傅鑫暉

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

軟黏土基坑抗隆起穩(wěn)定性研究

傅鑫暉

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

目前我國(guó)所采用的抗隆起穩(wěn)定性計(jì)算忽略了支護(hù)結(jié)構(gòu)底以下滑動(dòng)區(qū)內(nèi)土的重力對(duì)隆起的抵抗作用。基此，文章以福州某軟土基坑為研究對(duì)象，對(duì)支護(hù)樁底未穿透軟土層的基坑進(jìn)行了抗隆起計(jì)算分析，并據(jù)計(jì)算分析結(jié)果提出新的計(jì)算方式。認(rèn)為：在計(jì)算軟土較厚的底層時(shí)，應(yīng)充分考慮開挖一側(cè)坑底滑動(dòng)面以內(nèi)土體重力對(duì)隆起的抵抗作用；開挖側(cè)坑底滑動(dòng)面以內(nèi)土體的加固，可以對(duì)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(fā)展，基坑規(guī)模越來越大，開挖深度也越來越深，且市區(qū)往往建筑物密集、管線繁多，因此基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)除了滿足自身強(qiáng)度以及確保地下工程建造中的安全，還應(yīng)當(dāng)滿足變形要求。在福州地區(qū)，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(zhì)有：觸變性、流變性、高壓縮性、低強(qiáng)度、低透水性、不均勻性等。因此，在軟土地區(qū)開挖基坑應(yīng)充分考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及隆起破壞對(duì)周圍建筑及交通環(huán)境的影響。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)軟土深基坑的抗隆起穩(wěn)定性問題做了相關(guān)研究，其中，黃茂松等[1]采用Casagrande各項(xiàng)異性強(qiáng)度表達(dá)式，分析了基于Prandtl模式的抗隆起穩(wěn)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(duì)基坑變形的影響；張飛等[3]設(shè)計(jì)了狹長(zhǎng)深基坑的抗隆起離心模型試驗(yàn)，分析了不同開挖深度和水位條件下基坑隆起穩(wěn)定破壞機(jī)制；夏建中等[4]以彈性地基梁法為基礎(chǔ)，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(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出的抗隆起穩(wěn)定計(jì)算改進(jìn)公式可以綜合考慮支護(hù)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(duì)隆起穩(wěn)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(wěn)定分析的臨界寬度法，得出了最可能發(fā)生基坑抗隆起失穩(wěn)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(duì)基坑抗隆起所起到的作用。研究結(jié)果對(duì)福州軟土地區(qū)的抗隆起的設(shè)計(jì)和施工具有理論及實(shí)際參考價(jià)值。

1 工程概況

該工程基坑設(shè)有1層地下室，開挖深度5.9m，坑中坑位置開挖深度7.5m。場(chǎng)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(chǎng)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?；娱_挖范圍內(nèi)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(chǎng)地典型地質(zhì)剖面及地勘報(bào)告建議的各土層物理力學(xué)參數(shù)分別如圖2和表1所示。

表1 土層計(jì)算參數(shù)

圖2 地質(zhì)剖面圖

2 支護(hù)形式

基坑支護(hù)采用內(nèi)支撐式排樁支護(hù)(SMW工法樁)，圍護(hù)樁采用Φ650三軸水泥攪拌樁內(nèi)插HM488×300型鋼，型鋼長(zhǎng)18m～21m，內(nèi)支撐采用圓形支撐及角撐，圓拱直徑49m，開挖側(cè)采用4m長(zhǎng)單軸水泥攪拌樁對(duì)坑底被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)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(hù)斷面如圖3所示。

圖3 基坑開挖支護(hù)斷面圖

3 抗隆起計(jì)算

從支護(hù)底部開始，逐層驗(yàn)算抗隆起穩(wěn)定性[7]，結(jié)果如下：

支護(hù)底部，驗(yàn)算抗隆起：Ks> 1.800，抗隆起穩(wěn)定性滿足。當(dāng)基坑底部以下為軟土?xí)r，其嵌固深度應(yīng)符合下式中以支撐為軸心的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性要求如圖4所示[7]。

式中，Kr——以最下層支點(diǎn)為軸心的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)；安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的支擋式結(jié)構(gòu)，Kr分別不應(yīng)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(nèi)摩擦角；

lj——第j土條的滑弧長(zhǎng)度；

qj——第j土條頂面上的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值；

bj——第j土條的寬度；

θj——第j土條滑弧面中點(diǎn)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(jì)算。

圖4 以最下層支點(diǎn)為軸心的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算

然而，若以該公式進(jìn)行抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算則忽略了基坑開挖一側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)底以下滑動(dòng)區(qū)內(nèi)土體重力對(duì)隆起的抵抗作用，要使該項(xiàng)計(jì)算滿足工程需要僅能通過增加擋土構(gòu)件嵌固深度來提高抗隆起穩(wěn)定性，若軟土層較厚，構(gòu)件嵌固深度甚至需要達(dá)到100m以上才能滿足要求，這顯然不符合工程實(shí)際。為了能滿足工程需要，設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)開挖側(cè)基坑坑底以下區(qū)域采用了數(shù)排水泥土攪拌樁進(jìn)行坑底被動(dòng)區(qū)土體加固，而最終的監(jiān)測(cè)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，周邊建筑未出現(xiàn)裂縫及傾斜，四周道路也并未出現(xiàn)沉陷。

