加固体“暗撑”在软土深大基坑工程中的应用.pdf

文章编号：1007-2993（2023）04-0486-06加固体加固体“暗撑暗撑”在软土深大基坑工程中的应用在软土深大基坑工程中的应用权威朱浦栋（中南勘察基础工程有限公司，湖北武汉430080）【摘要】以临长江、临铁路的武汉项目为例，提出搅拌桩加固作为“暗撑”使用的一种支护措施，用于深厚软土、环境紧张且变形控制严格条件下的基坑工程。该支护措施可有效提高支护结构抗变形能力，降低支护桩桩径及配筋率，方便土方外运，保护工程桩。有限元模拟计算及工程实测数据表明，坑底加固“暗撑”对于支柱桩水平位移约束明显，桩身变形及地面沉降满足相应要求，可为类似基坑工程中的应用提供借鉴。【关键词】被动区加固；基坑；暗撑【中图分类号】TU 473 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2023.04.020Application of Solid Concealed Bracing in Deep and Large Foundation PitEngineering in Soft SoilQuan WeiZhu Pudong(Central South Exploration&Foundation Engineering Co.,Ltd.,Wuhan 430080,Hubei,China)【Abstract】Taking a project near Yangtze River and railway in Wuhan as an example,the mixing pile reinforcement was used asconcealed bracing for supporting in foundation pit engineering under the conditions of deep and weak stratum,limited surrounding en-vironment and strict deformation control.This supporting measure can effectively improve the deformation resistance of the supportstructure,reduce the pile diameter and reinforcement ratio of the support pile,facilitate the outward transportation of earthwork andprotect the engineering pile.The finite element simulation calculation and measured data show that the horizontal displacement of thepillar pile is obviously restricted by the concealed bracing at the bottom of the pit,and the pile deformation and ground settlement meetthe corresponding requirements.This research could provide reference for the application of similar foundation pit projects.【Key words】passive zone reinforcement；foundation excavation；concealed bracing 0 引言我国城市地下空间开发的规模逐渐加大，城市深基坑工程日益增多。对于含深厚淤泥的基坑工程，开挖过程中支护结构变形较大是基坑支护关注的首要问题，研究表明14，对于含深厚软土的基坑，对基坑被动区加固能显著改善支护结构的受力及变形，而搅拌桩作为主要方法之一56，在基坑工程中得到了普遍应用。众多学者对被动区加固的变形控制效果进行了分析，马海龙等7、秦爱芳等8、屈若枫等9研究了被动区深度和宽度对支护体系受力与变形的作用，且给出了合理的建议值；侯新宇等10总结了加固体对超大深基坑的作用，最终显示，搅拌桩加固能减小 27%的支护结构变形，且能明显抑制坑底隆起；郑俊杰等11、熊春宝等12针对不同的被动区形式进行了研究，得到了不同加固方式的加固效果并给出工程意见。