深厚软土深基坑支护设计与实例分析

吴燕泉

(福建省建筑科学研究院，福建 福州 350025)

沿海地区以分布深厚软土为主，深厚软土具含水量高、孔隙比大、压缩性高、渗透性差、抗剪强度低，触变性及流变性强的特征，工程性能差，总体属欠固结土，基坑施工过程中易产生排水固结，导致周边道路、建筑、管线等的破坏，对基坑开挖的稳定存在不利影响。传统的桩锚柔性支护形式和悬臂桩结合被动区加固支护形式[1-2]在深厚软土基坑中因变形过大，已不能满足周边环境对安全性的要求，桩撑支护形式[3]因支撑梁不利土方开挖，严重影响到施工工期。龙海某深厚软土深基坑支护工程，场地软土厚度约为基坑开挖深度的3倍，是为数不多的超深厚软土深基坑。为此，为满足工程安全需要，保障工程的顺利完工，本研究采用SMW工法桩[4]+预应力扩孔锚索结合被动区加固的支护形式，将预应力扩孔锚索柔性支护和被动区加固综合运用在此工程中。

1 工程概况

龙海某深厚软土基坑工程位于漳州龙海市榜山镇，设一层地下室，基坑开挖深度约6.8 m，基坑开挖边线周长约526 m，面积约17 078 m2。场地东侧距用地红线约9.0 m，为民生小区，临近场地的是3栋18层框剪结构的住宅楼，无地下室，基础型式为桩基础；场地南侧距用地红线约10.0 m为1～2层砖混结构的厂房及民宅，为浅基础，中间为渣土道路，宽约9.0 m；场地西侧距用地红线约60.0 m为龙海明发城市广场(一期)，主要为2～3层框架结构的商业裙楼；靠近场地南侧为1栋20层框剪结构的写字楼，为桩基础，中间为城市次干道，道路宽约30 m，双向4车道，道路预埋地下管线基本涵盖了市政的各种管线，埋深约0.5～4.0 m；场地北侧距用地红线约30.0 m为安置小区，临近场地的是2栋16层框剪结构的居民住宅楼，基础型式采用桩基础，中间为城市支路，宽约15.0 m，道路预埋地下管线主要为燃气管道、雨水管、污水管等，埋深约0.5～3.0 m。

基坑开挖影响范围内土层从上到下依次为：(1)层杂填土，平均厚度为2.07 m；(2)层粉质粘土，平均厚度为0.73 m；(3)层淤泥，平均厚度为17.89 m；(4)层粉质粘土，平均厚度为2.80 m；(5)层中砂，平均厚度为2.97 m；(6)层卵石，平均厚度为15.16 m。各土层设计参数见表1。

表1 基坑支护范围内岩土体物理力学指标Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil within foundation pit support

2 工程地质与水文地质分析

本基坑工程周边环境复杂，基坑开挖影响范围土层存在深厚软土层，淤泥层平均厚度为17.89 m，局部达到了25 m。呈流塑状态，力学强度低，工程性能差。

勘察期间测得各钻孔初见地下水位埋深为2.40～5.30 m。各钻孔终孔24 h后同一时间实测地下水混合稳定水位埋深为3.00～5.90 m。依据区域水文地质资料，本场地地下水位年变化幅度约1～3 m，本场地历史最高水位为4.50 m，近3～5年的最高水位为4.00 m。

淤泥含水率平均值为61.1%，液限WL平均值为49.3%，塑限WP平均值为30.3%。淤泥具有较高的灵敏性和触变性，当受到外来因素的扰动时，土粒间的胶结物以及土粒、离子、水分子所组成的平衡体系受到破坏，土的强度降低，压缩性增大，因此对淤泥的勘察取土试样的要求非常高。淤泥长期固结，随着埋深的增加，淤泥的有效应力逐渐加大，亦即土的抗剪强度逐渐增加。因此，很有必要在深厚软土层进行原位测试，对软土层进行分层分析。为此，本工程采用十字板剪切试验对淤泥进一步以分层，以为基坑支护设计提供更切合实际的指标。

