建筑项目软弱地基施工技术探究

邵玄昊 （中铁十六局集团第四工程有限公司，北京 101400）

由于软弱土层地基的压缩系数、压缩模量、承载能力等力学性能特征均较差，所以在对软弱土层地基开展施工时，基坑发生失稳、滑坡甚至塌陷的风险就特别高[1]。对于软弱土层地基的处理大多采用换填方式，但是软弱土体在进行机械挖掘、换填的过程中也非常容易发生滑坡塌陷等事故。因此，专门就建筑项目面临的软弱土层地基开展改良加固施工技术探究，是具有一定理论创新意义和实践创新价值的。

1 案例工程项目地质条件

位于我国云南省昆明市的某新建污水泵站项目，其污水泵站修建区域范围内的土体经地质勘查和实验室试验得出如表1所示的土层特征和力学特征。

表1 土层特征及土体力学特征

根据表1中的数据可以看出，案例项目地基修建区域范围内土体性质较为复杂，且各类土体的密度ρ、压缩系数α、压缩模量E、承载力特征值fak均较低。利用实验室对土体进行天然快剪标准试验、固结快剪标准试验和三轴直剪标准试验，得出的承载力试验值也相对较低，由此可以判断该项目修建区域范围内的地基为典型的软弱土层地基，地基施工期间存在比较大的质量安全风险隐患。

2 案例项目软弱地基改良加固的技术关键

针对案例项目面对的软弱地基，为了保证顺利施工且保证质量、安全，就需要在整个地基施工期间确保基坑底部以及基坑四周土体的稳定。

根据土力学的有关原理，建筑项目软弱土层地基在开展深基坑施工作业期间，基坑顶部土体受到的地面活荷载σ1、基坑侧壁土体受到的外土压力σ2以及深基坑底部土体受到的摩擦阻力σ3，其力学平衡关系式如公式（1）所示[2]。

式中σ1表示软弱土层地基深基坑四周顶部土体受到的地面活荷载，kPa；σ2表示软弱土层地基深基坑四周侧壁土体受到的外土压力，kPa；σ3表示软弱土层地基深基坑底部土体受到的摩擦阻力，kN；a1表示软弱土层地基深基坑顶部的土体力学系数；a2表示软弱土层地基深基坑四周侧壁的土体力学系数；e1表示软弱土层地基深基坑底部土体的粘聚力系数；e2表示软弱土层地基深基坑四周侧壁土体的粘聚力系数；e3表示软弱土层地基深基坑底部土体的粘聚力系数，a1、a2、e1、e2、e3等系数数值一般均由实验室试验获取；e表述指数函数；G表示软弱土层地基深基坑底部土体承受的建筑构件荷载，kPa[3]。

此外，为了保障软弱土层地基深基坑及其地基基础的施工安全，深基坑顶部土体受到的地面活荷载σ1、深基坑四周侧壁土体受到的外土压力σ2以及深基坑底部土体受到的摩擦阻力σ3还需要满足式（2）所示的力学函数关系式。

式中φ表示土体内摩擦角，°；C表示土体粘聚力，kPa。

当且仅当软弱土层地基深基坑顶部土体受到的地面活荷载σ1、深基坑四周侧壁土体受到的外土压力σ2、深基坑底部土体受到的摩擦阻力σ3满足式（2）所示的应力平衡关系式时，基坑才能保持安全、稳定[4]。

3 案例项目工程施工技术组织方案

依据案例项目所面临的不良地质条件，原设计施工技术方案拟采用沉井法，沉井施工前需在沉井外围采用单管高压旋喷桩作为止水帷幕，桩径0.6m，桩长15m，共设置2排，间距0.4m，在圆周方向每隔5°设置一根。沉井和单管高压旋喷桩止水帷幕施工布置图如图1所示。

图1 高压旋喷桩止水帷幕布置示意图

根据图1可以看出，沉井直径为6000mm，井壁厚度为600mm，通过查阅原设计技术方案可知，沉井采用钢筋混凝土结构，井身混凝土强度等级为C30，井身纵向受力主筋分别采用直径18mm 和22mm 的HRB400 钢筋，上述两种钢筋隔一布一，布设间距为200mm；井身箍筋采用直径12mm 的HRB400 钢筋，布设间距为150mm。单管高压旋喷桩为钢筋混凝土实心桩，每根单管高压旋喷桩的桩身纵向受力主筋为直径20mm 的HRB400 钢筋，布设间距为200mm；每根单管高压旋喷桩的桩身箍筋为直径8mm 的HRB300 钢筋，布设间距为150mm。

