基坑開挖對坑內工程樁的影響及保護措施研究

上海中環投資開發（集團）有限公司 上海 200060

1 研究背景

基坑工程在施工過程中，對坑底土是一個卸載的過程，因而會造成坑底土體回彈隆起，而且基坑開挖深度越大，坑底土體的回彈隆起也就越明顯。由于土體的隆起，對樁體產生了向上的摩阻力，從而導致工程樁上浮，樁身受拉（圖1）[1-3]。這種效應不可忽視，嚴重時工程樁可能會被拉斷。如上海某基坑開挖深度13 m，基樁采用長30～37 m鉆孔灌注樁，基坑開挖完成后，基樁檢測結果表明，約30%工程樁在樁身中部發生斷裂，造成了嚴重的質量缺陷[4]；廣東東莞市某基坑開挖深度5.0 m，采用長12～20 m PHC管樁，基坑開挖完成后經高應變測試，40%的樁基承載力達不到設計要求，使工程一度陷入癱瘓[5]。

圖1 受回彈影響的基樁受力情況

為了研究工程樁在基坑開挖過程中受到的影響，筆者采用有限差分軟件FLAC對這一過程進行了模擬。相比于一般的有限元分析軟件，FLAC能夠更合理地模擬材料的塑形破壞和塑形流動，并且對于大變形的情況也有較好的計算效果，因而對巖土工程較為適用[6]。

在民用建筑的基坑施工中，涉及得較多的是1層或2 層地下室，其開挖深度一般為5～10 m，故本文選取開挖深度為10 m的基坑工程作為本文的研究對象。

2 數值模型的建立

所研究的基坑工程地處上海，其開挖深度為10 m，圍護樁長度22 m，插入比為1∶1.2。工程樁先于圍護樁進行施工，長度為30 m。工程樁距圍護樁的水平距離為4 m。選取基坑的一個斷面進行研究，并利用對稱性，選取基坑斷面的1/2作為分析對象，開挖寬度為15 m。基坑采用2 道鋼筋混凝土支撐。

為減小計算中邊界效應的影響，模型寬度取為3 倍的基坑開挖寬度，模型底部距工程樁樁底20 m。模型尺寸為45 m×60 m。土體網格尺寸1 m×1 m。模型約束條件為底邊界固定約束，左右邊界水平方向約束，上邊界自由，如圖2所示。

圍護樁和工程樁采用beam單元模擬，并通過接觸面單元與兩邊土體進行連接。支撐同樣采用beam單元模擬，支撐的左節點同圍護樁的節點進行固結，右節點約束水平方向位移。土體本構模型采用 Mohr-Coulomb模型。

3 算例參數的確定

土層為上海典型土層，場地土層從上到下依次為：①填土、②黏土、③淤泥質粉質黏土、④淤泥質黏土、⑤1黏土、⑤2粉質黏土、⑥暗綠色粉質黏土、⑦粉砂、⑧黏土。土的本構模型采用Mohr-Coulomb模型，其計算參數見表1。

圖2 FLAC模型及網格

表 1 土體參數

圍護樁采用Φ700 mm@1 000 mm的鉆孔灌注樁，樁長22 m，混凝土強度等級為C30，工程樁采用Φ700 mm的鉆孔灌注樁，送樁至坑底，有效樁長30 m，混凝土強度等級為C30。基坑采用2 道鋼筋混凝土支撐，混凝土強度等級C30，第1道支撐距坑頂1 m，第2道支撐距第1道支撐4 m且距離坑底5 m，2 道支撐的截面均為800 mm×800 mm。考慮坑邊6 m范圍內有施工超載10 kN/m2。

4 數值計算結果與分析

本基坑工程可以劃分為3 個開挖工況：

工況1：開挖至地表以下1 m，并設第1道支撐；

工況2：開挖至地表以下5 m，并設第2道支撐；

工況3：開挖至地表以下10 m，基坑開挖完成。

通過對各個工況的模擬計算，可以得出工程樁的位移及受力情況。

4.1 樁頂豎向位移

不同開挖工況下，工程樁的樁頂豎向位移見表2（向上為正）。可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，坑底土體卸載回彈，工程樁的樁頂豎向位移逐漸增加 ，最大時達到17.48 mm。

