软土深基坑不对等开挖深度的支护结构设计

郑金伙

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

软土深基坑不对等开挖深度的支护结构设计

郑金伙

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

对于深基坑支护工程，当基坑周边不同位置开挖深度不同时，基坑四周的土压力是不均衡的，围护桩的变形趋势也是不同的。当围护桩出现往坑外位移趋势时，作用在围护桩上的土压力应按被动土压力考虑，而不是主动土压力。当围护桩外侧的被动土压力不足以抵抗支撑力时，会出现坑外土体破坏，特别是软土深基坑。此时应对坑外土体进行加固处理，或者调整支撑体系改变支撑力的传递路线。

软土；深基坑；不对等开挖深度；支护结构

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引 言

在软土地区，当基坑深度超过7m时，一般采用围护桩加内支撑的支护形式，以确保基坑的安全，减小对周边环境的影响。当同一地下室不同位置的开挖深度不同，比如局部为两层地下室、局部为三层地下室时，支护结构设计时应考虑两侧土压力不对等的影响。

1 不对等开挖深度的围护桩变形

(图1)为不对等开挖深度的支护结构示意图。根据《建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012》，作用在支护结构外侧上的土压力为主动土压力，如(图2)。当支撑体系两端开挖深度和地面堆载相同时，围护桩一般是向坑内变形，如(图3a)。当支撑体系两端开挖深度不同时，支撑体系会向开挖较浅的一侧位移，这样开挖较浅位置的围护桩就有可能向坑外移动，这时作用在围护桩外侧上的土压力就不能按主动土压力计算，而应按被动土压力考虑，如(图3b)。

图1 不对等开挖深度的支护结构示意图

图2 作用在支护结构上的土压力

值得注意的是，开挖较浅一侧的围护桩((图1)中的Z2、Z3)不一定都会向坑外变形。围护桩Z2、Z3的变形跟开挖深度比h2/h1和水平距离S有关。

我们可以采用PLAXIS软件进行数值分析，地质条件如表2所示，h1=15m，S=30m。不同开挖深度比h2/h1下围护桩Z1、Z2、Z3的变形情况如(图4、图5、图6)。分析结果表明，围护桩Z1都是往坑内变形，属于正常情况。围护桩Z2在h2开挖较浅时桩顶往坑外移动，当h2越挖越深，则改为向坑内变形。围护桩Z3都是向坑外位移，且随着h3的减小往坑外位移的幅度越大。因此围护桩Z3的外侧土压力不应按主动土压力考虑，应按被动土压力考虑。在用软件进行辅助设计时，应对土压力进行调整。

图3 不同工况下的围护桩变形

(a)h2=1/3*h1 (b)h2=1/2*h1 (c)h2=2/3*h1

(a)h2=1/3*h1 (b)h2=1/2*h1 (c)h2=2/3*h1

(a)h2=1/3*h1 (b)h2=1/2*h1 (c)h2=2/3*h1

2 不对等开挖深度时的土体破坏

当围护桩外侧为软土时，土体提供的土压力可能不足以抵抗支撑力，这时围护桩外侧会出现土体破坏，如(图1)中的围护桩Z3。这是非常危险的情况。(表1)为不同开挖深度下的支撑轴力。

表1 不同开挖深度下的支撑轴力

这时需要通过对围护桩外侧土体加固，提高土体的抗剪强度，从而提高土体所提供的被动土压力。一般采用搅拌桩或高压旋喷桩进行处理。如(图7)所示。

加固前淤泥的C=8kPa，Ф=6°，主动土压力系数ka=tg2(45°-0.5*φ)=0.81；被动土压力系数kp=tg2(45°+0.5*φ)=1.23，

当h3=7.5m，主动土压力Ea=256.5kN/m，被动土压力EP1=686.7kN/m。第二道支撑轴力为349kN/m，大于主动土压力Ea，但小于被动土压力EP1，不会出现土体破坏。

