软土地区深基坑设计与变形分析技术

谢 平

软土泛指抗剪强度低、压缩性大的软弱土层，主要为饱和软粘土，在天然地层剖面上，它往往与泥炭或粉砂交错沉积。深基坑工程土方开挖必将产生支护结构变形以及基坑周围土体变形，开挖引起的变形不仅与地质条件、支护情况、环境气象条件、基坑开挖方案、支撑预应力及施加时间等有关，同时还受降水、坑外超载等因素的影响，尤其是在软土地区，由于软土的天然含水率高、低强度、高压缩性和弱透水性，基坑变形具有发展快、变形量相对较大和变形稳定所经历的时间长等特性。深基坑工程设计及变形分析是软土地区深基坑施工的关键技术，本文结合工程实例加以阐述。

1 工程概况

某工程主体地上 8层，地下室 2层，地下室基坑开挖深度最深达-16.80 m，基坑平面尺寸约为80m×57 m，基坑大致呈矩形。该场地在施工前曾为大面积池塘，后经人工填土整平，土质软弱，土层含水量较高，属于典型的软土，场地各土层主要物理力学参数如表 1所示，开挖土层大部分为淤泥质土，透水性差，因此可能在开挖中发生较大变形。

表1 土层主要物理力学参数

2 深基坑施工方案设计

2.1 结构布置

综合考虑安全、经济、对周边环境影响、施工便利这四个因素，本工程基坑设计采用钻孔灌注桩加两道内支撑作为支护结构，钻孔灌注桩桩长26.5m，桩径1.1m，间距1.3m，外侧设置双轴深层搅拌桩止水帷幕，直径0.7m，间距1m，深16m。支护桩内支撑采用混凝土桁架支撑和钢管支撑两种形式，上下两道支撑顶面标高分别为-2.0m和-6.5m，第一道支撑在基坑四个角部采用混凝土桁架形式，主撑截面为700mm×700mm，联系梁截面为700mm×500mm，围檩截面为600mm×800mm;第一道中部支撑及第二道支撑均采用双钢管支撑，截面为 2φ609 mm× 16mm;在围护桩顶设置圈梁，截面为1 100mm×800mm，混凝土支撑及围檩的强度为 C30。

基坑支护结构布置如图1所示。

2.2 基坑施工工艺

基坑的开挖及支撑应遵从“分层、分步、对称、平衡”的原则，通过控制分层开挖的层数、每层开挖的深度，以及每层开挖中的暴露时间和暴露的宽度及高度，充分利用未开挖土体的支撑作用，使支护结构及土体的变形控制在容许范围之内。

确定本工程基坑施工流程:1)场地平整放线;2)设置降水井点，基坑预降水;3)开槽施工第一道支撑和钢筋混凝土顶圈梁;4)土方开挖到第二道支撑底;5)施工第二道支撑和围檩;6)土方分层开挖到基础大底板底面，浇筑混凝土垫层，同时进行局部深坑的开挖;7)开挖结束，布置基础底板钢筋及钢管混凝土工程柱，浇筑基础大底板;8)基础大底板设置换撑结构，拆除第二道支撑;9)施工地下 2层结构;10)在第一道支撑位置换撑，拆除第一道支撑;11)施工地下1层结构至±0.00楼板完成;12)基坑回填。

整个基坑开挖严格遵循“先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”的原则进行，尽量减小基坑支护结构及周围地层的变形。混凝土支撑在开挖完成后 48 h之内浇筑完毕，钢支撑在开挖完成后 24 h内架设。

表2 模拟开挖与支撑工况

3 深基坑开挖变形分析

深基坑施工引起的变形主要包括围护结构的变形、坑底土体隆起以及周围地层的移动三方面。基坑开挖过程是开挖面上的卸载过程，不仅导致坑底土体产生以向上为主的位移，而且也引起围护结构在两侧土压力差下而产生的水平向变形，围护结构的变形进一步导致坑底土体的塑性隆起，这两者又是导致周围地层移动的主要原因。

结合本工程的实际施工过程，考虑 14个工况，分析工况如表2所示。

基坑开挖与支撑过程桩体位移计算分析结果表明:

1)桩体变形位移特点。悬臂开挖阶段，最大位移处位于桩顶，为57.5mm，施加第一道钢支撑预应力后，桩顶受到挤压，最大位移减为49.1mm;随着进一步开挖，桩顶受到支撑约束，位移变化很小，最大位移处开始向下移动;在开挖到底后，最大位移为91.9mm，位于-15.5m处。2)超开挖对桩体位移的影响。考虑了两种施工中可能出现的超挖工况进行计算。超挖工况一:无任何支撑，一步开挖至-5.0m;超挖工况二:按正常施工顺序施工至-7.0m，不加第二道钢支撑，超挖至-9.0m。计算结果表明，超挖会造成桩体位移明显增加:在悬臂开挖阶段，超挖造成桩顶位移大大增加，约增大84%;在第一道支撑设置后，由于超挖造成桩身最大位移增幅达 30.5%。因此在深基坑开挖中，要严格禁止超挖现象，一定要“先撑后挖”。3)钢支撑预应力度对桩体位移的影响。考虑了三种不同的预应力度分别进行计算:不施加任何预应力;两道钢支撑都施加了 100 t的预应力;两道钢支撑都施加了200 t的预应力。

计算结果表明，与无预应力情况相比，施加 100 t预应力可以使桩顶位移减小10.4%，桩体最大位移减小5.2%;施加200 t预应力可以使桩顶位移减小 22%，桩身最大位移减少 11%。因此可见对钢支撑施加一定的预应力对减小支护桩的位移具有明显的效果。

[1] 范益群.软土基坑考虑时空效应的三维动态设计与过程控制[M].上海:上海科学普及出版社，2005.

[2] JGJ 120-99，建筑基坑支护技术规程[S].

[3] 袁 程.深基坑工程过程控制和预警研究[D].南京:东南大学，2004.

[4] 聂宗泉，孟少平，袁广龙.上海地忒 M 8线延吉中路站基坑变形控制技术[J].施工技术，2005，34(10):65-66.