本工程采用50 mm×100 mm×2 mm 十字板探头，选取场区3个孔进行十字板剪切[5]试验，试验成果如图1。

图1 十字板剪切试验成果Fig.1 Results of vane shear test

分别对试验区域上部淤泥层和中下部淤泥层原状土及重塑土十字板剪切试验参数Cu进行统计，试验成果统计见表2。

表2 十字板剪切试验成果统计表Table 2 Statistical results of vane shear test

从表2可见，试验区域上部淤泥层原状土不排水抗剪强度值为14.7 kPa，重塑土不排水抗剪强度值为2.6 kPa，灵敏度为5.7，为灵敏土；中下部淤泥层原状土不排水抗剪强度值为23.0 kPa，重塑土不排水抗剪强度值为5.4 kPa，灵敏度为4.3，为灵敏土。一般认为十字板测得的不排水抗剪强度是峰值强度，其值偏高。长期强度只有峰值强度的60%～70%。

本工程因基坑面积较大，施工过程较长，故淤泥抗剪强度取十字板测得的不排水抗剪强度的70%为设计指标，并根据测得的淤泥抗剪强度曲线，将淤泥层划分为上部和中下部两部分，上部为从地面到埋深为10 m的淤泥，粘聚力c=8.7，内摩擦角φ=2.9°；中下部为埋深10 m以下淤泥，c=10.7，φ=2.9°(φ根据实验测得)。

3 基坑支护结构选型

场地软土深厚，场地面2 m以下至基坑坑底以下两倍基坑深度均为软土。基坑开挖深度范围的土压力大，坑底以下出现深层滑动风险。故与JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》表3.3.2各类支护结构的适用条件[6]进行比较分析。

1)放坡和土钉墙。放坡适用于三级基坑，土钉墙适用于二、三级基坑。坡顶需要非常大的放坡空间，土钉需要非常长的长度，支护作用仅体现在基坑开挖面范围内，易出现坑底以下深层滑动。

2)重力式水泥土墙。此支护结构适用于二级和三级基坑。满足滑移稳定性，需具备2个条件：一是水泥土墙底面下土层应有较高的粘聚力和内摩擦角；二是水泥土墙需要有足够的自质量。这就意味着需要较长的桩长，桩底应进入软土下稳定土层，并需要较厚的墙体，提供较大的自质量。在侧向土压力作用下，背基坑一侧受拉，临基坑一侧受压，水泥土墙抗拉强度和抗剪强度不高，也需要较厚的墙体，需要非常高的成本和施工空间。

3)逆作法和盆挖法。此支护法需要较精确的施工要求，土方开挖时相当受限，需要增加较多的施工措施费，对施工提出了巨大挑战。

4)悬臂式结构。此支护结构侧向土压力较大，即使桩前被动区加固后，坑顶的变形亦无法控制。

5)双排桩。双排桩侧向土压力较大，桩前被动区应加固，桩端应进入软土下稳定土层，需要较大的施工空间。

6)支撑式结构。此结构侧向土压力较大，桩前被动区应加固，桩端应进入软土下稳定土层。桩顶约束采用内支撑，安全风险低。但支撑体系应具有统一性，基坑范围内应有支撑梁，需在满足拆撑条件时方可拆除，这会影响主体施工，给施工造成较大难度，从而影响施工工期。

7)锚拉式结构。此结构侧向土压力较大，桩前被动区应加固，桩端应进入软土下稳定土层。桩顶约束采用锚索，基坑内施工灵活。软土的锚杆极限粘结强度标准值较小，需要采取一定的措施保证足够的锚索拉力值。

本基坑工程具有面积大、周长长和工期紧的特点，故排除了支撑式结构、逆作法和盆挖法；具有坑顶施工空间小和成本要求低的特点，故排除了重力式水泥土墙和双排桩。因此，本工程采用了锚拉式结构[6]，排桩采用工字型钢，锚索采用预应力扩孔锚索，被动区采用单轴水泥土搅拌桩，基坑开挖面止泥帷幕采用三轴水泥土搅拌桩，即采用SMW工法桩+预应力扩孔锚索结合被动区加固的支护方案。

4 设计计算

4.1 支护剖面

SMW工法桩+预应力扩孔锚索结合被动区加固的支护剖面如图2所示。

图 2支护形式剖面图(单位：mm)Fig. 2 Section of foundation(unit:mm)

