軟黏土基坑抗隆起穩定性研究

傅鑫暉

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

軟黏土基坑抗隆起穩定性研究

傅鑫暉

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

目前我國所采用的抗隆起穩定性計算忽略了支護結構底以下滑動區內土的重力對隆起的抵抗作用。基此，文章以福州某軟土基坑為研究對象，對支護樁底未穿透軟土層的基坑進行了抗隆起計算分析，并據計算分析結果提出新的計算方式。認為：在計算軟土較厚的底層時，應充分考慮開挖一側坑底滑動面以內土體重力對隆起的抵抗作用；開挖側坑底滑動面以內土體的加固，可以對基坑隆起破壞起到一定的抵抗作用。

軟黏土；抗隆起破壞；土體加固

0 引言

隨著城市的發展，基坑規模越來越大，開挖深度也越來越深，且市區往往建筑物密集、管線繁多，因此基坑支護結構除了滿足自身強度以及確保地下工程建造中的安全，還應當滿足變形要求。在福州地區，軟土分布較廣，主要成因類型為濱海沉積軟土，其主要工程性質有：觸變性、流變性、高壓縮性、低強度、低透水性、不均勻性等。因此，在軟土地區開挖基坑應充分考慮圍護結構變形及隆起破壞對周圍建筑及交通環境的影響。

國內外專家學者針對軟土深基坑的抗隆起穩定性問題做了相關研究，其中，黃茂松等[1]采用Casagrande各項異性強度表達式，分析了基于Prandtl模式的抗隆起穩定；姚燕明等[2]采用彈性地基上的板殼有限元，分析了坑底土體加固的深度、密度，加固的程度對基坑變形的影響；張飛等[3]設計了狹長深基坑的抗隆起離心模型試驗，分析了不同開挖深度和水位條件下基坑隆起穩定破壞機制；夏建中等[4]以彈性地基梁法為基礎，建立了基坑的二維有限元分析模型；張耀東等[5]在Bjerrum-Eide方法的基礎上進行了改進，提出的抗隆起穩定計算改進公式可以綜合考慮支護墻體的入土深度、基坑坑底的軟土層深度、坑底地基處理和工程樁等對隆起穩定的影響；王成華等[6]基于Terzaghi承載力理論提出了基坑抗隆起穩定分析的臨界寬度法，得出了最可能發生基坑抗隆起失穩破壞的坑外臨界寬度。

本文以福州某軟土基坑工程為例，分析了坑底加固土對基坑抗隆起所起到的作用。研究結果對福州軟土地區的抗隆起的設計和施工具有理論及實際參考價值。

1 工程概況

該工程基坑設有1層地下室，開挖深度5.9m，坑中坑位置開挖深度7.5m。場地四周均為已有建筑物，基坑距最近已有建筑物外墻僅有6m，基坑平面尺寸如圖1所示。場地上部巖土層為：①雜填土，1.7m～2.2m；②淤泥，厚28.9m～30.3m；②-1黏土，厚2.2m～2.4m；③卵石，厚1.8m～12.9m。基坑開挖范圍內的地下水主要為雜填土層中的上層滯水。

圖1 基坑平面示意圖

場地典型地質剖面及地勘報告建議的各土層物理力學參數分別如圖2和表1所示。

表1 土層計算參數

圖2 地質剖面圖

2 支護形式

基坑支護采用內支撐式排樁支護(SMW工法樁)，圍護樁采用Φ650三軸水泥攪拌樁內插HM488×300型鋼，型鋼長18m～21m，內支撐采用圓形支撐及角撐，圓拱直徑49m，開挖側采用4m長單軸水泥攪拌樁對坑底被動區土體進行加固，基坑開挖深度范圍主要為②淤泥軟土層，基坑開挖支護斷面如圖3所示。

圖3 基坑開挖支護斷面圖

3 抗隆起計算

從支護底部開始，逐層驗算抗隆起穩定性[7]，結果如下：

支護底部，驗算抗隆起：Ks> 1.800，抗隆起穩定性滿足。當基坑底部以下為軟土時，其嵌固深度應符合下式中以支撐為軸心的圓弧滑動穩定性要求如圖4所示[7]。

式中，Kr——以最下層支點為軸心的圓弧滑動穩定安全系數；安全等級為一級、二級、三級的支擋式結構，Kr分別不應小于2.2、1.9、1.7；

cj、φj——分別為第j土條在滑弧面處土的黏聚力、內摩擦角；

lj——第j土條的滑弧長度；

qj——第j土條頂面上的豎向壓力標準值；

bj——第j土條的寬度；

θj——第j土條滑弧面中點處的法線與垂直面的夾角；

Gj——第j土條的自重，按天然重度計算。

圖4 以最下層支點為軸心的圓弧滑動穩定性驗算

然而，若以該公式進行抗隆起穩定性驗算則忽略了基坑開挖一側支護結構底以下滑動區內土體重力對隆起的抵抗作用，要使該項計算滿足工程需要僅能通過增加擋土構件嵌固深度來提高抗隆起穩定性，若軟土層較厚，構件嵌固深度甚至需要達到100m以上才能滿足要求，這顯然不符合工程實際。為了能滿足工程需要，設計時，對開挖側基坑坑底以下區域采用了數排水泥土攪拌樁進行坑底被動區土體加固，而最終的監測結果均滿足設計要求，周邊建筑未出現裂縫及傾斜，四周道路也并未出現沉陷。

