高压旋喷基底嵌固在圆形深基坑支护中的应用

徐 营 营

(上海市基础工程集团有限公司，上海 200433)



高压旋喷基底嵌固在圆形深基坑支护中的应用

徐 营 营

(上海市基础工程集团有限公司，上海 200433)

以某工程为例，介绍了其支护选型及地质条件，利用空间有限元模型，模拟、计算施工过程中支护结构的内力，并对计算结果进行汇总分析，以供同类过程设计施工时参考。

高压旋喷桩，深基坑，支护结构，根入比

0 引言

基坑工程中，经常遇到基岩埋藏浅的情况，深基坑工程开挖面下即是基岩，破除岩层支护结构嵌岩会造成工程造价及工期增加。如支护结构不进入岩层，支护结构根入比较小，基坑的稳定性及结构受力安全难以保证。

支护结构施工完毕后，基坑开挖面以下采用高压旋喷桩加固基岩面以上的土体，水泥掺量达到20%～25%时，加固后水泥土抗压强度可达到C20混凝土抗压强度等级，相当于在基坑开挖面以下和基岩面以上有限的深度范围内形成“人造岩层”，嵌固支护结构底部，计算时可以按照混凝土刚度在开挖面下施加土弹簧。

本工程根据地层分布情况，结合坑底加固方案，在基坑底部与基岩间采用高压旋喷桩加固，经过认真计算分析后，形成设计方案并付诸实施，实践表明：该方案在实施过程中，基坑支护结构性状安全，变形及内力均与计算分析吻合较好。

1 工程概况

本工程基坑位于密闭厂区内，开挖深度25 m，支护结构外径19.2 m。根据设备安装流程，须在厂房完全封闭后方可开挖基坑。基坑周边是厂房柱基及机架设备基础，距离最近处机架基础仅200 mm。

待厂房封闭后开挖基坑时，须严格控制基坑的变形。厂房采用钢结构排架，基础形式为桩基承台，钢结构排架不属于变形敏感结构形式，基础水平位移限值偏于保守可按照10 mm考虑(小于0.18%H)[1]。基坑与周边环境平面图见图1。

2 支护选型与地质条件

开挖深度达25 m以上的市政及工业基坑，优先选择圆形支护体系，如果基坑面积不大，可结合市政或工业工艺采用地下连续墙与内衬叠合逆作法施工，摒弃了水平支撑体系，节约造价及工期。事实证明，这种支护方案在市政及工业深基坑中的使用非常合理：变形可控、内力可控。

本工程基坑，开挖深度25.0 m，基坑面积较小，设备内净空仅需要18.0 m，采用两墙合一支护结构，地下连续墙厚度800 mm，内衬厚度600 mm，顶部设置2 600 mm宽×1 500 mm高冠梁，每次开挖深度5 m，内衬逆筑，内衬与底板结合后形成设备深基础结构。

基坑底部3.7 m即中风化安山岩，岩层硬度较大，支护结构嵌岩成本高、工期长，结合坑底加固方案，在坑底与基岩顶面之间3.7 m厚度高压旋喷桩满堂加固，水泥掺量20%～25%。

土层厚度比较均匀，除粉砂、粉质粘土、安山岩外，存在较软弱的淤泥质粉质粘土，厚度约15.7 m。支护结构立面图及土层分布见图2。

3 计算分析

根入比为3.7 m/25 m=0.148，小于同类基坑根入比。借助空间有限元计算，模拟施工过程中支护结构的内力，并判断内力是否可控。整体模型见图3，墙幅、底板及土弹簧见图4。

荷载条件：

1)水土荷载。水土荷载分算。

2)施工荷载。考虑施工期间5 t/m2超载，不对称施加超载，充分体现圆形支护体系对不均匀受荷的敏感性。

3)工况描述。开挖深度25 m，分五次开挖。每次挖深5 m，开挖结束后逆筑内衬，待养护到设计强度后，继续下一次开挖。开挖云图见图5～图7。

增量法：每次开挖，挖去被动区土体弹簧；开挖结束后激活内衬；进行下一步开挖……

模型：地下墙、内衬、冠梁采用Shell43壳单元模拟，地墙与内衬间连接采用Combin14弹簧单元连接。

地下连续墙幅段间设铰接；

被动区土体(旋喷桩加固土体)、墙底岩层采用Combin14弹簧单元模拟；

底板采用Solid45实体单元模拟：

第一步：施加第一步水土荷载，并挖去被动区土弹簧(5 m)；

第二步：激活第一段内衬、冠梁；

第三步：施加第二次开挖的水土荷载增量，并挖去被动区相应的土体弹簧(5 m)；

第四步：激活第二段内衬；

……

第n步：激活第五段内衬、底板及底板弹簧。

4 计算结果汇总及分析

计算结果汇总表见表1。不同开挖深度竖向弯矩曲线对比见图8。

表1 计算结果汇总表

数据分析：

竖向弯矩及水平弯矩是地下连续墙配筋设计的重要指标，计算内力按照地墙强度及裂缝控制计算配筋均在合理范围内，施工时不存在墙幅钢筋绑扎过密的问题。分析内力数值及发展趋势，存在以下规律：