当h3=5m，主动土压力Ea=90kN/m，被动土压力EP1=334.8kN/m。第二道支撑轴力为377.5kN/m，远远大于主动土压力Ea，也大于被动土压力Ep1。这时就会出现土体破坏。加固后C=15kPa，Ф=15°,被动土压力系数kp=tg2(45°+0.5*φ)=1.7，被动土压力EP2=444kN/m；可见加固后被动土压力提高了33%，已大于支撑轴力，满足要求。

围护桩外侧土体的加固范围不能太小，否则无法达到处理效果。加固范围可通过被动土压力破坏线确定，如(图7)所示。加固深度超过软土即可。

图7 土体加固剖面图

图8 基坑总平面图

3 工程实例

某工程总平面如(图8)所示，地下室分为南北两区，北侧A区为三层地下室，面积4018m2，基坑开挖深度为12.2m；南侧B区为两层地下室，面积12114m2，基坑开挖深度为8.1m。场地地质条件如(表2)。

南侧B区开挖较浅，但基坑面积较大，如果采用内支撑体系经济性不佳。考虑到周边场地较为开阔，采用SMW工法桩(Φ850@600搅拌桩内插H型钢300*700)加扩孔锚杆支护。北侧A区开挖较深，采用Φ900@1200灌注桩加两道混凝土内支撑支护。两区地下室交界位置采用Φ700@1000灌注桩支护。

北侧A区的第一道支撑平面如(图9)所示，在本区范围内采取对撑体系，与南侧B区的支护结构只是冠梁相连。第二道支撑由于考虑到施工栈桥的布置，拟将对撑改为角撑，角撑的另一端为两区地下室交界位置的围护桩，如(图10)所示。这是典型的不对称开挖深度，剖面图如(图11)所示。计算表明，第二道支撑的轴力为365kN/m。而两区地下室交界位置的围护桩外侧是淤泥，被动土压力为238.2kN/m。可见第二道支撑轴力大于围护桩外侧的被动土压力，会出现土体破坏。由于南侧B区两层地下室已先行开挖，且考虑到工期因素，来不及进行土体加固，因此第二道支撑还是按照第一道支撑的平面布置，采用对撑体系。

图9 A区第一道支撑平面布置图

图10 A区第二道支撑平面布置图

图11 A区支护剖面图(C-C剖面)

表2 各土层的分布及物理力学指标

4 结论

随着城市建设的不断扩大，特别是大型城市综合体的快速发展，不对称开挖深度在深基坑中越来越普遍。这种基坑由于四周土压力不均衡，支护结构设计时应加以重视，尤其是在软土地区。

本文通过软件进行数值分析，并通过工程实例进行验证，得出以下结论：

(1)不同开挖深度位置的围护桩位移趋势是不同的，有些是往坑内变形，有些是往坑外变形；

(2)当围护桩往坑外位移时，作用在围护桩上的土压力应按被动土压力考虑，而不能按主动土压力考虑；

(3)当围护桩往坑外位移时，特别是围护桩外侧为软土时，支撑轴力会大于被动土压力，可能出现外侧土体破坏；

(4)当围护桩外侧土体可能出现破坏时，可以采用搅拌桩或高压旋喷桩进行地基加固。也可以通过调整支撑体系平面布置来改变支撑力的传递路线。

[1]JGJ120-2012，建筑基坑支护技术规程[S].

[2]刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M].1997.

[3]GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].

Supporting Structure for Asymmetric Depth of Foundation Pit in Soft Clay

ZHENGJinhuo

(Fujian Architectural Design & Research Institute, Fuzhou, 350001)

With regard to retaining and protecting of deep foundation, the surrounding soil pressure is unbalanced due to the asymmetric depth. Meanwhile, the deformation tendency of retaining pile is different as a consequence. Passive earth pressure, not active earth pressure is taken into account when the pile has displacement toward outside of foundation pit. If passive earth pressure can not resist the braced force, soil mass outside would be destroyed, especially for soft clay pit. At this moment, soil mass outside should be strengthened. As an alternative, adjustment of bracing system can be used to change the route of force.

Asymmetric depth; Supporting structure; Deep pit; Soft clay

郑金伙(1973.5- )，男，高级工程师。

2015-04-01

TU

A

1004-6135(2015)04-0070-04