但多数研究重点关注加固深度和宽度以及加固方式带来的影响，未综合考虑加固体宽度与基坑尺寸存在明显空间效应时被动区加固体的效果。以武汉白沙洲长江大桥西侧老关村 K3 地块基坑工程为例，基于二维数值模拟，介绍搅拌桩加固体作为“暗撑”结构在基坑工程中的应用。不同于常规被动区加固结构作用长度有限，大型狭长型基坑的搅拌桩直接从基坑支护桩的一侧通向基坑的另一侧支护桩，形成基底以下具有一定强度的连续水泥土墙，提高了支护结构的被动区抗力，类似一道看不见的支撑。实践证明，该方法可以弥补深厚软土基坑土方挖运困难、支撑结构层数过多、被动区抗力过小等不足，作者简介：权威，男，1984 年生，硕士，主要从事岩土工程设计及施工。E-mail： 第 37 卷第 4 期岩土工程技术Vol.37 No.42023 年8 月Geotechnical Engineering TechniqueAug，2023充分发挥搅拌桩加固的优点，丰富了长江级阶地上的基坑支护方法，具有一定借鉴意义。1 基坑工程概况及特点 1.1 工程概况老关村 K3 地块位于武汉市汉阳区长江路老关村，项目含 2 栋 3440 层办公楼，5 栋 4555 层住宅楼、3 层裙房及整体 2 层地下室。基础形式为桩筏板基础，持力层落于中等风化岩。基坑开挖面积约 45600 m2，周长约 1300 m，东西向宽度 144 m，南北向长度 572 m。主体结构0.000=+26.650 m，基坑分为机械车位区域和普通车位区域，机械车位区域基坑普挖标高12.750 m，电梯坑中坑标高15.15018.950 m；普通车位区域基坑普挖标高10.150 m，电梯坑中坑标高12.550 m。场地东南角地势高，整个场地整平标高+23.500+25.500 m。基坑深度 7.0011.60 m，基坑安全性等级为一级。基坑周边环境图及监测点平面布置图见图 1。N8 m1 m7 m6 m2 m2 m2 m5 m15 m15 m15 m7 m24 m4 m4 m26#楼27#楼25#楼24#楼23#楼22#楼21#楼 图 1 基坑周边环境及监测点平面布置图 1.2 工程特点（1）基坑大基坑开挖面积 45600 m2，周长约 1300 m，深度7.0011.60 m，属深大基坑。（2）基坑周边环境紧张基坑西侧临杨泗港货运铁路专线，本项目剪力墙与铁轨最近处 3.7 m；东侧临长江 80 m 堤防保护线，南侧临天然基础砖混民房，铁路及砖混民房对于基坑引起的地面沉降较为敏感。（3）深厚软弱土层项目地处长江左岸级阶地，支护坑壁范围内存在平均厚度约 14 m 的淤泥质粉质黏土层，深厚软土孔隙比大，含水量高，灵敏度高，抗剪强度低，工程性质差。（4）施工工期紧，施工组织考验大项目位于长江防洪控制区，紧贴堤防保护线，基坑施工与开挖需考虑长江丰水期停工对整体工期安排的影响。（5）土方挖运量大，挖运困难因基坑面积大，深度深，坑底土质软弱，土方外运工程量大，且基坑整体为狭长型，不便于设置下坑坡道，从而造成土方挖运困难。2 场区环境地质条件场地地貌单元为长江左岸级阶地。各土层的参数见表 1 及典型土层剖面见图 2。根据埋藏条件、地下水动力特征，地下水类型主要分三类：上层滞水、孔隙承压水、基岩裂隙水。上层滞水无统一自由水面，水量不大；孔隙承压水主要赋存于中部的互层及圆砾层中，富水性较强，接受地下径流侧向补给，与长江水有一定的水力联系，该承压水的水头高程约为地面下 3 m。基岩裂隙水赋存于下部粉砂质泥岩的裂隙中，按其埋藏条件属弱承压水，对基坑开挖影响较小。3 支护结构设计 3.1 基坑支护方案本基坑周边环境条件及工程地质条件复杂，基坑设计方案的关注点在于对西侧杨泗港铁路的保护，以及长江丰水期时政策要求停工对于整体项目工期权威等：加固体“暗撑”在软土深大基坑工程中的应用487的影响。根据普速铁路线路修理规则，线路轨道静态几何不平顺容许偏差管理值（V80 km/h“计划维修”）中轨距、水平、高低容许变化值在 6 mm 以内。鉴于此种情况，基坑支护总体方案可考虑明挖顺做（钻孔灌注桩+一道混凝土内支撑+被动区加固支护体系）。同时基坑根据建设方的整个施工规划安排分成两期施工，一期为南侧的 23#27#住宅楼，二期为北侧的21#22#商业楼。基坑围护平面图及各区段灌注桩设置情况见图 3 和表 2。