天津地区固快合算在基坑支护设计中的应用

□文/刘建志 樊继良 任彦华 刘秀风

天津地区固快合算在基坑支护设计中的应用

□文/刘建志 樊继良 任彦华 刘秀风

基坑工程中支护结构侧压力的计算至关重要。阐述了支护结构上水土压力的计算方法以及目前的应用情况。以天津地区实际工程案例为依托，分析比较了采用固结快剪水土合算所得支护结构的内力及变形的分布情况。通过分析可知，采用固快合算进行基坑支护设计的工程均取得了较好的效果，进而说明在一定条件下可以采用固快合算进行基坑支护设计。

基坑工程；水土压力；固快合算

天津市城市建设的发展，极大促进地下空间资源的开发和利用。在地下轨道交通、大型商场及车库等的建设过程中，基坑工程的规模、深度及难度不断刷新，同时基坑支护设计中的许多问题逐步凸现出来。其中，支护结构上的水土压力计算得到越来越多的重视和讨论[1～2]，它对支护结构内力和变形的计算至关重要。本文通过对天津地区基坑工程的分析和比较，提出在一定条件下可以采用固快合算的方法计算支护结构上的侧压力。

1 支护结构上水土压力计算方法

在基坑支护设计中，基坑开挖所影响的范围内存在地下水时，作用于围护结构上的侧压力计算方法有水土分算和水土合算2种，水土分算一般采用固结快剪指标，水土合算一般采用直剪快剪指标。

国内外专家普遍认为，对于透水性强的砂土和碎石土，孔隙水是完全连通的、可流动的，能够有效传递静水压力。因此可以将水压力和土压力分开计算，即有效应力σ＇z将在挡土结构上产生土压力，而孔隙水压力是各向等压的，故直接作用在挡土结构上，即所谓的水土分算原理。然而，由于很难准确测定土的有效应力强度指标c＇和φ＇，因此虽然水土分算的理论依据比较充分，概念比较清晰，但实际操作困难比较大，实际工程中多采用固结快剪指标进行计算。

水土合算一般适用于粘性土或粉土，关于粘性土和粉土的水土压力计算，国内外专家和学者尚无统一认识。从某种意义上讲，水土合算可以分为“广义”水土合算和“狭义”水土合算。狭义的“水土合算”通常只针对于超静孔隙水压力。由于在实际问题中，超静水压力一般难于确定，所以采用与实际应力路径和排水条件相近的试验确定强度指标[3]。虽然水土合算在逻辑推理上不够严密，而且与土力学基本原理有一定冲突，但计算比较简单，加上一定的经验修正，较接近实际情况。对于基坑深度范围内主要以粘性土为主的工程，多采用直剪快剪指标进行土压力计算。

支护结构上的水土压力受诸多因素的影响，比如土的微观结构、土体的应力状态和应力路径、孔隙水压力以及边界条件等，各软粘土地区根据地区经验均对土压力计算做出了相应的规定[4～10]。但总体而言都强调在具有可靠地区经验时，对粘性土甚至粉土作用在支护结构上的侧压力可按水土合算，地下水位以下取饱和重度并采用总应力固结不排水抗剪强度指标计算。

目前，天津市对于粘性土为主的土层，大多数计算采用直剪快剪指标合算计算土压力；对于粉土或者砂土为主的土层，大多采用固结快剪指标分算计算土压力。

2 固快合算工程实例分析

在一些项目中尝试采用固结快剪指标、水土合算计算土压力，经实际开挖验证，支护效果良好。不同的计算方法计算结果相差较大，尤其是支护体系的内力，计算结果将直接影响到支护工程的经济性。据初步估算，不同的计算方法造价相差可达30%。以下将列举滨海新区及市区具有代表性的基坑工程进行分析比较。