SMW工法桩采用型钢作为水平受力结构，水泥土搅拌桩为止泥帷幕。扩孔锚索采用普通钻机引孔，通过高压旋喷在扩孔段进行高压注浆形成较大直径锚固体，高压泵泵压不少于15 MPa，扩孔后其锚固体直径不少于400 mm。支护结构采用理正深基坑F-SPW 7.0进行设计计算，被动区土体加固深度和宽度在迭代计算中确定，加固体深度以到计算零点为准，加固宽度以坑顶要求的变形控制为准。

4.2 被动区土体

被动区土体参数指标是设计计算结果正确的关键。被动区水泥土搅拌桩的搭接宽度不宜小于150 mm，28 d无侧限抗压强度不宜小于0.8 MPa。为节约投资，一般可采用格栅形式布置，格栅的面积置换率在软土中不宜小于0.7～0.8，格栅内侧的长宽比不宜大于2，每个格栅内的土体面积应符合JGJ 120-2012《建筑基坑支护技术规程》公式6.2.3的要求[6]。

被动区土体的计算参数可采用复合参数法[7]，取φsp≈φs，Csp=(1-αs)ηCs+αsCp。其中，φsp、Csp为土与加固体复合抗剪强度指标；φs、Cs为土的抗剪强度指标；Cp为加固体的抗剪强度指标；η为土的强度折减系数，一般取η=0.3～0.6；αs为坑内被动区(局部)加固体置换率。则Cp=(0.2～0.3)qu，其中qu为28 d无侧限抗压强度。

加固深度一般小于围护结构插入深度，由以往经验可知，加固深度达到围护桩计算零点则可满足设计要求。故有

其中：a、b、h0分别为加固宽度、范围和深度；L为相邻两加固体的中心距；hp为支护桩插入深度；φs为土的内摩擦角。

本工程被动区主要设置于中下部淤泥层中，通过迭代计算，被动区土体的深度为6 m，宽度为4.6 m，采用格栅式布置，3 m为一单元。计算参数采用复合参数法，取：

φsp≈2.9°，

5 计算结果与实测对比分析

图3 深层水平位移对比Fig.3 Comparison of deep horizontal displacement

目前，基坑已经顺利开挖至坑底。开挖至坑底时的深层水平位移的计算值(理论值)和现场实测值的对比结果如图3所示。

由图3可见，计算结果的桩顶位移为16.81 mm，深层水平最大位移出现在深度约6.5 m位置，最大位移值为46.27 mm；实测数据的桩顶位移为24.3 mm，深层水平最大位移出现在深度约6 .5 m位置(同理论计算结果)，最大位移值为41.8 mm。理论计算结果和实测值的深层水平位移曲线均为“大肚子”形状，最大值位置大致相同，深度约6.5 m位置，即基坑开挖坑底处。出现该情况的原因是支护为柔性结构，桩顶有锚索约束，桩顶位移得到了约束。

基坑开挖深度范围无约束，坑底以下软弱土层侧向约束小，在主动土压力作用下会发生坑内变形。两倍基坑深度以下，计算结果和实测值有所偏差。基于设计经验，之所以出现该情况，一是因为实测时测斜管底端是相对固定不动的；二是因为在理论计算时，土体抗剪强度较小，桩端仍然有向基坑内移动的趋势。为保证基坑的安全，再加上施工条件的限制，本研究未进行剖面比较，这有待于条件具备时采用多种实际深度加以验证。

可见，实测值和计算结果两倍基坑深度范围内的深层土体水平位移是基本吻合的，满足了工程对变形控制的要求，验证了加固区土体参数选取的合理性。

6 结论

通过SMW工法桩+预应力扩孔锚索结合被动区加固的支护方案在深厚软土深基坑工程中顺利实施的案例，并结合计算结果和实测分析可得：(1)对于深厚软土深基坑，桩锚支护方案是可行的。在保证基坑安全的同时，施工灵活，缩短工期。基坑开挖工程中，因坑内无支撑梁等障碍，施工工期得到了保证；因施加预应力扩孔锚索和被动区加固，基坑变形得到了有效的控制，保证了基坑的安全。同时，采用此方案灵活了施工，并缩短了工期。(2)在深厚软土层中，有效应力随深度加深而加大，抗剪强度随深度加深而加大，可通过现场原位试验将土层进行分层，获取更符合实际的设计指标。(3)被动区土体的抗剪强度指标通过参数复合法计算是合理的。(4)深层水平位移曲线呈“大肚子”形状，位移最大位置约处于坑底标高处。