支护，桩径500 mm@400 mm×400 mm，实桩部分水泥掺入量15%，空孔部分水泥掺入量7%。见图4-图6。

图4 基坑加固体平面图

图5 普通区域基坑典型剖面图（单位：mm）

图6 加固体暗撑区域典型剖面图（单位：mm）

4 有限元计算分析

4.1 有限元模型

采用MIDAS GTS 软件建立了不同桩径（D=0.8～1.7 m）下不采用“暗撑”和采用“暗撑”的有限元模型，对“暗撑”的加固效果进行分析。所选剖面为临近铁路，变形监测最大的区域，即图1 中监测点CX25 所对应的位置。

不同分析工况下有限元模型如图7 所示，土体采用修正莫尔-库仑模型，支护结构采用理想弹塑性本构模型[13-15]。土层及支护结构参数见表1。

图7 有限元模型

4.2 有限元对比计算结果分析

不加固（坑底不做处理）时的支护桩水平方向变形及受力如图8 所示，被动区加固时支护桩水平方向变形及受力如图9 所示，施加“暗撑”时支护桩水平方向变形及受力如图10 所示，不同工况下支护桩最大水平位移及最大弯矩对比如图11 和12 所示。

图8 坑底未加固时支护桩的水平位移及弯矩图（D=1.1 m）

图9 被动区加固时支护桩的水平位移及弯矩图（D=1.1 m）

图10 暗撑加固时支护桩的水平位移及弯矩图（D=1.1 m）

图11 支护结构最大水平位移

由图8-图12 可以看出：基坑坑底被动区施加 “暗撑”相比于被动区加固，相比不施加“暗撑”，可以有效减小支护桩的水平位移和弯矩，且随支护桩径的变大，支护桩的水平位移逐渐减小，弯矩逐渐变大。当被动区不加固时，桩径1.1 m 对应的最大水平位移为15.5 mm，最大弯矩为1040.8 kN·m；被动区加固时，桩径1.1 m 对应的最大水平位移为8.57 mm，最大弯矩为609.3 kN·m；施加“暗撑”时，桩径1.1 m 对应的最大水平位移为5.24 mm，最大弯矩为534.8 kN·m。在位移控制相当的情况下，施加“暗撑”比被动区加固和不加固所需的桩径及弯矩都要小，因此在基坑坑底施加“暗撑”可以有效减小支护桩的直径和配筋率。

图12 支护结构最大弯矩

5 基坑监测

5.1 监测点项目及布设原则

（1）沿基坑周边每隔20 m 设置一处水平和竖向位移监测点，铁路处沿基坑边方向全长加密布置。

（2）沿基坑周边每隔25 m，特别中部、阳角及代表性的部位设置围护桩深层水平位移监测点。

（3）支撑轴力监测，布置在支撑长度的1/3 处，每种支撑截面不少于3 个。

（4）道路沉降监测点，沿基坑边道路每隔25 m布置一监测点。

现场施工见图13。

图13 现场施工图片

5.2 监测结果

图14、图15、图16 展示基坑开挖至设计基底标高时，铁路处水平变形和沉降实测结果以及围护结构深层水平位移变形实测结果。结果表明：铁路侧沉降量最大为D25 监测点，最大值为4.86 mm；铁路侧水平变形量为D25 监测点，最大值为4.50 mm；支护桩深层水平位移最大为CX18 监测点，最大为8.15 mm。由图可知，桩撑结构在基坑运行过程中，能够很好地控制水平位移。基坑围护结构的水平位移趋势与设计计算变形趋势一致，变形曲线整体趋势为“上下小，中部大”。基坑监测结果均没有达到设计提出的预警值，基坑处于安全状态，且监测数据均满足相关规范要求。