1)地墙根入比仅0.148，但旋喷桩合理处理坑底至基岩间土体后，地墙内力虽有突变，但在圆形深基坑支护体系中内力大小可控。

2)竖向正弯矩最大值集中在-25.0 m～-26.1 m，竖向负弯矩集中在-22.5 m～-23.0 m；环向正弯矩最大值集中在-22.0 m，环向负弯矩最大值集中在-25.0 m～-26.0 m；环向轴力均为轴压力，最大值集中在-19.0 m～-21.0 m，最小值集中在-27.0 m。

3)竖向弯矩各工况增幅均匀，正弯矩增幅30 kN·m～45 kN·m，负弯矩增幅45 kN·m～75 kN·m，开挖至底(靠近基底加固土体)时，增幅均为较小值。

4)竖向负弯矩最大值均集中在-25.0 m～-26.1 m，竖向正弯矩最大值均集中在-22.5 m～-23.0 m，与常规基坑竖向弯矩最大值均在开挖面略下方这一性状出入较大，主要是由于根入比小，被动区土弹簧集中在坑底以下仅3.7 m深度范围内，刚度突变造成内力集中，如支护形式没有拱效应，该方案不适用。

5)竖向负弯矩最大值均集中在-25.0 m～-26.1 m，说明进入3.7 m厚旋喷加固土体后，墙体反弯向内，旋喷加固后的土体完成了嵌固墙体的作用。

6)环向(水平方向)正弯矩最大值主要集中在22 m深度，前几步开挖工况增幅均为9 kN·m～10 kN·m，增幅小且均匀，最后一个开挖工况发生突变，增幅达到333 kN·m；与环向轴力变化趋势相反。

7)环向轴力最大值主要集中在深度19 m～21 m，前几步开挖工况增幅为720 kN～840 kN，增幅均匀；开挖至底时增幅为120 kN，相对环向轴力最大值几乎没有变化，笔者认为是支护体系拱效应发挥至极限，从而导致环向弯矩最后一个开挖工况增幅很大。

8)环向负弯矩，前几步开挖工况增幅为13 kN·m～15 kN·m，较均匀，最大一步开挖工况增幅突变至80 kN·m，环向负弯矩最大值较小，虽发生突变，尚有发挥空间。

9)坑底高压旋喷加固土体范围内，环向轴压力数值均较小，最大值仅为415 kN，说明加固土体作为刚度很大的土弹簧，有效限制了支护体系底部侧向变形，起到侧向约束作用。

对周边环境的影响：

基坑开挖过程中，实测侧向位移较小，侧向位移最大值发生在柔性接头处，深度约-3.0 m，累计最大侧位移不足5 mm。

基坑四周沉降主要发生在地下水降水期间，累计最大沉降不足6 mm。

周边柱基及设备基础位移及沉降均较小，

实测累计位移均不足5 mm。

5 结语

1)环向支护结构由于其自身的整体刚度大、稳定性较好，支护墙体与内衬叠合墙可以起到支撑的作用而且施工工艺简单，造价相对低等优势，在市政、工业和水利等深基础或地下结构中发挥着重要的作用。2)根入比较小时，本工程同类型的基坑可采用坑底与基岩间旋喷桩加固的方案，基坑受力性状合理，变形可控，同时节约造价及工期。3)墙幅间采用柔性连接，拱效应的发挥受到限制，而墙体的轴向抗压能力尚有很大余量；如墙幅间采用刚性连接接头，拱效应可进一步发挥，对支护结构整体受力是有利的，可尝试在更大规模的圆形基坑中试用，并加强理论计算及监测，获得更详实的资料，为此类基坑支护的发展储备基础资料。

[1] DGT J08—61—2010,基坑工程技术规范[S].

Application of high-pressure jet grouting foundation embedding reinforcement in circular deep foundation support

Xu Yingying

(Shanghai Foundation Engineering Group Co., Ltd, Shanghai 200433, China)

Taking the engineering as an example, the thesis introduces its support shape and geological conditions, uses spatial finite element model, simulates and calculates the internal force of support structure in construction process, and summarizes and analyzes the computation results, with a view to provide some guidance for similar engineering design and construction.

high-pressure jet grouting pile, deep foundation, support structure, root-depth ratio

1009-6825(2017)12-0068-03

2017-02-06

徐营营(1980- )，男，工程师

TU463

A