吳連祥

（啟東市建筑設(shè)計院有限公司，江蘇南通 226200）

0 引言

在軟土區(qū)，由于土體的含水率高，抗剪強(qiáng)度低，支護(hù)方案通常采用樁錨或樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，支護(hù)樁作為其主要受力構(gòu)件，其入土深度與保證基坑在開挖階段的穩(wěn)定以及降低支護(hù)工程造價密切相關(guān)，入土深度越深，基坑穩(wěn)定性越好，支護(hù)造價也越高。因此，應(yīng)當(dāng)在保證基坑施工安全的前提下，盡量減少支護(hù)樁的入土深度?；涌孤∑鸱€(wěn)定性分析是決定支護(hù)樁入土深度的關(guān)鍵。

基坑抗隆起穩(wěn)定分析方法歸納為三大類：極限平衡法、極限分析法、常規(guī)位移有限元法[1]。其中Terzaghi[2]以及Bjerrum[3]等提出的基于地基承載力模式的黏土基坑抗隆起穩(wěn)定計算公式屬于極限平衡法。我國基坑工程規(guī)范則普遍采用基于Chang[4]提出的Prandtl 公式的地基承載力分析方法及圓弧滑動破壞模式的極限平衡法。

現(xiàn)行國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120?2012）[5]（簡稱國家基坑規(guī)范）及上海市《基坑工程技術(shù)規(guī)范》（DG/TJ 08?61?2010）[6]（簡稱上?；右?guī)范）對坑底抗隆起穩(wěn)定驗(yàn)算均采用圓弧滑動模式分析方法，但抗滑力矩的計算存在差異，軟土區(qū)按上?；右?guī)范計算的入土深度明顯小于按國家基坑規(guī)范計算的結(jié)果。

軟土區(qū)高層建筑大多采用樁基礎(chǔ)，工程樁的施工先于支護(hù)樁，工程樁對基坑穩(wěn)定的影響客觀存在。魯 宏[7]、肖 健[8]等采用有限元法分析了工程樁的存在對坑底隆起失穩(wěn)破壞的影響和作用機(jī)理，胡康俊等[9]采用強(qiáng)度折減有限元法對坑底有無工程樁對軟土深基坑抗隆起穩(wěn)定性進(jìn)行了對比研究，基坑穩(wěn)定系數(shù)有樁明顯高于無樁；張耀東等[10]從基坑形狀、圍護(hù)墻入土深度、坑底下軟土深度、坑底被動區(qū)地基加固處理、坑內(nèi)工程樁等方面對基坑抗隆起穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析研究，提出了相應(yīng)的計算改進(jìn)方法。這些研究成果表明：軟土區(qū)坑內(nèi)工程樁對基坑抗隆起穩(wěn)定性產(chǎn)生積極、有利的影響。

目前用于基坑坑底抗隆起穩(wěn)定分析方法一般均未考慮工程樁等有利影響，現(xiàn)行的基坑工程規(guī)范也沒有提及工程樁的有利作用?；谝陨峡紤]，以長江口北岸軟土區(qū)某基坑工程為例，在確定支護(hù)樁入土深度時，按國家基坑規(guī)范和上?；右?guī)范分別對多種入土深度方案進(jìn)行相關(guān)計算和分析比較，并考慮工程樁對支護(hù)樁入土深度的有利影響，力求支護(hù)樁的入土深度安全、合理、經(jīng)濟(jì)，為類似工程提供一定的參考與借鑒。

1 工程簡介

啟東金融建筑產(chǎn)業(yè)園位于啟東市牡丹江西路南側(cè)，公園南路西側(cè)，由4 棟高層塔樓組成，框剪結(jié)構(gòu)，總建筑面積209311 m2，其中地上21 層，建筑面積141415 m2，地下2 層，建筑面積67896 m2。鉆孔灌注樁、鋼筋混凝土筏板式基礎(chǔ)。

