反壓土在某軟土懸臂支護基坑中的應用

朱禮鵬

(深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

為滿足深圳地區航空業務量的增長，深圳寶安國際機場開展了三跑道擴建工程。作為三跑道擴建的重要保障工程，4#調蓄池泵閘站新建工程在機場4#調蓄池南側新建一座抽排流量為72.0m3/s、抽排揚程為2.7m的排澇泵站。工程基坑位置占用調蓄池及海堤，需要對現狀調蓄池進行場平后開挖施工，施工過程中需破除海堤，同時要保障城市防潮安全，邊界極其復雜。因此基坑需分兩期實施，一期實施海堤內側調蓄池部分，二期實施海堤及臨海側部分。

一期基坑寬70m、長90m，呈七邊形，面積為6553m2。為匹配三跑道施工進度，縮短施工工期，減少城市防潮風險，基坑采用懸臂式支護。海堤側基坑深12.65m，海堤外五年一遇高潮位為2.74m，普通懸臂式支護無法滿足安全要求，因此需要結合泵站主體分縫，利用海堤子堤填石對該段基坑進行反壓。

除《巖土工程治理手冊》[1]中將反壓土簡化為被動區土地的豎向應力及對支護結構的橫向應力外，目前國內尚無其他規范或手冊明確反壓土的計算方法。在工程應用方面，竇華港等人[2- 3]結合實際工程設計與施工中的反壓土對該工藝應用進行了分析。王寧等人[4- 5]對水利工程中的基坑設計及監測進行了分析。

金亞兵等人[6- 8]開展了反壓土對基坑支護的作用及簡化計算方法研究，提出了附加荷載法、Boussinesq附加應力法、彈性地基梁法等反壓土分析計算方法；李順群等人[9- 11]通過數值計算、室內模型試驗及有限元方法分析了反壓土效果的影響因素，給出了經濟效益較大的反壓土截面特性；蔣邵軒[12]通過室內模型試驗及有限元分析驗證了反壓土的效果，給出了較經濟的反壓土尺寸；劉暢等人[13- 14]通過有限元計算分析了軟黏土蠕變特性對圍護結構及基坑穩定變形的影響。目前常用的深基坑設計軟件無法考慮反壓土的作用，文章針對海堤側基坑懸臂咬合樁并利用現狀子堤填石回填作為反壓土的工法，通過彈性地基梁法計算反壓土水平反力系數的比例系數后代入深基坑設計軟件計算基坑穩定、變形參數及樁身內力，結合基坑監測資料，驗證反壓土的實際效果。

1 反壓土工作機理及計算方法

反壓土對基坑的作用主要體現在以下兩個方面：①以基底超載的形式作用于基坑底，增大基坑內被動土壓力，同時通過增大被動土壓力相對于樁底的作用力臂的方式實現力矩增加以減小嵌固深度，增強整體穩定性；②反壓土提供對支護樁的水平向彈簧剛度，有效增加基坑側的作用力，減小支護樁的水平位移，減小基坑外地面沉降。

根據文獻調查，反壓土的計算方法主要有以下四種：附加荷載法[6]、Boussinesq附加應力法[9]、彈性地基梁法[7]、有限元法。其中附加荷載法及Boussinesq附加應力法均只能應用于基坑抗滑移計算、抗傾覆穩定驗算及嵌固深度計算；彈性地基梁法及有限元法可用于支護樁的內力及位移計算，因此更適用于實際工程設計中。彈性地基梁法需要對被動區及反壓土體的彈簧剛度系數進行計算，且不同深度的彈簧剛度系數并非呈線性分布，因此采用手動計算難度較大，文章采用GEO5及MADIS GTS NX軟件進行計算。

2 工程計算分析

2.1 工程背景

場地原始地貌為濱海灘涂地，現狀為原4#調蓄水池以及海堤路。工程區域地層自上而下依次為素填土、填石、淤泥、黏土、中砂、砂質黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖。土體物理力學參數見表1。

