基于巖土工程勘察的基坑支護技術研究

劉曉東，張 建，趙偉河，劉賢德

（中化地質礦山總局山東地質勘查院，山東 濟南）

前言

通過巖土工程勘察獲得地層物理力學性質，判斷基坑開挖存在的風險以及可選用的支護方式。金雪蓮等[1]對帶撐式基坑開挖進行有限元模擬，得出墻體入土高度、基坑平面尺寸效應、支撐位置、支護結構的墻體剛度、支承剛度等是影響深基坑變形的主要因素。馬海龍[2]分析了被動區土體基坑支護合理加固深度為基坑開挖深度的0.55 倍，合理加固寬度為開挖深度的0.36 倍。于至海等[3]研究了軟土深基坑中對開挖段進行超前加固，認為裙邊加固的合理寬度可取基坑開挖深度的0.5 倍，滿堂加固的合理加固深度可取基坑開挖深度的0.3 倍。

由于基坑工程涉及到的學科知識較多，具有很強的綜合性，目前廣泛采用的基坑支護結構形式主要分為樁墻式和板墻式，結合工程綜合地質條件和周邊環境，對基坑支護進行設計選型和分析，才能最大限度的達到支護效果[4-6]。本文以酒店主體建筑基坑為研究對象，分析存在液化土層基坑支護的選型以及安全穩定性，以期為同類型項目提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況

擬建場地位于濟南市濟陽區同德街南側，東側距離銀河路約300 m，交通便利。項目總占地約9 780 平米，建筑總面積約3.3 萬平米。本次設計按基坑大開挖進行設計，主要建設內容包括1 棟酒店及裙房和地下車庫。地面標高現狀標高結合清表后為18.83～19.81 m 左右，坑底標高在12.90～14.8 m 之間，開挖深度約4.0～6.6 m。擬開挖基坑東西長約142.6 m，南北寬約52.0 m，基坑支護總長度約384.2 m。場地地形起伏不大，擬建場區屬黃河沖積平原地貌單元，地形較平整，局部略有起伏，場地平整后，現狀標高約18.83～19.81 m。基礎平面布置圖見圖1。

圖1 基礎平面布置圖

勘區地下水主要為第四系孔隙潛水，以大氣降水入滲、側向徑流為主要補給來源，以人工開采、側向徑流和地面蒸發為主要排泄方式；勘察期間測得各鉆孔穩定水位埋深0.64～1.60 m之間，水位標高平均值為18.40 m，水位變幅約1～2 m，根據區域水文地質資料，勘區歷史最高地下水位及近3～5 年最高地下水位標高可按20.00 m考慮。

2 場地巖土工程條件

該場區為黃河沖積平原地貌，通過勘察及查閱區域地質資料，勘察區新構造活動不強烈，地震活動水平較低，建筑場地屬區域地質構造穩定場地，場區及附近無大的活動斷裂帶通過，未見滑坡、泥石流等不良地質作用的跡象，場區覆蓋層20 m 深度內的第4 層粉土為液化土，場地液化等級為輕微液化，場區擬建物應按建筑抗震設計規范采取相應的抗液化措施，場地附近不存在故河道、河岸、海岸、邊坡等可能產生液化橫向擴展的地段。勘測擬建場區基坑支護及地下水控制深度范圍內巖土層共16 層，其中與基坑支護設計相關地層為第一層到第十層。典型地質剖面圖見圖2，相關地層參數見表1。

表1 巖土相關物理力學參數

圖2 典型地質剖面圖

3 地基基礎分析

場區第①層素填土為特殊性巖土。第①層素填土回填時間短、結構松散，均勻性、穩定性較差，為周邊建筑工地渣土堆填所致，未經處理不宜直接作為基礎持力層，配套建筑采用天然地基方案，將第1 層素填土全部挖除，以第4 層粉土為地基持力層，基礎形式可選用筏板基礎。

由于第4 層粉土為液化土且地基承載力低，主體建筑采用天然地基方案不能滿足設計要求，可采用復合地基方案（CFG樁），以第10 層黏土為CFG樁樁端持力層，樁端進入樁端持力層不小于2 d，樁長不宜小于16 m。

對有粘結強度增強體復合地基應該按照式[7]（1）進行計算：

式中，fspk為復合地基承載力特征值（kPa）；fsk為處理后樁間土承載力特征值（kPa）；m 為面積置換率；λ 單樁承載力發揮系數；Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；Ap為樁的截面積（m2）；β 為樁間土承載力發揮系數。

增強體單樁豎向承載力特征值可按照式（2）進行估算：

式中，up為樁的周長（m）；qsi為樁周第i 層土的側阻力特征值（kPa）；lpi為樁長范圍內第i 層土的厚度（m）；αp為樁端端阻力發揮系數；qp為樁端端阻力特征值（kPa）。

復合地基承載力fspk按300 kPa 考慮，則計算相應的置換率m值估算見表2。

其中αp=1.0、λ=0.8、β=0.9；考慮到樁間土第4 層粉土為輕微液化土，處理后的樁間土承載力特征值fsk取其120 kPa。地基面積置換率為7.85%～8.0%，滿足規范要求。

