反压土在某软土悬臂支护基坑中的应用

朱礼鹏

(深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000)

为满足深圳地区航空业务量的增长，深圳宝安国际机场开展了三跑道扩建工程。作为三跑道扩建的重要保障工程，4#调蓄池泵闸站新建工程在机场4#调蓄池南侧新建一座抽排流量为72.0m3/s、抽排扬程为2.7m的排涝泵站。工程基坑位置占用调蓄池及海堤，需要对现状调蓄池进行场平后开挖施工，施工过程中需破除海堤，同时要保障城市防潮安全，边界极其复杂。因此基坑需分两期实施，一期实施海堤内侧调蓄池部分，二期实施海堤及临海侧部分。

一期基坑宽70m、长90m，呈七边形，面积为6553m2。为匹配三跑道施工进度，缩短施工工期，减少城市防潮风险，基坑采用悬臂式支护。海堤侧基坑深12.65m，海堤外五年一遇高潮位为2.74m，普通悬臂式支护无法满足安全要求，因此需要结合泵站主体分缝，利用海堤子堤填石对该段基坑进行反压。

除《岩土工程治理手册》[1]中将反压土简化为被动区土地的竖向应力及对支护结构的横向应力外，目前国内尚无其他规范或手册明确反压土的计算方法。在工程应用方面，窦华港等人[2- 3]结合实际工程设计与施工中的反压土对该工艺应用进行了分析。王宁等人[4- 5]对水利工程中的基坑设计及监测进行了分析。

金亚兵等人[6- 8]开展了反压土对基坑支护的作用及简化计算方法研究，提出了附加荷载法、Boussinesq附加应力法、弹性地基梁法等反压土分析计算方法；李顺群等人[9- 11]通过数值计算、室内模型试验及有限元方法分析了反压土效果的影响因素，给出了经济效益较大的反压土截面特性；蒋邵轩[12]通过室内模型试验及有限元分析验证了反压土的效果，给出了较经济的反压土尺寸；刘畅等人[13- 14]通过有限元计算分析了软黏土蠕变特性对围护结构及基坑稳定变形的影响。目前常用的深基坑设计软件无法考虑反压土的作用，文章针对海堤侧基坑悬臂咬合桩并利用现状子堤填石回填作为反压土的工法，通过弹性地基梁法计算反压土水平反力系数的比例系数后代入深基坑设计软件计算基坑稳定、变形参数及桩身内力，结合基坑监测资料，验证反压土的实际效果。

1 反压土工作机理及计算方法

反压土对基坑的作用主要体现在以下两个方面：①以基底超载的形式作用于基坑底，增大基坑内被动土压力，同时通过增大被动土压力相对于桩底的作用力臂的方式实现力矩增加以减小嵌固深度，增强整体稳定性；②反压土提供对支护桩的水平向弹簧刚度，有效增加基坑侧的作用力，减小支护桩的水平位移，减小基坑外地面沉降。

根据文献调查，反压土的计算方法主要有以下四种：附加荷载法[6]、Boussinesq附加应力法[9]、弹性地基梁法[7]、有限元法。其中附加荷载法及Boussinesq附加应力法均只能应用于基坑抗滑移计算、抗倾覆稳定验算及嵌固深度计算；弹性地基梁法及有限元法可用于支护桩的内力及位移计算，因此更适用于实际工程设计中。弹性地基梁法需要对被动区及反压土体的弹簧刚度系数进行计算，且不同深度的弹簧刚度系数并非呈线性分布，因此采用手动计算难度较大，文章采用GEO5及MADIS GTS NX软件进行计算。

2 工程计算分析

2.1 工程背景

场地原始地貌为滨海滩涂地，现状为原4#调蓄水池以及海堤路。工程区域地层自上而下依次为素填土、填石、淤泥、黏土、中砂、砂质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩。土体物理力学参数见表1。

场地地表水主要为海水，海水水位高程为-0.8～2.0m。水位波动受潮汐影响较大，变化幅度为2～3m。场地混合稳定水位埋深为1.00～6.70m，混合稳定水位高程为-3.37～1.65m，地下水位变化受季节性大气降水的下渗及潮汐影响较大，变化幅度为2～3m。地下水主要由海水、大气降水补给，排泄方向大致由东北向西南，最终汇入大海。地下水与海水关系密切，涨潮时，地下水受海水补给；退潮时，地下水排入海中。

表1 土体物理力学参数

2.2 基坑支护设计

一期基坑位于现状4#调蓄池水域内，现状地面高程为-1.0～-4.5m，无法开展基坑开挖及主体结构施工作业，因此采用先填后挖施工工艺。首先采用进占法填筑填石围堰，再采用进占法往场平范围内填筑黏土至设计场平高程1.5～2.5m。待沉降完成后，铺设临时施工道路，道路顶高程为2.5m。

文章研究的海堤侧支护段位于基坑东南侧，为方便基坑支护桩施工，将一、二期基坑支护桩设置于主海堤与子海堤之间的黏土位置。主堤堤顶高程为5.65m，逐级放坡至施工平台1.5m，基坑底高程为-7.00m，基坑深12.65m。桩顶以上通过主、子堤间黏土防渗，桩顶以下通过咬合桩防渗。根据钻孔资料，主、子堤间并非全为黏土，且填石未落底，被动区存在1～3m厚的淤泥，采用φ1200@2000冲孔灌注桩支护，桩长29m，嵌固深度为20.5m，如图1所示。

图1 海堤侧基坑支护断面图(水位单位：m;尺寸单位：mm)