場地地表水主要為海水，海水水位高程為-0.8～2.0m。水位波動受潮汐影響較大，變化幅度為2～3m。場地混合穩定水位埋深為1.00～6.70m，混合穩定水位高程為-3.37～1.65m，地下水位變化受季節性大氣降水的下滲及潮汐影響較大，變化幅度為2～3m。地下水主要由海水、大氣降水補給，排泄方向大致由東北向西南，最終匯入大海。地下水與海水關系密切，漲潮時，地下水受海水補給；退潮時，地下水排入海中。

表1 土體物理力學參數

2.2 基坑支護設計

一期基坑位于現狀4#調蓄池水域內，現狀地面高程為-1.0～-4.5m，無法開展基坑開挖及主體結構施工作業，因此采用先填后挖施工工藝。首先采用進占法填筑填石圍堰，再采用進占法往場平范圍內填筑黏土至設計場平高程1.5～2.5m。待沉降完成后，鋪設臨時施工道路，道路頂高程為2.5m。

文章研究的海堤側支護段位于基坑東南側，為方便基坑支護樁施工，將一、二期基坑支護樁設置于主海堤與子海堤之間的黏土位置。主堤堤頂高程為5.65m，逐級放坡至施工平臺1.5m，基坑底高程為-7.00m，基坑深12.65m。樁頂以上通過主、子堤間黏土防滲，樁頂以下通過咬合樁防滲。根據鉆孔資料，主、子堤間并非全為黏土，且填石未落底，被動區存在1～3m厚的淤泥，采用φ1200@2000沖孔灌注樁支護，樁長29m，嵌固深度為20.5m，如圖1所示。

圖1 海堤側基坑支護斷面圖(水位單位：m;尺寸單位：mm)

2.3 計算與分析

海堤側基坑開挖深度為12.65m，長70m，樁頂放坡4.15m，樁基豎直支護段為8.50m。采用灌注樁支護，素砼咬合樁止水(只考慮其止水作用)。根據文獻[12]分析，當反壓土高度h=0.5H(基坑深度)、寬度bl=0.75h時，反壓土的技術與經濟效益最明顯；根據泵站主體結構分縫，一期施工泵站主體離基坑邊緣7.0m，為不影響泵站主體施工，設置反壓土頂部寬2.6m，底部寬7.0m，高3.5m，支護樁入土深20.5m，支護樁樁長29.0m。

采用南京庫侖GEO5軟件對海堤側反壓土基坑進行計算設計，并通過MIDAS GTS NX有限元軟件對海堤側基坑模型分別按無反壓土及有反壓土兩種工況進行模擬。

對于反壓土的模擬，其豎向作用根據土體自重可以直接在軟件中考慮，因此最關鍵的是如何確定反壓土的水平反力系數。當采用彈性地基梁算法時，反壓土的土彈簧剛度見下式：

(1)

α(z)=SAFGC/SACI

(2)

β=b/λH

(3)

式中，z—從反壓土頂面到計算點的深度,m；zB、zC、zD、zE—反壓土頂至反壓土水平系數上限分界點B、基坑底C、下限分界點D、樁底E處的距離；m—地基基床系數隨深度變化的比例系數；α(z)—反壓土體的形狀系數；β—由于反壓土左側存在臨空面而引入的松弛修正系數，可根據土質條件、反壓土頂寬、坡度、高度、降水效果、工期，并結合經驗綜合確定，本工程中為了達到更好的效果，采用抽條法施工，并將開挖出的子堤填石回填至坑底，因此開挖對原土有一定的擾動，土臺發生應力松弛，β取0.8；λH—基坑開挖影響范圍，λ一般取3～5。

圖2 海堤側基坑反壓土作用分析簡圖(單位：m)

