軟土深基坑不對等開挖深度的支護結構設計

鄭金伙

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

軟土深基坑不對等開挖深度的支護結構設計

鄭金伙

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

對于深基坑支護工程，當基坑周邊不同位置開挖深度不同時，基坑四周的土壓力是不均衡的，圍護樁的變形趨勢也是不同的。當圍護樁出現往坑外位移趨勢時，作用在圍護樁上的土壓力應按被動土壓力考慮，而不是主動土壓力。當圍護樁外側的被動土壓力不足以抵抗支撐力時，會出現坑外土體破壞，特別是軟土深基坑。此時應對坑外土體進行加固處理，或者調整支撐體系改變支撐力的傳遞路線。

軟土；深基坑；不對等開挖深度；支護結構

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引 言

在軟土地區，當基坑深度超過7m時，一般采用圍護樁加內支撐的支護形式，以確保基坑的安全，減小對周邊環境的影響。當同一地下室不同位置的開挖深度不同，比如局部為兩層地下室、局部為三層地下室時，支護結構設計時應考慮兩側土壓力不對等的影響。

1 不對等開挖深度的圍護樁變形

(圖1)為不對等開挖深度的支護結構示意圖。根據《建筑基坑支護技術規程JGJ120-2012》，作用在支護結構外側上的土壓力為主動土壓力，如(圖2)。當支撐體系兩端開挖深度和地面堆載相同時，圍護樁一般是向坑內變形，如(圖3a)。當支撐體系兩端開挖深度不同時，支撐體系會向開挖較淺的一側位移，這樣開挖較淺位置的圍護樁就有可能向坑外移動，這時作用在圍護樁外側上的土壓力就不能按主動土壓力計算，而應按被動土壓力考慮，如(圖3b)。

圖1 不對等開挖深度的支護結構示意圖

圖2 作用在支護結構上的土壓力

值得注意的是，開挖較淺一側的圍護樁((圖1)中的Z2、Z3)不一定都會向坑外變形。圍護樁Z2、Z3的變形跟開挖深度比h2/h1和水平距離S有關。

我們可以采用PLAXIS軟件進行數值分析，地質條件如表2所示，h1=15m，S=30m。不同開挖深度比h2/h1下圍護樁Z1、Z2、Z3的變形情況如(圖4、圖5、圖6)。分析結果表明，圍護樁Z1都是往坑內變形，屬于正常情況。圍護樁Z2在h2開挖較淺時樁頂往坑外移動，當h2越挖越深，則改為向坑內變形。圍護樁Z3都是向坑外位移，且隨著h3的減小往坑外位移的幅度越大。因此圍護樁Z3的外側土壓力不應按主動土壓力考慮，應按被動土壓力考慮。在用軟件進行輔助設計時，應對土壓力進行調整。

圖3 不同工況下的圍護樁變形

(a)h2=1/3*h1 (b)h2=1/2*h1 (c)h2=2/3*h1

(a)h2=1/3*h1 (b)h2=1/2*h1 (c)h2=2/3*h1

(a)h2=1/3*h1 (b)h2=1/2*h1 (c)h2=2/3*h1

2 不對等開挖深度時的土體破壞

當圍護樁外側為軟土時，土體提供的土壓力可能不足以抵抗支撐力，這時圍護樁外側會出現土體破壞，如(圖1)中的圍護樁Z3。這是非常危險的情況。(表1)為不同開挖深度下的支撐軸力。

表1 不同開挖深度下的支撐軸力

這時需要通過對圍護樁外側土體加固，提高土體的抗剪強度，從而提高土體所提供的被動土壓力。一般采用攪拌樁或高壓旋噴樁進行處理。如(圖7)所示。

加固前淤泥的C=8kPa，Ф=6°，主動土壓力系數ka=tg2(45°-0.5*φ)=0.81；被動土壓力系數kp=tg2(45°+0.5*φ)=1.23，

當h3=7.5m，主動土壓力Ea=256.5kN/m，被動土壓力EP1=686.7kN/m。第二道支撐軸力為349kN/m，大于主動土壓力Ea，但小于被動土壓力EP1，不會出現土體破壞。

