滇池湖相沉积软土场地基坑安全分析*

张福禄 阮永芬 刘克文 闫明 蔡龙

（1.昆明理工大学建筑工程学院，昆明 650500；2.云南建投第一勘察设计有限公司，昆明 650031；3.中铁十二局集团第五工程有限公司，昆明 650000）

0 引言

昆明市大部分地层为湖沼相，冲湖积形成的以黏性土、粉质黏土、泥炭质土和粉土层组成的地层，这样地层特别是浅层的土层工程性质较差，地基承载力不高［1］。地面下0～15m土层的地基承载力fak只有50～100 kPa，15 m以下fak一般为80～180 kPa。其中泥炭土的物质成分较复杂，呈多级团粒结构，是一种多组分、多级分、比较稳定的有机-无机复合物［2］，渗透系数小，扰动后强度下降大、抗剪强度指标及重度较低，在该类场地上的深基坑工程问题较多且复杂。

在基坑工程发展过程中，大量的学者对软土基坑沉降问题进行了研究分析。邵光辉等［3］考虑不同埋深处地基土的初始结构屈服面之间的相似性规律，应用结构性本构模型，对海相软黏土地基土体屈服与地基沉降之间的关系进行了研究；胡敏云等［4］分析了嵌岩桩筏基础的沉降特征，并提出了穿越软土层的嵌岩桩筏基础沉降的两个主要影响因素：沉渣效应和桩侧负摩阻。TARIQ M等［5］采用有限元模拟分析了一个桩端嵌入软岩的圆形桩筏基础的变形与承载能力。杨光华［6］分析了工程中土的沉降计算不准的根本原因，对硬土和软土的沉降的计算方法提出建议。

在基坑支护方面，王崇明等［7］介绍使用环形支撑梁排桩支护体系，具有控制周围环境发生小沉降的优势。蒋波等［8］通过自编有限元程序和现场数据对比分析，表明出在特殊情况基坑中环形支撑体系为一种有效的支撑形式；杨宇等［9］对采用“ESC-H组合型钢竖向支护结构+2排旋喷锚索”支护的深厚软土基坑坍塌事故原因进行分析，结果表明是因场地承压水未作评判且ESC-H桩局限性很难嵌入到卵石层中所致。但对于软土地区深基坑采用内撑+排桩的支护方式中，出现立柱桩沉降导致内撑变形开裂的工程事故文章鲜有报道。本文针对滇池湖相沉积软土中内撑+排桩的深基坑支护工程，对基坑开挖过程中对称桁架梁绕曲变形出现裂缝和支护桩偏移原因等进行分析，并提出了有效的处理措施，可供类似工程参考。

1 工程概况

拟建项目位于昆明滇池路与广福路交叉口南侧，北侧是地铁站出入口，西北和东北侧是道路，西南和东南侧有建筑。项目主基坑区域设两层地下室，南侧4#、5#楼区域设置一层地下室。总建筑面积为112 500 m2，建筑占地面积181 29 m2。基坑周边环境及主体结构布置平面图如图1所示。

图1 基坑周边环境关系

基坑开挖深度为4.2～9.9 m，周长651 m，结合基坑开挖深度、周边环境复杂、地质条件较差，支护结构采用围护排桩+内支撑，内支撑布置为椭圆形大圆环+中部桁架支撑体系。围护桩为长螺旋钻孔灌注桩，桩径有600、800、1 000 mm共3种，桩间距有1 000、1 200、1 300 mm共3种。坑顶高3 m左右放坡加挂网喷混凝土，坡比为1∶1.5。冠梁、圆环梁截面尺寸分别为800 mm（900、1 100）×700 mm、1 150 mm×800 mm，腰梁及支撑主梁截面尺寸为700 mm×700 mm。立柱桩下部为直径800 mm的旋挖钻孔灌注桩，上部为4根160 mm×14 mm等边Q235B角钢用肋板焊接而成截面尺寸为420 mm×420 mm（440 mm×440 mm）格构立柱桩，嵌入桩内3.0 m，立柱桩有效桩长L=12 m（15 m），成梅花型布置，对称部分的立柱桩间距为17～24 m，圆环内撑和围护桩所围成部分的立柱间距为9m～16m，围护结构的砼强度等级均为C30。止水帷幕为厚850 mm三轴深层搅拌桩，桩间距1.2 m，桩长L=15.0～23.1 m，水泥为42.5普通硅酸盐水泥，掺入量为25%，水灰比为1.0～1.5，早强减水剂为水泥用量的3‰，生石灰掺量为水泥用量的5%～8%。基坑支护结构平面及剖面图分别如图2、图3所示。