擬建物 孔位 樁頂標高 樁長(m)(mm) 持力層 R?(kPa) 樁端進入持力層深度(m)樁徑f????(kPa)M(%)K9 14.95 16 500 619.7 3.24 301.4 8.00綜合體 第10 層黏土K11 14.95 16 500 630.2 3.83 301.4 7.85 K14 14.95 16 500 300.4 2.72 300.4 8.10 K16 14.95 16 500 301.6 3.45 301.6 7.90

4 基坑開挖與支護分析

基坑邊坡擬采用懸臂樁、樁錨、雙排樁、SMW 工法樁、土釘墻、放坡掛網噴面方式進行支護；通過基坑周邊設置止水帷幕、帷幕內管井降(疏)水配合集水明排及周邊回灌等措施進行地下水控制；通過對基坑坡頂水平位移和沉降、深層水平位移、錨桿軸力、周邊建筑及管線變形、地下水位等監測，為信息化施工和優化設計提供依據，確保基坑支護結構及周邊環境安全。

4.1 地下水和地表水控制

為減少基坑工程降水所形成的降落漏斗對周邊市政道路、既有建筑物的影響，綜合考慮場地水文地質條件、周邊環境及經濟比選，采用全封閉止水帷幕、帷幕內降疏水配合集水明排措施降低坑內地下水位。

在帷幕內側沿基坑周邊布置降水井，井間距約10 m，共計37 眼；基坑內部布置疏干井，疏干井間距約15 m，共計18 眼，降水井、疏干井井深均為15.0 m，若存在電梯井、集水坑等局部超挖結構，需另行處理。成井規格：孔徑700 mm，井管直徑500 mm。井管采用混凝土無砂濾水管，外層濾水網采用棕皮或雙層50 目濾網，管壁外側回填中粗砂

在基坑開挖時，距基坑頂外圍設置擋水墻，防止雨水回灌基坑。擋水墻寬240 mm×高300 mm；基坑周圍場地應硬化處理，并按1%坡度向外找坡，防止降水下滲。根據邊坡支護和土層情況，在填土等含水層部位沿邊坡自上而下布置泄水孔，泄水孔水平和豎向間距為2.5米，泄水孔材料采用A75PVC 管，泄水管入土長度不小于500 mm，排水管進入土層部分設置成花管，外包濾布，反濾包采用中粗砂。基坑坡底按照30 m間距設置集水坑，坑內亦設置一定數量的集水坑，以便及時排出大氣降水和坡面上層滯水。

4.2 基坑支護

本文選取三軸攪拌樁+混凝土灌注樁+錨索加固的支護形式進行分析研究，基坑支護典型斷面圖見圖3。支護采用前后兩直徑均為1 000 mm 的鉆孔灌注樁，樁長19.0 m，混凝采用標號為C30。三周攪拌樁直徑為650 mm，樁長為19.0 m 或者進入10 層黏土不小于1.50 m。灌注樁一側掛網噴射混凝土60 mm，冠梁尺寸為1 200×800，混凝土強度等級為C30。

圖3 基坑支護典型斷面圖

4.3 穩定性計算

基坑支護后邊坡整體穩定性計算采用瑞典條分法，計算公式如式（3）所示，穩定性計算應力狀態采用總應立法，條分法中的土條寬度取1.0 m，取剛度折減系數K=0.85。

式中，FS為安全系數；MR為滑移面上土條抗滑力矩之和；MT為滑移面上土條抗滑動力之和；Wi為第i 塊土條的質量；αi為第i 塊土條剪切面與水平面的夾角，φi為第i 塊土條滑動面的內摩擦角；ci為第i 塊土條粘聚力；li為第i 塊土條滑弧弧長。

經過計算得出，支護后邊坡整體穩定安全系數Ks=2.681>1.30，滿足規范要求。

基坑支護抗傾覆穩定性計算采用公式（4），規范指出：抗傾覆安全系數，一、二、三級的結構，分別不小于1.25、1.20、1.15。

式中，Eak、Epk分別為基坑外側主動土壓力和基坑內側被動土壓力（kN）；Za、Zp分別為基坑外側主動土壓力和基坑內測被動土壓力的合力作用點至擋土構件底端的距離（m）；G 為雙排樁及其蓋板和樁間土的自重之和（kN）；ZG為雙排樁及其蓋板和樁間土的重心至前排樁邊緣的水平距離（m）；Ti為錨固力設計值（kN）；ZTi為支點至支護結構底部或最下道支撐的豎向距離（m）。

經計算抗傾覆穩定性系數KQ=1.220≥1.20，滿足規范要求。

5 結論

通過巖土工程勘察獲得地層物理力學性質，第1 層素填土并不適合作為建筑地基承載上部荷載，需要挖出挖除。第4 層粉土為液化土，場地液化等級為輕微液化，不宜作為持力層，以第10 層黏土為CFG樁樁端持力層，樁端進入樁端持力層不小于2 d，樁長不宜小于16 m。

采用聯合采用多種支護形式對基坑進行加固，更能因地制宜提高邊坡穩定性。對雙排灌注樁加固情況進行分析，邊坡整體穩定安全系數和抗傾覆穩定性系數均滿足規范要求，本工程采用雙排灌注樁對基坑進行防護是可行的。