當h3=5m，主動土壓力Ea=90kN/m，被動土壓力EP1=334.8kN/m。第二道支撐軸力為377.5kN/m，遠遠大于主動土壓力Ea，也大于被動土壓力Ep1。這時就會出現土體破壞。加固后C=15kPa，Ф=15°,被動土壓力系數kp=tg2(45°+0.5*φ)=1.7，被動土壓力EP2=444kN/m；可見加固后被動土壓力提高了33%，已大于支撐軸力，滿足要求。

圍護樁外側土體的加固范圍不能太小，否則無法達到處理效果。加固范圍可通過被動土壓力破壞線確定，如(圖7)所示。加固深度超過軟土即可。

圖7 土體加固剖面圖

圖8 基坑總平面圖

3 工程實例

某工程總平面如(圖8)所示，地下室分為南北兩區，北側A區為三層地下室，面積4018m2，基坑開挖深度為12.2m；南側B區為兩層地下室，面積12114m2，基坑開挖深度為8.1m。場地地質條件如(表2)。

南側B區開挖較淺，但基坑面積較大，如果采用內支撐體系經濟性不佳。考慮到周邊場地較為開闊，采用SMW工法樁(Φ850@600攪拌樁內插H型鋼300*700)加擴孔錨桿支護。北側A區開挖較深，采用Φ900@1200灌注樁加兩道混凝土內支撐支護。兩區地下室交界位置采用Φ700@1000灌注樁支護。

北側A區的第一道支撐平面如(圖9)所示，在本區范圍內采取對撐體系，與南側B區的支護結構只是冠梁相連。第二道支撐由于考慮到施工棧橋的布置，擬將對撐改為角撐，角撐的另一端為兩區地下室交界位置的圍護樁，如(圖10)所示。這是典型的不對稱開挖深度，剖面圖如(圖11)所示。計算表明，第二道支撐的軸力為365kN/m。而兩區地下室交界位置的圍護樁外側是淤泥，被動土壓力為238.2kN/m。可見第二道支撐軸力大于圍護樁外側的被動土壓力，會出現土體破壞。由于南側B區兩層地下室已先行開挖，且考慮到工期因素，來不及進行土體加固，因此第二道支撐還是按照第一道支撐的平面布置，采用對撐體系。

圖9 A區第一道支撐平面布置圖

圖10 A區第二道支撐平面布置圖

圖11 A區支護剖面圖(C-C剖面)

表2 各土層的分布及物理力學指標

4 結論

隨著城市建設的不斷擴大，特別是大型城市綜合體的快速發展，不對稱開挖深度在深基坑中越來越普遍。這種基坑由于四周土壓力不均衡，支護結構設計時應加以重視，尤其是在軟土地區。

本文通過軟件進行數值分析，并通過工程實例進行驗證，得出以下結論：

(1)不同開挖深度位置的圍護樁位移趨勢是不同的，有些是往坑內變形，有些是往坑外變形；

(2)當圍護樁往坑外位移時，作用在圍護樁上的土壓力應按被動土壓力考慮，而不能按主動土壓力考慮；

(3)當圍護樁往坑外位移時，特別是圍護樁外側為軟土時，支撐軸力會大于被動土壓力，可能出現外側土體破壞；

(4)當圍護樁外側土體可能出現破壞時，可以采用攪拌樁或高壓旋噴樁進行地基加固。也可以通過調整支撐體系平面布置來改變支撐力的傳遞路線。

[1]JGJ120-2012，建筑基坑支護技術規程[S].

[2]劉建航，侯學淵.基坑工程手冊[M].1997.

[3]GB50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

Supporting Structure for Asymmetric Depth of Foundation Pit in Soft Clay

ZHENGJinhuo

(Fujian Architectural Design & Research Institute, Fuzhou, 350001)

With regard to retaining and protecting of deep foundation, the surrounding soil pressure is unbalanced due to the asymmetric depth. Meanwhile, the deformation tendency of retaining pile is different as a consequence. Passive earth pressure, not active earth pressure is taken into account when the pile has displacement toward outside of foundation pit. If passive earth pressure can not resist the braced force, soil mass outside would be destroyed, especially for soft clay pit. At this moment, soil mass outside should be strengthened. As an alternative, adjustment of bracing system can be used to change the route of force.

Asymmetric depth; Supporting structure; Deep pit; Soft clay

鄭金伙(1973.5- )，男，高級工程師。

2015-04-01

TU

A

1004-6135(2015)04-0070-04