27#楼26#楼25#楼24#楼23#楼22#楼21#楼 图 3 基坑支护平面图 表 2 不同区段开挖深度与支护桩型号统计表区段挖深/m桩径和间距/mm桩长/m东侧8.511.610001300150029.533.5南侧7.51000150030西侧7.010.91100130015003034北侧9.611.41000130015003334.5一二期分界9.61100150033.5车位分界处4.25900140024 3.2 搅拌桩加固体“暗撑”的设计根据湖北省地标建筑地基基础技术规范（DB422422014）中第 10.1.1.12 条要求：“采用灌注桩的高度超过 50 m 的高层建筑，当承台下存在厚度大于 2 m 的淤泥或 fak60 kPa 饱和软土时，应对承台下和承台间软土进行加固或换填处理。承台间和承台下可采用搅拌桩格构式加固，承台下处理深度不用小于 2 m，加固范围为承台周边外不少于 1 m”。本项目主楼筏板底需进行搅拌桩加固处理，结合基坑空间形状呈狭长型的特殊性，被动区加固与主楼加固近乎相连。出于对软土基坑开挖的安全性把控以及项目工期的严格要求，通过再次增设加固体，被动区加固协同主楼筏板加固、坑中坑高差加固等共同形成以主楼为核心，基坑东西向连通的地下加固“暗撑”受力体系，在增加被动区抗力的同时，有效降低支护 表 1 土层物理力学参数表层序土名重度/(kNm3)抗剪强度压缩/弹性模量E/MPac/kPa/()1杂填土18.58182.52黏土16.5861耕土18.4642淤泥16.71041粉质黏土18.818102.82淤泥质黏土17.71250.53粉质黏土18.419103.24粉质黏土夹粉土18.21583.05互层土18.210142.71含碎石粉质黏土20.735162圆砾19.83363.5黏土19.028141粉砂质泥岩19.62粉砂质泥岩22.8暗撑20.04.0支护结构24.03250 高程/m(1985国家高程基准)241680816243240整平:23.500 m整底:13.900 mQml 杂填土Q4al 粉质黏土Q4al 粉质黏土Q4al 粉质黏土夹粉土(KE)dn 粉砂质泥岩1(KE)dn 粉砂质泥岩2Q4al 粉质黏土、粉土、粉砂互层5Q3al+pl 圆砾2Q3al+pl 含碎石粉质黏土Q4al 淤泥质黏土112341 图 2 典型地质剖面图488岩土工程技术2023 年第 4 期结构变形，减小桩径，降低配筋率，形成上部混凝土支撑+下部搅拌桩“暗撑”的联合支撑体系。搅拌桩采用粉喷桩支护，桩径 500 mm400 mm400 mm，实桩部分水泥掺入量 15%，空孔部分水泥掺入量 7%。见图 4图 6。普通车位二层地库区域坑中坑高差加固坑中坑高差加固主楼筏板加固形成暗撑加固被移动区加固 图 4 基坑加固体平面图 26.500 m21.500 m15.200 m桩顶 23.100 m支撑 22.600 m基底 13.900 m500400400粉喷桩被劫区加固65450三轴水泥搅拌桩500400400 搅拌桩被劫区加固11001500钻孔灌注桩立柱桩钢立柱混凝土支撑砖砌挡墙排水沟排水沟底板换撑详见大样楼板换撑杨泗港铁路货运专线限定荷载 50 kPa1,粉质黏土,fak=90 kPa2,淤泥质粉质黏土,fak=60 kPa3,粉质黏土,fak=120 kPa4,粉质黏土夹粉土,fak=85 kPa5,互层土,fak=95 kPa2,圆砾,fak=400 kPa1,杂填土,fak=60 kPac=8 kPa,=18 c=18 kPa,=10 c=12 kPa,=5 c=19 kPa,=10 c=15 kPa,=8 c=10 kPa,=14c=3 kPa,=36 图 5 普通区域基坑典型剖面图（单位：mm）4 有限元计算分析 4.1 有限元模型采用 MIDAS GTS 软件建立了不同桩径（D=0.81.7 m）下不采用“暗撑”和采用“暗撑”的有限元模型，对“暗撑”的加固效果进行分析。所选剖面为临近铁路，变形监测最大的区域，即图 1 中监测点 CX25 所对应的位置。不同分析工况下有限元模型如图 7 所示，土体采用修正莫尔库仑模型，支护结构采用理想弹塑性本构模型1315。土层及支护结构参数见表 1。