2.1 工程实例1

康居园-城市之光工程位于滨海新区，该工程基坑深度6.4 m，采用钻孔灌注桩φ600 mm@900 mm+钢筋混凝土圆环形支撑的支护形式。

该场地基坑深度范围内土层主要以淤泥质粘土为主，见表1，深部主要为粉质粘土。

表1 淤泥质土层的物理力学指标

对变形影响较大的淤泥质粘土为饱和软粘土，含水量很高，粘粒含量极高，土中的水基本为结合水，不易从土中排出且土质灵敏度较高，现场取样时极易造成土体扰动，导致室内试验测得的抗剪强度指标与原状土样的强度值有一定的差别。从图1可以看出，对于滨海新区软粘土区域内类似深度的基坑工程，采用固结快剪指标合算计算所得的支护桩的变形特征与实际观测数据吻合较好。

图1 工程实例1支护桩水平位移、弯矩及剪力对比分析

2.2 工程实例2

天津一中心医院东方器官移植中心工程位于南开区复康路和红旗路交口，基坑平面形状近似为矩形，为2层地下结构，基坑深度约11.2 m。采用钻孔灌注桩（φ800 mm@1 200 mm）+钢筋混凝土对撑角撑的支护形式。场地内土层主要为粉质粘土，基坑底部的土层物理力学指标见表2。

表2 基坑底部的土层物理力学指标

该项目相比常规的2层地下基坑的工程，深度偏大，采用对撑及角撑的方式内支撑具有较好的刚度，那么支护结构的变形主要是由于桩体的变形所引起的。从图2可以看出，固结快剪指标水土合算情况下支护桩的水平位移与实际监测数据较为接近，固快分算所得的结果与实际监测数据相差较大，若通过加大桩体的刚度来控制基坑的变形则会造成较大的浪费。支护结构上的最大弯矩均出现在坑底以上2 m左右，最大剪力均出现在坑底附近；但最大弯矩相差近50%，最大剪力相差近60%。若采用水土分算进行设计，则支护桩内的配筋须大量增加，支护造价会大幅提高。因此对于该项目来说采用固结快剪指标、水土合算是比较适宜的。

图2 工程实例2支护桩水平位移、弯矩及剪力对比分析

2.3 工程实例3

津和荣2#地下工程位于和平区南市大街与清河大街交口处，基坑形状近似矩形，基坑的整体深度约11.2 m。基坑支护采用退台卸荷SMW工法桩（φ850 mm@1 200 mm内插700 mm型钢）+钢筋混凝土环形支撑的形式。该场地上部土层主要为人工填土，下部土层以粉质粘土为主，见表3。

表3 下部粉质粘土的物理力学指标

支护桩采用SMW工法桩，其桩身刚度较灌注桩小。由于地表以下约10 m土层均为人工填土，原设计采用固快指标、水土分算无可厚非，其桩身的最大计算位移约35 mm，符合规范要求。然而实测位移与固快分算的计算结果差别较大，却与固快合算的计算结果吻合的较好，见图3。固快合算与固快分算及直快合算比较其最大弯矩分别相差66%和25%，最大剪力分别相差90%和28%。

图3 工程实例3支护桩水平位移、弯矩及剪力对比分析

因此，对于支护桩刚度相对较小的SMW工法桩，在不考虑人工填土参数问题的因素下，固快合算相对于固快分算不失为一种更为经济的计算方法，不仅能够保证支护结构及周边环境的安全，而且能够在一定程度上降低临时支护费用。

2.4 工程实例4

卫津南路西侧地块项目三期工程位于南开区卫津南路西侧，奥体中心东侧，基坑形状不规则，包括3栋主楼和整体2层地下车库，基坑的整体深度约10.85 m。基坑支护采用钻孔灌注桩（φ1 000 mm@1 200 mm）+钢筋混凝土环梁支撑的支护形式。该场地浅部为人工填土，下部主要为粉质粘土，坑底范围内粘性土的物理力学指标见表4。