2.3 计算与分析

海堤侧基坑开挖深度为12.65m，长70m，桩顶放坡4.15m，桩基竖直支护段为8.50m。采用灌注桩支护，素砼咬合桩止水(只考虑其止水作用)。根据文献[12]分析，当反压土高度h=0.5H(基坑深度)、宽度bl=0.75h时，反压土的技术与经济效益最明显；根据泵站主体结构分缝，一期施工泵站主体离基坑边缘7.0m，为不影响泵站主体施工，设置反压土顶部宽2.6m，底部宽7.0m，高3.5m，支护桩入土深20.5m，支护桩桩长29.0m。

采用南京库仑GEO5软件对海堤侧反压土基坑进行计算设计，并通过MIDAS GTS NX有限元软件对海堤侧基坑模型分别按无反压土及有反压土两种工况进行模拟。

对于反压土的模拟，其竖向作用根据土体自重可以直接在软件中考虑，因此最关键的是如何确定反压土的水平反力系数。当采用弹性地基梁算法时，反压土的土弹簧刚度见下式：

(1)

α(z)=SAFGC/SACI

(2)

β=b/λH

(3)

式中，z—从反压土顶面到计算点的深度,m；zB、zC、zD、zE—反压土顶至反压土水平系数上限分界点B、基坑底C、下限分界点D、桩底E处的距离；m—地基基床系数随深度变化的比例系数；α(z)—反压土体的形状系数；β—由于反压土左侧存在临空面而引入的松弛修正系数，可根据土质条件、反压土顶宽、坡度、高度、降水效果、工期，并结合经验综合确定，本工程中为了达到更好的效果，采用抽条法施工，并将开挖出的子堤填石回填至坑底，因此开挖对原土有一定的扰动，土台发生应力松弛，β取0.8；λH—基坑开挖影响范围，λ一般取3～5。

图2 海堤侧基坑反压土作用分析简图(单位：m)

如图2所示，由于软件只能对反压土体设置一个m值，因此需要计算反压土的综合m值代入软件计算。经计算，AB段长1.82m，α(z)=1；BC段长1.68m，α(z)=0.77～1.0；CD段长3.64m，α(z)=0.61～0.77。由于软件中按AF作为基坑底边线，已考虑反压土对CD段的土弹簧刚度增大作用，因此不再按式(1)单独计算。

对于AC段，通过简单加权平均可得其综合α(z)=0.95。同时，反压土部分土弹簧刚度与其有效宽度有关，对于任意K点的土弹簧刚度可表达为

k=k0(KM/KN)

(4)

k与m值成线性关系，因此可直接在软件输入m值时考虑KM/KN的比例系数，对于反压土AFHC，比例系数为0.1～0.21，取均值0.155，因此反压土的m值可以简化为0.147m0。

m简化=α(z)·(KM/KN)·m0=0.147m0

(5)

土的水平反力系数的比例系数m按下式计算：

(6)

式中，vb—支护桩在坑底处的水平位移量，可经试算获得，为11mm。此时，各层土体的m值见表2。

表2 水平反力系数的比例系数m值 单位：MN/m3

计算模型如图3所示。设置反压土时桩基内力、位移、土压力等计算结果如图4、图5所示。从计算结果可知，桩顶最大位移为84.4mm，桩身最大弯矩为1796.15kN·m，最大剪力为576.76kN，反压土的水平反力系数为0～82.95MN/m3。

设置反压土与不设置反压土工况计算结果对比见表3、表4。由结果对比可知：增设反压土可以显著降低桩顶位移及桩基内力，促使基坑满足规范及安全要求。当不设置反压土时，桩顶位移为335.3mm，桩身最大弯矩为4923.17kN·m，最大剪力为872.78kN，桩基内力过大，悬臂支护无法满足安全要求，需要另设支撑、锚索附加措施。

图3 计算模型

表3 支护桩内力及位移计算结果

表4 支护桩内力及位移计算比较

图4 土的水平反力系数、土压力及位移

图5 桩基内力

3 监测资料分析

为了解设置反压土后的基坑实际运行情况，取海堤侧支护桩顶水平位移及海堤沉降的实测数据分析。共布设桩顶水平位移监测点4个，如图6所示。由结果可知，边缘测点WY22、WY23桩顶水平位移较小，开挖后稳定在24.5mm与7.2mm左右；中部测点WY20稳定在51mm，测点WY21在基坑开挖后持续增大，特别在10月初由于抽条反压土施工及坑外水位变化从60mm增至80mm，开挖施工结束后基本稳定在90mm。可见桩顶水平位移与计算结果基本一致，桩顶位移与施工中对反压土的扰动较为敏感。

图6 海堤侧基坑桩顶水平位移时程曲线

基坑后侧海堤布设沉降观测点2个，如图7所示。测点CJ7变化较均匀，并与2021年10月后趋于稳定，CJ6沉降较大，并在6月中旬至8月初开挖期间沉降较剧烈。开挖至底板施工时，CJ6沉降量为21.1mm，CJ7最终沉降量为10.4mm。总体而言，桩后海堤沉降较为稳定。

图7 海堤沉降时程曲线

4 结语

(1)通过弹性地基梁法计算反压土的水平反力系数的比例系数后简化代入设计软件计算，可实现更准确地模拟反压土水平作用，为反压土基坑的设计分析提供了新的思路。

(2)采用反压土工艺，能显著减小悬臂支护桩的桩顶位移及桩身内力，缩短施工工期，减小基坑造价。

(3)由于反压土的m值为随深度变化的曲线，直接手算后难以应用，文章通过加权简化后代入软件使用，计算精度有限，建议开展m值与现有设计软件的衔接程序设计，为反压土基坑设计提供程序化工具。

(4)文章未对反压土体失效机制及破坏时程效应进行分析，建议通过开展破坏模型试验及更多的工程案例进行研究。