4.2 有限元对比计算结果分析不加固（坑底不做处理）时的支护桩水平方向变形及受力如图 8 所示，被动区加固时支护桩水平方 排水沟排水沟砖砌挡墙650450三轴水泥土搅拌桩650450三轴水泥土搅拌桩混凝土支撑混凝土支撑钢立柱立柱桩立柱桩钢立柱搅拌桩加固连接形成暗撑 图 6 加固体暗撑区域典型剖面图（单位：mm）杂填土互层圆砾铁路路基内支撑暗撑被动区加固被动区加固支护桩支护桩立柱桩格构柱粉质黏土淤泥质黏土粉质黏土粉质黏土夹粉土 图 7 有限元模型权威等：加固体“暗撑”在软土深大基坑工程中的应用489向变形及受力如图 9 所示，施加“暗撑”时支护桩水平方向变形及受力如图 10 所示，不同工况下支护桩最大水平位移及最大弯矩对比如图 11 和 12 所示。DISPLACEMENTTX/mBEAM FORCEBENDING MDHDNT Y/(kNm)+1.54849e002+1.29508e002+1.04168e002+7.88272e003+5.34867e003+2.81462e003+2.80571e0042.25348e0034.78753e0037.32158e0039.85562e0031.23897e0021.49237e00211.7%5.8%4.2%6.3%20.0%2.1%2.1%16.7%9.6%4.2%5.0%12.5%+1.04081e+003+8.67343e+002+6.93874e+002+5.20406e+002+3.46937e+002+1.73469e+002+0.00000e+0001.73469e+0023.46937e+0025.20406e+0026.93875e+0028.67343e+0021.04081e+0036.0%7.7%10.1%9.4%11.4%12.4%14.8%5.7%5.0%7.0%7.0%3.4%图 8 坑底未加固时支护桩的水平位移及弯矩图（D=1.1 m）DISPLACEMENTTX/mBEAM FORCEBENDING MDHDNT Y/(kNm)+8.56655e003+7.15414e003+5.74173e003+4.32931e003+2.91690e003+1.50449e003+9.20752e0051.32034e0032.73275e0034.14516e0035.55758e0036.96999e0038.38240e00311.7%6.7%11.3%14.2%4.2%2.1%2.1%1.7%15.8%12.1%6.7%11.7%+6.09588e+002+5.07990e+002+4.06392e+002+3.04794e+002+2.03196e+002+1.01598e+002+0.00000e+0001.01598e+0022.03196e+0023.04794e+0024.06392e+0025.07990e+0026.09588e+0025.0%10.3%12.4%10.9%8.3%9.7%14.2%4.7%6.5%6.8%5.3%5.9%图 9 被动区加固时支护桩的水平位移及弯矩图（D=1.1 m）DISPLACEMENTTX/mBEAM FORCEBENDING MDHDNT Y/(kNm)+5.24412e003+4.35265e003+3.52117e003+2.65970e003+1.79822e003+9.36749e004+7.52748e0057.86200e0041.64767e0032.50915e0033.37062e0034.23210e0035.09357e00315.4%10.0%8.3%8.3%5.8%2.1%2.1%4.2%10.0%7.5%10.0%16.3%+5.34783e+002+4.45653e+002+3.56522e+002+2.67392e+002+1.78261e+002+8.91306e+001+0.00000e+0008.91306e+0011.78261e+0022.67392e+0023.56522e+0024.45653e+0025.34783e+0022.4%5.8%13.1%12.8%10.6%10.0%13.1%10.3%7.3%6.7%5.8%2.1%图 10 暗撑加固时支护桩的水平位移及弯矩图（D=1.1 m）2520151050水平位移/mm桩径/m0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7不加固暗撑被移动区加固 图 11 支护结构最大水平位移由图 8图 12 可以看出：基坑坑底被动区施加“暗撑”相比于被动区加固，相比不施加“暗撑”，可以有效减小支护桩的水平位移和弯矩，且随支护桩径的变大，支护桩的水平位移逐渐减小，弯矩逐渐变大。