表4 基坑涉及各土层物理力学指标

内支撑系统为多圆环钢筋混凝土支撑，内支撑的传力复杂，在一定程度上会影响支撑体系的整体刚度。从图4可以看出，桩身最大水平位移仅为10 mm，远小于固快合算、固快分算以及直快合算计算所得的结果。支护结构上的最大弯矩均出现在坑底以上1 m左右，最大剪力均出现在坑深约6 m附近；但固快合算与固快分算及直快合算比较其最大弯矩分别相差69%和14%，最大剪力分别相差68%和11%。

图4 工程实例4支护桩水平位移、弯矩及剪力对比分析

3种计算方法最为接近实际结果的为固快合算和直快合算。在保证基坑整体稳定及周边环境安全的情况下，应该说，采用固结快剪指标、水土合算是一个非常成功的案例，即对于内支撑体系比较复杂的基坑工程亦可尝试用固结快剪指标水土合算的方法计算侧压力。

3 结论

以上案例分析表明，基坑支护设计中水土压力计算方法的选择以及计算指标的选用，对基坑支护结构的安全性及经济性有很大影响，但是总的原则应是尽可能与现场的实际受力状况以及周边的环境状况相结合。通过对不同区域、不同挡土结构及不同内支撑体系案例的分析比较可以发现，某些工程在特定条件下采用固快指标水、土合算计算支护桩（墙）侧压力是可行的。分析其原因可能包括以下几方面。

1）对于市区正常沉积的土体绝大部分已完成自重固结，设计时应采用自重固结状态下的抗剪强度指标。由于取土会造成土体的应力释放以及程度不同的扰动，因此，严格来讲，目前勘察报告提供的直剪快剪和固结快剪指标与原状土相比均有误差，该两项指标均比原状土总应力指标和有效应力指标低，导致无论采取水土合算还是水土分算都将使支护桩上的内力偏大。

2）对于饱和粘性土及淤泥质软土，由于其粘粒含量很高，土颗粒比表面积较大，使粘性土颗粒具有较强的吸附能力，使土颗粒表面形成结合水膜，导致土颗粒间的水不是连通的或很难流动，使静水压力无法传递。因此，可不完全考虑作用于支护结构上静水压力。

3）采用固快指标水土合算计算侧压力可以平衡土体的应力释放以及土样扰动造成的抗剪强度指标下降引起的侧压力偏大问题。但不能盲目使用，必须对指标的合理性进行分析、判断。

当然，对采用固快指标水土合算计算侧压力应有所选择，可以这样认为，对于周边环境比较简单的地下2层及以浅的深基坑可以采用固快指标、水土合算的方法进行基坑支护设计；对于3层地下及以深的深基坑，应根据基坑周边的环境情况慎重采用。

[1]魏汝龙.深基坑开挖中土压力计算[J].地基处理，1998，9（1）：3-15.

[2]陈愈炯，温彦锋.基坑支护结构上的水土压力[J].岩土工程学报，1999，21（2）：139-143.

[3]李广信.基坑支护结构上水土压力的分算与合算[J].岩土工程学报，2000，22（3）：348-352.

[4]JGJ 120－2012，建筑基坑支护技术规程[S].

[5]DB 11/489—2007，北京建筑基坑支护技术规程[S].

[6]DB 2920—2000，岩土工程技术规范[S].

[7]SJG 05—2011，深圳地区建筑深基坑支护技术规范[S].

[8]GJB 02—98，广州地区建筑基坑支护技术规定[S].

[9]WBJ-1—2001，武汉市深基坑工程设计文件编制规定（试行）[S].

[10]DG/TJ 08-61—2010，基坑工程技术规范[S].

□樊继良、任彦华、刘秀风/天津市勘察院。

TU432

C

1008-3197（2013）04-26-04

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.04.011

2013-03-04

刘建志/男，1984年出生，助理工程师，天津城建集团有限公司，从事工程技术管理工作。