建筑項目軟弱地基施工技術探究

邵玄昊 （中鐵十六局集團第四工程有限公司，北京 101400）

由于軟弱土層地基的壓縮系數、壓縮模量、承載能力等力學性能特征均較差，所以在對軟弱土層地基開展施工時，基坑發生失穩、滑坡甚至塌陷的風險就特別高[1]。對于軟弱土層地基的處理大多采用換填方式，但是軟弱土體在進行機械挖掘、換填的過程中也非常容易發生滑坡塌陷等事故。因此，專門就建筑項目面臨的軟弱土層地基開展改良加固施工技術探究，是具有一定理論創新意義和實踐創新價值的。

1 案例工程項目地質條件

位于我國云南省昆明市的某新建污水泵站項目，其污水泵站修建區域范圍內的土體經地質勘查和實驗室試驗得出如表1所示的土層特征和力學特征。

表1 土層特征及土體力學特征

根據表1中的數據可以看出，案例項目地基修建區域范圍內土體性質較為復雜，且各類土體的密度ρ、壓縮系數α、壓縮模量E、承載力特征值fak均較低。利用實驗室對土體進行天然快剪標準試驗、固結快剪標準試驗和三軸直剪標準試驗，得出的承載力試驗值也相對較低，由此可以判斷該項目修建區域范圍內的地基為典型的軟弱土層地基，地基施工期間存在比較大的質量安全風險隱患。

2 案例項目軟弱地基改良加固的技術關鍵

針對案例項目面對的軟弱地基，為了保證順利施工且保證質量、安全，就需要在整個地基施工期間確保基坑底部以及基坑四周土體的穩定。

根據土力學的有關原理，建筑項目軟弱土層地基在開展深基坑施工作業期間，基坑頂部土體受到的地面活荷載σ1、基坑側壁土體受到的外土壓力σ2以及深基坑底部土體受到的摩擦阻力σ3，其力學平衡關系式如公式（1）所示[2]。

式中σ1表示軟弱土層地基深基坑四周頂部土體受到的地面活荷載，kPa；σ2表示軟弱土層地基深基坑四周側壁土體受到的外土壓力，kPa；σ3表示軟弱土層地基深基坑底部土體受到的摩擦阻力，kN；a1表示軟弱土層地基深基坑頂部的土體力學系數；a2表示軟弱土層地基深基坑四周側壁的土體力學系數；e1表示軟弱土層地基深基坑底部土體的粘聚力系數；e2表示軟弱土層地基深基坑四周側壁土體的粘聚力系數；e3表示軟弱土層地基深基坑底部土體的粘聚力系數，a1、a2、e1、e2、e3等系數數值一般均由實驗室試驗獲取；e表述指數函數；G表示軟弱土層地基深基坑底部土體承受的建筑構件荷載，kPa[3]。

此外，為了保障軟弱土層地基深基坑及其地基基礎的施工安全，深基坑頂部土體受到的地面活荷載σ1、深基坑四周側壁土體受到的外土壓力σ2以及深基坑底部土體受到的摩擦阻力σ3還需要滿足式（2）所示的力學函數關系式。

式中φ表示土體內摩擦角，°；C表示土體粘聚力，kPa。

當且僅當軟弱土層地基深基坑頂部土體受到的地面活荷載σ1、深基坑四周側壁土體受到的外土壓力σ2、深基坑底部土體受到的摩擦阻力σ3滿足式（2）所示的應力平衡關系式時，基坑才能保持安全、穩定[4]。

3 案例項目工程施工技術組織方案

依據案例項目所面臨的不良地質條件，原設計施工技術方案擬采用沉井法，沉井施工前需在沉井外圍采用單管高壓旋噴樁作為止水帷幕，樁徑0.6m，樁長15m，共設置2排，間距0.4m，在圓周方向每隔5°設置一根。沉井和單管高壓旋噴樁止水帷幕施工布置圖如圖1所示。

圖1 高壓旋噴樁止水帷幕布置示意圖

根據圖1可以看出，沉井直徑為6000mm，井壁厚度為600mm，通過查閱原設計技術方案可知，沉井采用鋼筋混凝土結構，井身混凝土強度等級為C30，井身縱向受力主筋分別采用直徑18mm 和22mm 的HRB400 鋼筋，上述兩種鋼筋隔一布一，布設間距為200mm；井身箍筋采用直徑12mm 的HRB400 鋼筋，布設間距為150mm。單管高壓旋噴樁為鋼筋混凝土實心樁，每根單管高壓旋噴樁的樁身縱向受力主筋為直徑20mm 的HRB400 鋼筋，布設間距為200mm；每根單管高壓旋噴樁的樁身箍筋為直徑8mm 的HRB300 鋼筋，布設間距為150mm。