4.2 樁身軸力

表2 各工況時的樁頂豎向位移

不同開挖工況下，工程樁的樁身軸力見圖3（受拉為正）。因工況1對樁身軸力的影響較小，故圖中只標明了工況2和工況3下的樁身軸力。由圖3可以看出，當基坑開挖卸載時，工程樁樁身受到了較大的拉力作用，且隨著開挖深度的逐漸增大，樁身所受到的拉力不斷增大，當開挖到10 m時，樁身最大軸力達到了313.5 kN。此樁身所受上拔力，基本達到了樁身抗拉強度（僅考慮預應力承受拉力）。因此，對地下2層的地下室來說，當采用PHC管樁作為抗拔樁時，管樁的直徑應采用500 mm及以上的樁型。

圖3 各工況下的樁身軸力

4.3 樁側摩阻力

不同開挖工況下，工程樁的樁側摩阻力見圖4（向上為正）。由圖4可知，基坑開挖時，樁身上部受到向上的正摩阻力，樁身下部受到向下的負摩阻力，在樁身中間位置出現中性點。且與圖3比較可知，中性點的位置對應于樁身最大軸力的位置，此位置位于坑底以下12.5 m處。

5 對工程樁的保護措施

根據上海地區的基坑工程施工經驗，在基坑施工中，對工程樁的抗隆起保護，主要要注意以下2 點：

（a）保證工程樁足夠的插入深度。工程樁的施打必須滿足設計要求，樁底需插入持力層足夠的深度，保證工程樁在基坑挖土卸載時不會發生較大的位移。

（b）對坑底土體進行加固。基坑工程中常見的坑底土體加固措施主要包括雙軸/三軸水泥土攪拌樁法、注漿法、高壓旋噴法[7,8]。通過對坑底土體的加固，可以增強土體的強度，減少坑底土體的回彈，從而起到了保護工程樁的作用。

其中，雙軸/三軸水泥土攪拌樁法由于其造價經濟，且適宜于軟土，因而在上海地區得到了廣泛的應用。

6 水泥土攪拌樁加固效果分析

對于本工程案例，擬采用水泥土攪拌樁法進行坑底土體加固。為對比研究，采用了2 種加固方式。一種方式是加固寬度取8 m，加固深度取4 m；另一種方式是加固寬度取4 m，加固深度取8 m（圖5）。

圖5 水泥土攪拌樁的2 種加固方式

6.1 水泥土攪拌樁計算參數

采用雙軸水泥土攪拌樁，水泥摻入量為13%，水泥土的設計計算參數如表3所示，各參數表示同表1。

表3 水泥土計算參數

6.2 樁頂位移計算結果

以開挖10 m為參照標準，將各種加固方式下工程樁的豎向位移加以比較，見表4。由表4可知，采用8 mm×4 mm的加固方式，其控制效果要略好于采用4 mm×8 mm的加固方式。

表4 各種加固方式后的樁頂豎向位移

6.3 樁身軸力計算結果

以開挖10 m為參考標準，將2 種加固方式下工程樁的樁身軸力加以比較，如圖6所示。從圖6可看出，坑底采用8 m×4 m（寬×深）的加固方式，工程樁所受上最大拔力為260.7 kN，而采用4 m×8 m的加固方式，工程樁所受上最大拔力為273.0 kN。這也進一步證明，采用寬度較大型式的加固效果優于采用深度較大型式的加固效果。

圖6 各種加固方式下的樁身軸力

7 結語

（a）基坑開挖的回彈隆起會對工程樁產生上拔的側摩阻力，從而導致預先施工的工程樁上浮，并且使樁身受拉。隨著開挖的不斷加深，工程樁的位移和樁身所受拉力也不斷增大。因此，在工程樁的抗拔或抗壓設計時，應充分考慮卸土導致坑底土的回彈而引起工程樁承受上拔力的不利工況，適當加大工程樁的樁身配筋。

（b）在保證工程樁足夠的插入深度的情況下，并在基坑施工時對坑底土體進行一定的加固，可以起到保護工程樁的作用，從而減小基坑施工過程中坑底土體回彈對工程樁的不利影響。

（c）水泥土攪拌樁是一種軟土地區常用的坑底加固形式。通過計算的對比，表明在同樣的水泥土方量下，采用寬8 m、深4 m的加固方式，比采用寬4 m 、深8 m的加固方式能更有效地保護工程樁的安全。