当被动区不加固时，桩径 1.1 m 对应的最大水平位移为 15.5 mm，最大弯矩为 1040.8 kNm；被动区加固时，桩径 1.1 m 对应的最大水平位移为 8.57 mm，最大弯矩为 609.3 kNm；施加“暗撑”时，桩径 1.1 m 对应的最大水平位移为 5.24 mm，最大弯矩为 534.8 kNm。在位移控制相当的情况下，施加“暗撑”比被动区加固和不加固所需的桩径及弯矩都要小，因此在基坑坑底施加“暗撑”可以有效减小支护桩的直径和配筋率。5 基坑监测 5.1 监测点项目及布设原则（1）沿基坑周边每隔 20 m 设置一处水平和竖向位移监测点，铁路处沿基坑边方向全长加密布置。（2）沿基坑周边每隔 25 m，特别中部、阳角及代表性的部位设置围护桩深层水平位移监测点。（3）支撑轴力监测，布置在支撑长度的 1/3 处，每种支撑截面不少于 3 个。（4）道路沉降监测点，沿基坑边道路每隔 25 m布置一监测点。现场施工见图 13。图 13 现场施工图片 5.2 监测结果图 14、图 15、图 16 展示基坑开挖至设计基底标高时，铁路处水平变形和沉降实测结果以及围护结构深层水平位移变形实测结果。结果表明：铁路侧沉降量最大为 D25 监测点，最大值为 4.86 mm；铁路侧水平变形量为 D25 监测点，最大值为 4.50 mm；支护桩深层水平位移最大为 CX18 监测点，最大为 8.15 mm。由图可知，桩撑结构在基坑运行过程中，能够很好地控制水平位移。基坑围护结构的水平位移趋势与设计计算变形趋势一致，变形曲线整体趋势为“上下小，25002000150010005000最大弯矩/(kNm)桩径/m0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7不加固暗撑被移动区加固 图 12 支护结构最大弯矩490岩土工程技术2023 年第 4 期中部大”。基坑监测结果均没有达到设计提出的预警值，基坑处于安全状态，且监测数据均满足相关规范要求。54321水平变形量/mm2020-12-042020-12-142020-12-242021-01-042021-01-142021-01-242021-02-042021-02-102021-03-042021-02-24D25D26D27D28D29监测日期(年-月-日)图 14 铁路水平变形值 54321沉降量/mm2020-12-042020-12-142020-12-242021-01-042021-01-142021-01-242021-02-042021-02-102021-03-042021-02-24D25D26D27D28D29监测日期(年-月-日)图 15 铁路沉降量值 051015202530深度/m10123456789水平变形/mmCX3CX5CX8CX9CX10CX17CX18CX20CX23CX25 图 16 支护桩桩身水平变形值 6 结论（1）本工程结合项目特点、周边环境保护要求、场地空间等，在整体选择桩撑支护的前提下提出搅拌桩加固作为“暗撑”的支护措施，可有效提高软土区域被动区抗力，减小支护桩桩径，降低支护桩配筋率，提高支护体系抗变形能力。最终监测显示，基坑的整体变形效果控制较好，围护结构变形与铁路变形均在规范允许规定值以内。（2）加固体“暗撑”的顺利施工，不仅有效解决基坑开挖过程中土方车运输问题，同时也可保证已施工工程桩的安全，降低深厚软土区域基坑开挖的隐形风险。（3）本工程是深厚软土区域的深基坑支护，后续可进一步研究“暗撑”刚度以及间距等工作性状对基坑的影响，对类似地质、环境、工程规模条件下的基坑方案设计、施工建设等提供借鉴。参考文献 王随新.土体加固对基坑围护结构的影响分析J.兰州交通大学学报，2008，27（1）：28-31.1 蔡伟铭.水泥土挡土结构的水平位移计算C/软土地基理论与实践.北京:中国建筑工业出版社,1992.2 夏建中，罗战友，龚晓南.基坑内土体加固对地表沉降的影响分析J.岩土工程学报，2008，30（S1）：212-215.3 罗战友，刘薇，夏建中.基坑内土体加固对围护结构变形的影响分析J.岩土工程学报，2006，28（S1）：1538-1540.4 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