4 案例项目软弱地基施工技术方案仿真验证原理

为了全力确保施工安全和施工质量，采用有限元计算分析法对工程组织施工技术组织方案进行建模仿真验证。所谓有限元计算分析法，其原理如图2所示。在对软弱土层土体开展土石方挖掘、单管高压旋喷桩止水帷幕以及沉井施工时，可将基坑底部土体、基坑四周土体以及单管高压旋喷桩止水帷幕视为一种均匀同质的弹性体，而后有限元计算分析软件基于单元分割的方式将此均匀同质弹性体划分为无数个规格一致、大小一致、且尺寸体积尽可能小的均匀矩形体单元（长度2a、宽度2b、厚度t），以该矩形单元的中心点o作为原点建立平面x,y坐标系，则矩形单元内任一无量纲坐标（ζ，η）=（x/a，y/b）[5]。u1、u2、u3、u4分别表示软弱土层矩形单元体在某一位置处受到的横向约束；v1、v2、v3、v4分别表示软弱土层矩形单元体在某一位置处受到的纵向约束[6]。

图2 有限单元法示意图

采用有限元建模软件，按照表1、公式（1）、公式（2）以及施工技术组织方案进行三维建模，通过计算施工期间任意时刻每一个矩形单元体的受力情况，进而汇总计算施工期间任意时刻整个地基深基坑的受力情况，并判断在对应的施工技术组织方案下软弱土层地基施工是否满足式（2）所示的力学平衡关系，若满足则表明施工技术组织方案可行；若不满足则表明施工技术组织方案不可行[7]。

5 案例项目软弱地基施工技术方案仿真验证

首先，经过实验室试验检测，案例项目地基施工区域范围内各个土层的顶部土体力学系数a1、四周侧壁土体力学系数a2、底部土体粘聚力系数e1、四周侧壁土体粘聚力系数e2、底部土体粘聚力系数e3数值如下：

利用ANSYS 有限元建模分析计算软件建模分析，得出以下结果：

（1）施工期间地面活荷载：基坑开挖深度为±0.00m至-4.00m 时地面活荷载值为8.11kPa；基坑开挖深度为-4.00m至-4.80m时地面活荷载值为7.29kPa；基坑开挖深度为-4.80m至-8.50m时地面活荷载值为8.70kPa；基坑开挖深度为-8.50m 及以下时地面活荷载值为8.11kPa。

（2）沉井自重=井壁自重+底板自重=3390.093kN+467.587kN=3857.68kN。

（3）施工期间外土压力：未降水开挖时设计基坑顶端外土压力为0kPa；地下水降至-3.00m 时基坑顶端外土压力为41.35kPa；地下水降至-11.20m时基坑顶端外土压力为91.00kPa。

（4）施工期间摩擦阻力：基坑开挖深度为±0.00m至-4.00m时地面活荷载值为678.584kN；基坑开挖深度为-4.00m至-4.80m时地面活荷载值为859.540kN；基坑开挖深度为-4.80m 至-8.50m 时地面活荷载值为1804.235kN；基坑开挖深度为-8.50m 及以下时地面活荷载值为3171.471kN。

（5）施工期间土体内摩擦角：基坑开挖深度为±0.00m～-4.00m 时土体内摩擦角平均值为6°；基坑开挖深度为-4.00m～-4.80m 时土体内摩擦角平均值为9°；基坑开挖深度为-4.80m～-8.50m时土体内摩擦角平均值为4°；基坑开挖深度为-8.50m 及以下时土体内摩擦角平均值为6°。

（6）施工期间土体粘聚力：基坑开挖深度为±0.00m至-4.00m 时土体粘聚力平均值为36.92kPa；基坑开挖深度为-4.00m 至-4.80m 时土体粘聚力平均值为41.75kPa；基坑开挖深度为-4.80m 至-8.50m 时土体粘聚力平均值为45.33kPa；基坑开挖深度为-8.50m 及以下时土体粘聚力平均值为47.81kPa。

上述计算数值代入公式（2），均满足公式（2）所示的力学平衡关系，由此可以判断施工技术组织方案可行，可放心用于施工实践。

6 结语

当建筑项目面对地质条件较差、承载力特性不足的软弱土层地基时，在充分掌握土体受力关系和力学平衡关系的基础上，基于实验室测定的各个土层顶部土体力学系数、四周侧壁土体力学系数、底部土体粘聚力系数、四周侧壁土体粘聚力系数、底部土体粘聚力系数以及施工技术组织方案，进行有限元建模仿真模拟并验证其力学平衡关系，可以进一步判断施工技术组织方案的安全可行性。若通过有限元建模仿真模拟判断施工技术组织方案安全可行，则可直接用于指导施工；若通过有限元建模仿真模拟判断施工技术组织方案不可行，则需对技术方案进行改良并利用有限元建模仿真验证其安全可行后，再用于指导施工。