软土地区基坑变形控制措施分析

何嵩婷

（上海地矿工程勘察有限公司）

引言

目前基坑工程愈来愈呈现出以下特点：①基坑数量越来越多；②基坑面积大、基坑深度深；③基坑周边环境保护要求高。基坑施工过程中如何保证基坑以及周边保护对象的安全，成为确定围护设计方案的关键因素。在地质情况较好的地区（如可塑、硬塑黏土地区，中等密实以上的砂土地区，软岩地区等），基坑开挖对周边环境的影响较小；而软土地区（如上海、天津、福州、宁波等地区）工程地质和水文地质条件相对较差，土体具有高含水量、高压缩性、低渗透性及流塑等特性，基坑开挖对基坑本身及周边环境的影响较大，施工过程中的变形控制较为困难。

1 基坑变形控制措施

①合理的围护结构选型，围护结构的选型往往决定基坑工程的成败，周边环境保护高的工程应选用变形控制能力强的板式围护结构结合内支撑体系。②增大围护结构的刚度，在周边环境保护要求高的区域可选用钻孔灌注桩、地下连续墙等刚度较大的围护结构。③支撑布置加强，一般周围存在需保护建（构）筑物等重要保护对象的基坑工程多采用内支撑布置形式。④被动区加固，土体加固可改善土体的物理力学性能、提高被动区土体抗力、减小基坑的变形及增强基坑的稳定性。土体加固多采用水泥土搅拌桩、高压旋喷桩或注浆等措施。

2 工程概况

2.1 结构概况

某工程拟建建筑物包括1栋5层厂房以及一层地下车库。基坑形状呈长方形，基坑面积约为4180m2，总延长米约为315m。基坑开挖深度为5.3m，集水井深度为1.20m～1.50m。

2.2 环境概况

基坑东侧外为厂区内1层已建厂房，基础形式为浅基础，基坑边线与其外墙边线的最近距离约7.9m；基坑南侧外为厂区内1层已建厂房，局部为3层，基础形式为浅基础，基坑边线与其外墙边线的最近距离约10.7m；基坑西侧为西茜河，河道宽约17.0m，基坑边线与河道边线的最近距离约12.8m；基坑北侧为工业园区厂区，有一栋4层厂房，基坑边线与其外墙边线的最近距离约20.9m。东、南侧厂房距离较近需要重点保护。本工程的各边线距离红线的最近距离参见表1。

表1 基坑各边线距离用地红线的最近距离

2.3 地质概况

本工程场地地貌为湖沼平原Ⅰ-2区地貌类型，地面高程约3.38～4.02m。本拟建场地微承压水含水层为⑤2层，承压含水层为第⑦层。拟建场地内大部分区域存在暗浜分布。①2浜土，深灰色，填粘性土，含有机质和腐殖质，厚0.50～2.60m，层底高程1.26～-0.92m。暗浜区域需在施工前进行清淤换填。场地的基坑围护设计参数如表2所示。

表2 基坑围护设计参数

3 基坑设计

3.1 基坑围护选型

①基坑面积约为4180m2，总延长米约为315m；②地库普遍区域开挖深度为5.30m；③本工程大部分区域为暗浜区域，需在施工前进行清淤换填。按照上海市《基坑工程技术规范》要求，本工程安全等级为三级，环境保护等级为三级，围护体变形控制值为35mm（7‰H）。通过比较分析，本工程围护体系选用双排双轴水泥土搅拌桩内插型钢结合一道钢支撑的围护形式。

3.2 围护结构设计

本工程普遍区挖深5.3m，本工程围护结构采用双排双轴水泥土搅拌桩内插H500×300型钢，型钢长度为12.0m，双轴搅拌桩长度为11.3m。型钢采用“插一跳一”的形式，水泥土搅拌桩掺量为15%。本工程东侧及南侧皆贴近已建厂房，需要考虑基坑开挖对已建厂房的保护。邻近上述保护对象区域采用被动区裙边加固，加固桩采用双轴水泥土搅拌桩，被动区加固桩长为4.0m，水泥土搅拌桩掺量为13%。本工程呈长方形，结合基坑形状，支撑平面布置形式采取对撑结合角撑的布置形式。

4 深基坑基于有限元法的分析

4.1 有限元模型的建立

（1）土体本构模型与参数

土体计算模型采用Hardening-Soil模型，本模型可以同时兼顾剪切硬化和压缩硬化，并采用摩尔-库伦破坏准则。本模型应用于基坑开挖的变形分析时具有较好的精度。由勘察报告提供不同土层的重度、粘聚力、摩擦角等参数，刚度参数和高级参数则根据工程实践分析得到。

模型所需参数如下：

с——有效粘聚力；

φ——有效内摩擦角；

ψ——剪胀角；

m——刚度应力水平相关幂指数；

Vur——卸载再加载泊松比；

Pref——参考应力；

Rf——破坏比；

K0——正常固结条件下的侧压力系数。

（2）结构参数

已建厂房结构梁板、围护体材料参数按照混凝土选取，截面积、惯性矩等几何参数需折算至每延米。计算中邻近附加荷载值按照20kN/m2考虑。支撑用弹簧支座模拟。

（3）网格剖分

基坑计算采用等三角形六节点平面单元模拟土体，采用梁单元模拟围护体。

（4）施工工况模拟

为了反映初始应力状态及基坑开挖的施工过程，本次计算共分4个施工步进行如表3。

表3 计算工况表

4.2 有限元分析结果

理论计算结果表明：围护体水平最大位移为19.48mm，与剖面计算结果基本吻合。

根据上述理论计算结果，本工程采用顺作法基坑开挖，采用“土工法桩+一道钢支撑”，基坑开挖卸荷过程中围护体产生的水平变形符合规范要求。已建厂房与基坑距离较近，应限制该处施工荷载，密切监测已建厂房变形，并应作好应急预案以防突发事件发生。

5 工程监测结果

图1 开挖到基底时，围护桩变形图

本工程面积大，开挖深度较深，周边环境保护要求较高，为充分了解基坑施工过程中围护结构受力和变形情况以及对周边环境的影响，根据规范要求，在基坑施工过程中进行了大量的信息化监测。当基坑开挖至基底时，围护体的水平位移监测结果如图2所示，围护体的水平位移最大值为18.75mm，继续随着深度的加大，围护体水平位移逐渐减小。实测变形结果与剖面计算及有限元分析结果相近。

图2 实测深层水平位移曲线图

6 结语

综上所述，通过计算、有限元分析及监测结果可知，基坑围护设计应根据周边保护要求确定针对性的选型，增大围护体刚度可有效减小基坑变形；被动区加固是控制基坑变形的有效措施；合理的支撑布置形式也可有效减小基坑变形。基坑跨中易出现变形过大情况，进行围护设计时需重点考虑变形控制。