4 抗隆起穩定驗算機理及公式的討論

對于開挖深度較大，且基坑底部有深厚軟土，同時支護結構嵌固深度較小的基坑，土體從支擋結構底端向基坑內隆起擠出是內支撐式支擋結構的一種破壞形式。這是一種土體喪失豎向平衡狀態的破壞模式，由于支撐只能對支護結構提供水平方向的平衡力，無法對隆起變形起到控制作用，因此，對深厚軟土層中的深基坑，依照規范公式，只能通過增加擋土構件嵌固深度來提高抗隆起穩定性。

規范所采用的抗隆起穩定性驗算方法為承載力的Prandtl極限平衡理論公式，但Prandtl理論公式忽略了支護結構底以下滑動區內土的重力對隆起的抵抗作用以及基坑外擋土構件底部以上的土體的剪應力對隆起的抵抗作用。

該公式忽略了基坑開挖一側坑底到支護樁底部滑動區域土體重力對圓弧滑動穩定安全系數的有益作用，導致了運用該公式的計算結果與實際情況有較大的偏差。基坑隆起破壞時，基坑圍護樁底端向坑內位移，擠壓坑內土體向上隆起，從而支撐向上曲折即基坑圍護樁頂端向外移動，上層支撐系統脫落或者向上折斷破壞。根據張飛等[3]的研究結果：軟土層中的深基坑工程，隨著開挖深度增大，圍護墻底向坑內位移逐漸增加，支撐系統表現出向坑外的負彎矩分布，即墻體外側受拉。當基坑開挖深度進一步加大，圍護墻插入深度嚴重不足時，底端向坑內的變形進一步增加，圍護墻出現繞某道支撐點向坑內轉動的踢腳破壞。在這一破壞過程中，如果在基坑開挖一側坑底采用被動土加固措施，就可以減少圍護樁向坑內的位移，從而降低隆起破壞的可能性。

為了充分考慮開挖側土體重力對抗隆起所起到的有益作用，筆者建議可采用如下公式進行以最下層支點為軸心的圓弧滑動穩定性驗算：

為簡化計算，將土體以支護樁為軸線，支護樁內外側土體等寬度劃分為數量相等的土條，即計算時，Gj和Gi分別為以支護為軸線，對稱分布的土條的自重，兩土條與支護樁的夾角如圖5所示。

圖5 考慮開挖側土體重力并以最下層支點為軸心的圓孤滑動穩定性驗算

采用該計算方式的計算結果為Kr=2.25>2.2滿足設計要求，同時，由于對被動區土體進行了加固，使該區域內Gi有所提高，對隆起破壞也起到了控制作用。但由于計算時無法準確確定加固土體所占比例，因此，計算時并未考慮被動區土重增加這一有利作用，僅將其作為安全儲備考慮，也與該工程的實際情況較為吻合。

5 結論

(1)以最下層支點為轉動軸心的圓弧滑動模式的穩定性驗算方法忽略了基坑開挖一側坑底滑動面以內土的重力對隆起的抵抗作用。因此，在軟土較厚的底層中計算結果與工程實際情況有較大偏差，應充分考慮開挖一側坑底滑動面以內土體重力對隆起的抵抗作用。

(2)開挖側坑底滑動面以內土體的加固提高了該區域土體的重度，對基坑隆起破壞能起到一定的抵抗作用。

[1] 黃茂松，宋曉宇，秦會來.固結黏土基坑抗隆起穩定性上限分析[J].巖土工程學報，2008，30(2)：250-255.

[2] 姚燕明，周順華，孫巍，等.坑底加固對平行換乘車站基坑變形影響的計算分析[J].地下空間，2004，24(1)：7-10.

[3] 張飛，李鏡培，孫長安，等.軟土狹長深基坑抗隆起破壞模式試驗研究[J].巖土力學，2016，10:2826-2832.

[4] 夏建中，羅戰友，龔曉南.基坑內土體加固對地表沉降的影響分析[J].巖土工程學報，2008，30(S1)：212-215.

[5] 張耀東，龔曉南.軟土基坑抗隆起穩定性計算的改進[J].巖土工程學報，2006，28(S1)：1378-1382.

[6] 王成華，鹿群，孫鵬.基坑抗隆起穩定性分析的臨界寬度法[J].巖土工程學報，2006，28(3)：295-300.

[7] JGJ120-2012 建筑基坑支護技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

Study on basal heave stability of soft clay foundation

FUXinhui

(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research,Fuzhou 350001)

At present, the calculation of the basal heave stability in our country ignores the resistance of the earth's gravity to the heave in the sliding zone at the bottom of the supporting structure. In this paper, a soft soil foundation pit in Fuzhou was taken as the research object, and the heave resistance of the foundation pit with soft soil was analyzed. The results show that the resistance from soil weight of the inside sliding plane should be considered when we calculate a thicker bottom soil layer of the soft soil. Besides, the reinforcement of the inside sliding plane soil has a certain resistance to basal heave failure.

Soft clay; Basal heave failure; Reinforcement of the soft soil

傅鑫暉(1984.11- )，男，工程師。

E-mail:fxhh@vip.qq.com

2017-02-24

TU

A

1004-6135(2017)05-0079-04