基坑近似呈長方形，南北長290 m，東西寬140 m，周長約860 m，基坑面積近40000 m2。場地整平后的絕對標(biāo)高2.4 m，對應(yīng)于相對標(biāo)高?1.40 m。地庫墊層底標(biāo)高?11.00 m，挖深9.60 m；基坑周邊承臺底標(biāo)高?11.40 m，挖深10.0 m；集水井、電梯井、主樓承臺部分局部超挖1.0～3.6 m，最大挖深13.2 m。

基坑開挖北側(cè)邊線距河道14.3～26 m，距牡丹江路22～34 m；東側(cè)邊線距公園路30～38 m；南側(cè)邊線距擬建緯三路7～16 m；西側(cè)距新規(guī)劃道路15 m。

地貌形態(tài)為長江三角洲沖積平原，場地平坦，稍有起伏，自然地面標(biāo)高2.02～2.44 m?？碧阶畲筱@孔深度80 m，所揭示的土層為第四系河流?濱海相、湖相交互沉積土層，劃分為11 個工程地質(zhì)層，典型的靜探曲線見圖1，在基坑涉及深度范圍內(nèi)各土層情況描述如下：

①淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：褐黃色?灰色，土質(zhì)不均勻，流塑，稍夾薄層砂質(zhì)粉土，無搖振反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等，屬高壓縮性土。

②砂質(zhì)粉土：灰色，土質(zhì)不均勻，很濕，稍密，搖振反應(yīng)迅速，無光澤，干強(qiáng)度低，韌性低，屬中壓縮性土。

③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰色，土質(zhì)不均勻，流塑，夾砂質(zhì)粉土，無搖振反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度低，韌性低，屬中?高壓縮性土。

④砂質(zhì)粉土：灰色，土質(zhì)不均勻，很濕，稍密，搖振反應(yīng)迅速，無光澤，干強(qiáng)度低，韌性低，屬中壓縮性土。

⑤淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰色，土質(zhì)不均勻，流塑，稍夾薄層砂質(zhì)粉土，無搖振反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度低，韌性低，屬高壓縮性土。

⑥粉質(zhì)黏土：灰色，土質(zhì)不均勻，軟?流塑，頻夾薄層砂質(zhì)粉土，無搖振反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度低，韌性低，屬中?高壓縮性土。

建筑場地淺層地下水為孔隙潛水，主要賦存于①?④層土中。補(bǔ)給來源為大氣降水、地表水以及區(qū)域水系，排泄方式為大氣蒸發(fā)及側(cè)向徑流?？辈鞂?shí)測初見水位在自然地面下1 m 左右?；由疃壬婕暗耐翆游锢砹W(xué)指標(biāo)見表1。

表1 基坑深度涉及的土層物理力學(xué)指標(biāo)

2 支護(hù)樁入土深度分析探討

綜合本基坑開挖深度、周邊環(huán)境、地質(zhì)條件等因素，初定基坑支護(hù)方案采用樁錨支擋結(jié)構(gòu)：基坑上部3 m 放坡開挖，掛網(wǎng)護(hù)面，下部7 m 采用SMW 工法樁+一道旋噴加勁錨支護(hù)。SMW 工法樁為3φ850@1200三軸攪拌樁，內(nèi)插H700×300×13×24 型鋼，作為受力排樁和止水帷幕，樁頂設(shè)置一道旋噴加勁錨，如圖2所示，具體設(shè)計參數(shù)通過計算確定。

圖2 樁錨支護(hù)方案剖面（單位：m、mm）

坑內(nèi)外均采用管井降水，坑內(nèi)水位降至坑底以下0.5～1 m，坑外水位降至地表以下4 m 左右，基坑四周設(shè)截水溝排除地表水。

初定的支護(hù)方案屬于單層錨桿支擋式結(jié)構(gòu)，設(shè)計除進(jìn)行強(qiáng)度、變形計算外，還必須對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，包括抗傾覆、整體穩(wěn)定、抗隆起驗(yàn)算?？孤∑痱?yàn)算又包含坑底抗隆起、墻底抗隆起驗(yàn)算。