图2 基坑支护结构平面布置

图3 基坑支护剖面

2 工程地质及水文地质

据场地地层结构及成因类型表明地层结构属多层型，地表为近期形成的人工填土，其下为第四系湖沼相、冲湖积相地层，以黏性土、泥炭质土和粉土层为主。按地层结构及代号顺序从上至下分别描述如下：①素填土Qml：由黏性土混含碎石组成，层厚0.50～5.70 m。②1杂填土Qml：为近期周边工程建设弃土，层厚0.50～3.50 m。①及②1层土结构松散欠固结。②有机质土：含少量碎石及薄层粉质黏土，有机质质量分数为3.2%～24.7%，灵敏度St=2.0左右。层顶埋深0.50～5.40 m，层厚0.50～4.20 m。③泥炭质土：局部夹薄层有机质土或相变为有机质土，含多量腐烂植物残体，有腥臭味，质量分数为28.0%～42.8%，St为2.5左右，层顶埋深1.40～9.70 m，层厚0.60～8.80m。④粉土：结构稍密，局部中密，饱和。层顶埋深6.40～21.00 m，平均厚度4.31 m。④1黏土：灰褐色，局部含少量有机质，干强度及韧性高。St为1.87。层顶埋深6.50～21.00 m，层厚0.50～9.00 m，平均厚2.77m，整个场地均有分布。②、③及④1层土都是可塑为主，局部软塑。⑤有机质黏土：可塑状态，强度高、韧性高，质量分数为2.80%～10.5%，层顶埋深17.00～42.00 m，厚度0.50～18.20 m。建筑基坑支护技术规程［10］中规定对于地下水位以下的正常固结和超固结土黏性土、黏质粉土的抗剪强度指标应采用三轴CU或固快强度指标。当土体的fak≤90kPa时，用快剪强度指标，fak>90 kPa时，用固快强度指标［11］；该场地素填土、有机质土及泥炭质土的fak≤90kPa，其余类土fak>90kPa。各土层的主要物理指标如表1所示。

表1 土层的物理性质指标

场地附近地表水较为丰富。地下水位于地面下0.10～2.00 m，地下水类型主要为上层滞水，其下粉土、粉砂层中的第四系孔隙型潜水。

3 事故及原因分析

3.1 围护桩部分

支护桩及止水帷幕施工完后，土方开挖较快，开挖废土未及时运出，堆放在离基坑边缘宽10 m处，高4 m左右，等开挖近坑底处发现围护桩被剪断，从桩顶下1.5 m处桩身鼓出。选取西南部支撑主梁间距为10 m处，利用理正深基坑软件建模分析，Janbu法进行整体稳定计算，计算结果如图4所示。围护桩剪力最大值在桩顶处为521.32 kN，剪力作用使桩顶出现巨大位移；弯矩最大值靠近坑底为2 180.01 kN·m，弯矩作用使桩身在近坑底处被剪断，导致在桩顶下1.5 m开始桩身鼓出，接近坑底处位置有明显的裂痕。

图4 支护桩内力

3.2 对撑梁部分

基坑监测点布置图如图5所示。在立柱及对撑梁施工完成后，进行坑底挖土，基坑内撑中部立柱桩沉降监测结果出现危险报警，沉降最大点LZ29沉降达-240 mm，在支撑体系中支撑立柱间距较大的中、东、南及西部的对撑主梁的跨中都出现挠曲过大，并在主梁的立柱支撑点截面上侧出现裂缝，如图6所示。