如圖2所示，由于軟件只能對反壓土體設置一個m值，因此需要計算反壓土的綜合m值代入軟件計算。經計算，AB段長1.82m，α(z)=1；BC段長1.68m，α(z)=0.77～1.0；CD段長3.64m，α(z)=0.61～0.77。由于軟件中按AF作為基坑底邊線，已考慮反壓土對CD段的土彈簧剛度增大作用，因此不再按式(1)單獨計算。

對于AC段，通過簡單加權平均可得其綜合α(z)=0.95。同時，反壓土部分土彈簧剛度與其有效寬度有關，對于任意K點的土彈簧剛度可表達為

k=k0(KM/KN)

(4)

k與m值成線性關系，因此可直接在軟件輸入m值時考慮KM/KN的比例系數，對于反壓土AFHC，比例系數為0.1～0.21，取均值0.155，因此反壓土的m值可以簡化為0.147m0。

m簡化=α(z)·(KM/KN)·m0=0.147m0

(5)

土的水平反力系數的比例系數m按下式計算：

(6)

式中，vb—支護樁在坑底處的水平位移量，可經試算獲得，為11mm。此時，各層土體的m值見表2。

表2 水平反力系數的比例系數m值 單位：MN/m3

計算模型如圖3所示。設置反壓土時樁基內力、位移、土壓力等計算結果如圖4、圖5所示。從計算結果可知，樁頂最大位移為84.4mm，樁身最大彎矩為1796.15kN·m，最大剪力為576.76kN，反壓土的水平反力系數為0～82.95MN/m3。

設置反壓土與不設置反壓土工況計算結果對比見表3、表4。由結果對比可知：增設反壓土可以顯著降低樁頂位移及樁基內力，促使基坑滿足規范及安全要求。當不設置反壓土時，樁頂位移為335.3mm，樁身最大彎矩為4923.17kN·m，最大剪力為872.78kN，樁基內力過大，懸臂支護無法滿足安全要求，需要另設支撐、錨索附加措施。

圖3 計算模型

表3 支護樁內力及位移計算結果

表4 支護樁內力及位移計算比較

圖4 土的水平反力系數、土壓力及位移

圖5 樁基內力

3 監測資料分析

為了解設置反壓土后的基坑實際運行情況，取海堤側支護樁頂水平位移及海堤沉降的實測數據分析。共布設樁頂水平位移監測點4個，如圖6所示。由結果可知，邊緣測點WY22、WY23樁頂水平位移較小，開挖后穩定在24.5mm與7.2mm左右；中部測點WY20穩定在51mm，測點WY21在基坑開挖后持續增大，特別在10月初由于抽條反壓土施工及坑外水位變化從60mm增至80mm，開挖施工結束后基本穩定在90mm。可見樁頂水平位移與計算結果基本一致，樁頂位移與施工中對反壓土的擾動較為敏感。

圖6 海堤側基坑樁頂水平位移時程曲線

基坑后側海堤布設沉降觀測點2個，如圖7所示。測點CJ7變化較均勻，并與2021年10月后趨于穩定，CJ6沉降較大，并在6月中旬至8月初開挖期間沉降較劇烈。開挖至底板施工時，CJ6沉降量為21.1mm，CJ7最終沉降量為10.4mm。總體而言，樁后海堤沉降較為穩定。

圖7 海堤沉降時程曲線

4 結語

(1)通過彈性地基梁法計算反壓土的水平反力系數的比例系數后簡化代入設計軟件計算，可實現更準確地模擬反壓土水平作用，為反壓土基坑的設計分析提供了新的思路。

(2)采用反壓土工藝，能顯著減小懸臂支護樁的樁頂位移及樁身內力，縮短施工工期，減小基坑造價。

(3)由于反壓土的m值為隨深度變化的曲線，直接手算后難以應用，文章通過加權簡化后代入軟件使用，計算精度有限，建議開展m值與現有設計軟件的銜接程序設計，為反壓土基坑設計提供程序化工具。

(4)文章未對反壓土體失效機制及破壞時程效應進行分析，建議通過開展破壞模型試驗及更多的工程案例進行研究。