4 抗隆起穩(wěn)定驗(yàn)算機(jī)理及公式的討論

對(duì)于開挖深度較大，且基坑底部有深厚軟土，同時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度較小的基坑，土體從支擋結(jié)構(gòu)底端向基坑內(nèi)隆起擠出是內(nèi)支撐式支擋結(jié)構(gòu)的一種破壞形式。這是一種土體喪失豎向平衡狀態(tài)的破壞模式，由于支撐只能對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)提供水平方向的平衡力，無法對(duì)隆起變形起到控制作用，因此，對(duì)深厚軟土層中的深基坑，依照規(guī)范公式，只能通過增加擋土構(gòu)件嵌固深度來提高抗隆起穩(wěn)定性。

規(guī)范所采用的抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)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(hù)結(jié)構(gòu)底以下滑動(dòng)區(qū)內(nèi)土的重力對(duì)隆起的抵抗作用以及基坑外擋土構(gòu)件底部以上的土體的剪應(yīng)力對(duì)隆起的抵抗作用。

該公式忽略了基坑開挖一側(cè)坑底到支護(hù)樁底部滑動(dòng)區(qū)域土體重力對(duì)圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)的有益作用，導(dǎo)致了運(yùn)用該公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有較大的偏差。基坑隆起破壞時(shí)，基坑圍護(hù)樁底端向坑內(nèi)位移，擠壓坑內(nèi)土體向上隆起，從而支撐向上曲折即基坑圍護(hù)樁頂端向外移動(dòng)，上層支撐系統(tǒng)脫落或者向上折斷破壞。根據(jù)張飛等[3]的研究結(jié)果：軟土層中的深基坑工程，隨著開挖深度增大，圍護(hù)墻底向坑內(nèi)位移逐漸增加，支撐系統(tǒng)表現(xiàn)出向坑外的負(fù)彎矩分布，即墻體外側(cè)受拉。當(dāng)基坑開挖深度進(jìn)一步加大，圍護(hù)墻插入深度嚴(yán)重不足時(shí)，底端向坑內(nèi)的變形進(jìn)一步增加，圍護(hù)墻出現(xiàn)繞某道支撐點(diǎn)向坑內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的踢腳破壞。在這一破壞過程中，如果在基坑開挖一側(cè)坑底采用被動(dòng)土加固措施，就可以減少圍護(hù)樁向坑內(nèi)的位移，從而降低隆起破壞的可能性。

為了充分考慮開挖側(cè)土體重力對(duì)抗隆起所起到的有益作用，筆者建議可采用如下公式進(jìn)行以最下層支點(diǎn)為軸心的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算：

為簡(jiǎn)化計(jì)算，將土體以支護(hù)樁為軸線，支護(hù)樁內(nèi)外側(cè)土體等寬度劃分為數(shù)量相等的土條，即計(jì)算時(shí)，Gj和Gi分別為以支護(hù)為軸線，對(duì)稱分布的土條的自重，兩土條與支護(hù)樁的夾角如圖5所示。

圖5 考慮開挖側(cè)土體重力并以最下層支點(diǎn)為軸心的圓孤滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用該計(jì)算方式的計(jì)算結(jié)果為Kr=2.25>2.2滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，由于對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行了加固，使該區(qū)域內(nèi)Gi有所提高，對(duì)隆起破壞也起到了控制作用。但由于計(jì)算時(shí)無法準(zhǔn)確確定加固土體所占比例，因此，計(jì)算時(shí)并未考慮被動(dòng)區(qū)土重增加這一有利作用，僅將其作為安全儲(chǔ)備考慮，也與該工程的實(shí)際情況較為吻合。

5 結(jié)論

(1)以最下層支點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)軸心的圓弧滑動(dòng)模式的穩(wěn)定性驗(yàn)算方法忽略了基坑開挖一側(cè)坑底滑動(dòng)面以內(nèi)土的重力對(duì)隆起的抵抗作用。因此，在軟土較厚的底層中計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際情況有較大偏差，應(yīng)充分考慮開挖一側(cè)坑底滑動(dòng)面以內(nèi)土體重力對(duì)隆起的抵抗作用。

(2)開挖側(cè)坑底滑動(dòng)面以內(nèi)土體的加固提高了該區(qū)域土體的重度，對(duì)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(huì)來.固結(jié)黏土基坑抗隆起穩(wěn)定性上限分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(2)：250-255.

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

[3] 張飛，李鏡培，孫長(zhǎng)安，等.軟土狹長(zhǎng)深基坑抗隆起破壞模式試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2016，10:2826-2832.

[4] 夏建中，羅戰(zhàn)友，龔曉南.基坑內(nèi)土體加固對(duì)地表沉降的影響分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(S1)：212-215.

[5] 張耀東，龔曉南.軟土基坑抗隆起穩(wěn)定性計(jì)算的改進(jìn)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(S1)：1378-1382.

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

[7] JGJ120-2012 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)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