4 案例項目軟弱地基施工技術方案仿真驗證原理

為了全力確保施工安全和施工質量，采用有限元計算分析法對工程組織施工技術組織方案進行建模仿真驗證。所謂有限元計算分析法，其原理如圖2所示。在對軟弱土層土體開展土石方挖掘、單管高壓旋噴樁止水帷幕以及沉井施工時，可將基坑底部土體、基坑四周土體以及單管高壓旋噴樁止水帷幕視為一種均勻同質的彈性體，而后有限元計算分析軟件基于單元分割的方式將此均勻同質彈性體劃分為無數個規格一致、大小一致、且尺寸體積盡可能小的均勻矩形體單元（長度2a、寬度2b、厚度t），以該矩形單元的中心點o作為原點建立平面x,y坐標系，則矩形單元內任一無量綱坐標（ζ，η）=（x/a，y/b）[5]。u1、u2、u3、u4分別表示軟弱土層矩形單元體在某一位置處受到的橫向約束；v1、v2、v3、v4分別表示軟弱土層矩形單元體在某一位置處受到的縱向約束[6]。

圖2 有限單元法示意圖

采用有限元建模軟件，按照表1、公式（1）、公式（2）以及施工技術組織方案進行三維建模，通過計算施工期間任意時刻每一個矩形單元體的受力情況，進而匯總計算施工期間任意時刻整個地基深基坑的受力情況，并判斷在對應的施工技術組織方案下軟弱土層地基施工是否滿足式（2）所示的力學平衡關系，若滿足則表明施工技術組織方案可行；若不滿足則表明施工技術組織方案不可行[7]。

5 案例項目軟弱地基施工技術方案仿真驗證

首先，經過實驗室試驗檢測，案例項目地基施工區域范圍內各個土層的頂部土體力學系數a1、四周側壁土體力學系數a2、底部土體粘聚力系數e1、四周側壁土體粘聚力系數e2、底部土體粘聚力系數e3數值如下：

利用ANSYS 有限元建模分析計算軟件建模分析，得出以下結果：

（1）施工期間地面活荷載：基坑開挖深度為±0.00m至-4.00m 時地面活荷載值為8.11kPa；基坑開挖深度為-4.00m至-4.80m時地面活荷載值為7.29kPa；基坑開挖深度為-4.80m至-8.50m時地面活荷載值為8.70kPa；基坑開挖深度為-8.50m 及以下時地面活荷載值為8.11kPa。

（2）沉井自重=井壁自重+底板自重=3390.093kN+467.587kN=3857.68kN。

（3）施工期間外土壓力：未降水開挖時設計基坑頂端外土壓力為0kPa；地下水降至-3.00m 時基坑頂端外土壓力為41.35kPa；地下水降至-11.20m時基坑頂端外土壓力為91.00kPa。

（4）施工期間摩擦阻力：基坑開挖深度為±0.00m至-4.00m時地面活荷載值為678.584kN；基坑開挖深度為-4.00m至-4.80m時地面活荷載值為859.540kN；基坑開挖深度為-4.80m 至-8.50m 時地面活荷載值為1804.235kN；基坑開挖深度為-8.50m 及以下時地面活荷載值為3171.471kN。

（5）施工期間土體內摩擦角：基坑開挖深度為±0.00m～-4.00m 時土體內摩擦角平均值為6°；基坑開挖深度為-4.00m～-4.80m 時土體內摩擦角平均值為9°；基坑開挖深度為-4.80m～-8.50m時土體內摩擦角平均值為4°；基坑開挖深度為-8.50m 及以下時土體內摩擦角平均值為6°。

（6）施工期間土體粘聚力：基坑開挖深度為±0.00m至-4.00m 時土體粘聚力平均值為36.92kPa；基坑開挖深度為-4.00m 至-4.80m 時土體粘聚力平均值為41.75kPa；基坑開挖深度為-4.80m 至-8.50m 時土體粘聚力平均值為45.33kPa；基坑開挖深度為-8.50m 及以下時土體粘聚力平均值為47.81kPa。

上述計算數值代入公式（2），均滿足公式（2）所示的力學平衡關系，由此可以判斷施工技術組織方案可行，可放心用于施工實踐。

6 結語

當建筑項目面對地質條件較差、承載力特性不足的軟弱土層地基時，在充分掌握土體受力關系和力學平衡關系的基礎上，基于實驗室測定的各個土層頂部土體力學系數、四周側壁土體力學系數、底部土體粘聚力系數、四周側壁土體粘聚力系數、底部土體粘聚力系數以及施工技術組織方案，進行有限元建模仿真模擬并驗證其力學平衡關系，可以進一步判斷施工技術組織方案的安全可行性。若通過有限元建模仿真模擬判斷施工技術組織方案安全可行，則可直接用于指導施工；若通過有限元建模仿真模擬判斷施工技術組織方案不可行，則需對技術方案進行改良并利用有限元建模仿真驗證其安全可行后，再用于指導施工。