图5 基坑监测点位置

图6 基坑内撑梁变形

用Midas/Gen有限元软件建立模型，模拟分析立柱桩沉降前后对内支撑梁受力的影响。对撑梁发生事故时，堆土已移除，计算围护桩承受坑壁的土压力如图7所示。工程边界条件是立柱桩埋入坑底下12 m，坑底下主要土层为粉土和黏土，=18.1 kN/m3；模型边界条件为桩弹性支撑，因土质偏软基地反力系数取为1 000 kN/m2［3］，c为9.5 kPa。该场地工程地质复杂，Midas/Gen计算的立柱桩沉降值比监测值小，为使模拟更接近实际，据立柱桩监测点处的累计沉降值，在其监测点处施加强制位移让其达到实际沉降值，监测点沉降后和监测点纠正并加补立柱的竖向沉降量如图8。模型结构图如图9所示，计算结果如图10所示。从图10（b）可看出，对撑梁跨中变形量达到危险报警值，沉降量最大两立柱LZ51和LZ47沉降分别为-156 mm和-177 mm，两立柱间距较大，该处对撑梁跨中下沉最为严重达-240 mm，造成内撑梁跨中出现严重挠曲，对撑梁的立柱支撑点处因负弯矩作用出现裂缝。与工程实际监测值作对比，立柱LZ51和LZ47间梁跨中沉降-225 mm差异不大，计算结果符合实际情况；图10（a）和图10（b）立柱施加沉降和不施加沉降对撑梁的变形对比，立柱不发生沉降时，监测点LZ29沉降-103 mm，由此可明显看出监测点LZ29沉降达-225 mm的主要原因是立柱桩的沉降造成的。

图7 基坑侧壁土压力

图8 立柱桩监测点累计沉降位移

图9 Midas/Gen基坑模型

图10 Midas/Gen基坑模型变形

分析其原因如下：①对撑梁部位立柱间距过大；②对称梁截面尺寸偏小，为700 mm×700 mm，刚度较弱，与同类型基坑对比，此基坑支护体系支撑梁，特别是位于基坑中部东西向支撑主梁及环梁截面及配筋偏小；③场地土质较差且复杂，导致梁底土方开挖过程中立柱桩发生不均匀沉降，引起对称梁发生挠曲开裂。

4 处理措施

围护桩部分：开挖到地下4 m左右才发现围护桩偏移，其变形也在控制范围内，故仅采取卸除堆土及反压分区施工措施。

对撑梁部分：①对撑梁端头对已开挖土方进行回填反压；②对撑梁沉降较大的部位用千斤顶进行纠偏，以避免梁受力偏心时产生附加弯矩；③对较明显裂缝用水泥砂浆或环氧树脂填补；④对下挠较严重的梁跨增设立柱桩，减小梁跨度；⑤增加对撑杆件，增设组合型钢（钢管）或桁架梁上增设钢筋混凝土连续板，加强对撑结构的强度及稳定性；⑥过程中提高监测频率，及时掌握其变化。

新增托梁布置在基坑中部对撑部位，以及西南、东南及东北角角撑部位，布置位置如图11所示。

图11 新增立柱平面布置

图12 立柱托梁大样

使用Midas/Gen有限元软件对加固后的整个基坑支护进行分析，结果如图13所示。LZ29所在位置处对撑梁的相对沉降量-0.135 mm，减小至加固前的一半，在实际工程中加固处理后，内撑在梁跨较大的跨中出现了下挠，支撑梁上部出现的裂缝得到有效控制，未造成破坏性的后果。

图13 Midas/gen基坑增立柱桩模型变形

5 结论

1）在湖相沉积的软土场地基坑，施工过程不能随意堆放废土、材料，其产生的附加荷载很容易引起地基土变形过大，导致支护桩偏移，影响基坑安全。

2）湖相沉积软土中，不对称开挖可能引起立柱桩产生不均沉降，对撑梁的支撑立柱间距不能设计过大，否则内撑梁极易出现变形和裂缝。

3）基坑施工过程中应提高监测频次，及时发现问题，在工程出现险情前，能提出合理可行的应急处理措施，避免险情发生。总之，基坑工程风险大，必须尊重科学，切忌盲目决策、盲目施工。