由于本工程位于長江口北岸軟土地區(qū)，地質(zhì)條件較差，地表向下17 m 左右為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與砂質(zhì)粉土交互沉積土層，17～43 m 主要是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，基坑挖土深度10 m，支護(hù)樁必然要進(jìn)入淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，這對支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定不利。

基坑安全等級設(shè)定為二級，考慮基坑四周有土方車及混凝土攪拌泵車通過，施工超載取30 kPa，采用同濟(jì)啟明星FRWS 軟件，按國家基坑規(guī)范，對支護(hù)樁三種入土深度的方案進(jìn)行計算，結(jié)果匯總于表2。

由表2 可知：

表2 按國家規(guī)程JGJ120—2012 計算結(jié)果

（1）支護(hù)樁入土深度從16 m 到26 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)力及最大變形基本上沒有變化；

（2）支護(hù)樁入土深度越深，穩(wěn)定性安全系數(shù)越大；

（3）支護(hù)樁入土深度16 m，抗傾覆、整體穩(wěn)定、墻底抗隆起驗(yàn)算均已滿足驗(yàn)算要求，僅坑底抗隆起驗(yàn)算不能滿足驗(yàn)算要求；

（4）支護(hù)樁入土深度達(dá) 26 m，坑底抗隆起驗(yàn)算方能滿足驗(yàn)算要求。

支護(hù)樁及錨樁的部分參數(shù)通過強(qiáng)度驗(yàn)算即可確定，但支護(hù)樁的入土深度必須根據(jù)穩(wěn)定性多項指標(biāo)的驗(yàn)算才能最終確定。

本工程支護(hù)樁的入土深度達(dá)26 m，方能滿足穩(wěn)定驗(yàn)算的全部要求，插深比2.6，顯然不盡合理。因此有必要對坑底抗隆起驗(yàn)算進(jìn)行分析。

國家基坑規(guī)范規(guī)定：坑底抗隆起穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)符合以最下層錨拉點(diǎn)為軸心的圓弧滑動穩(wěn)定性要求，圓弧滑動模式的計算簡圖如圖3所示，計算公式見式（1）。

圖3 國家規(guī)程計算簡圖

式中：Kr為以最下層支點(diǎn)為軸心的圓弧滑動安全系數(shù)，安全等級二級時Kr為1.9；cj、φj分別為第j土條在滑弧面處土的黏聚力（kPa）、內(nèi)摩擦角（°）；lj為第j土條的滑弧長度，m，取lj=bj/cosθj；qj為第j土條頂面上的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；bj為第j土條的寬度，m；θj為第j土條滑弧面中點(diǎn)處的法線與垂面的夾角，（°）；ΔGj為第j土條的自重，kN，按天然重度計算。

支護(hù)樁的入土深度16 m，按公式（1）計算，坑底抗隆起的安全系數(shù)為1.38，距要求的安全系數(shù)1.9差27.36%。

而采用同濟(jì)啟明星FRWS 軟件，按上?；右?guī)范，同樣對支護(hù)樁三種入土深度的方案進(jìn)行計算，結(jié)果匯總于表3。

表3 按上海規(guī)范DG/TJ 08?61?2010 計算結(jié)果

由表3 計算結(jié)果可知：支護(hù)樁的入土深度16 m，按上海基坑規(guī)范計算，坑底抗隆起安全系數(shù)為1.79，距要求的安全系數(shù)1.9 相差5.79%。

對比表2、表3 發(fā)現(xiàn)，國家基坑規(guī)范與上海基坑規(guī)范計算出的內(nèi)力、位移均比較接近，抗傾覆安全系數(shù)差別很小，整體穩(wěn)定和墻底抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)也一致，但坑底抗隆起的安全系數(shù)卻差別較大。

上海基坑規(guī)范坑底抗隆起穩(wěn)定驗(yàn)算采用圓弧滑動模式，假定坑底隆起破壞面為圓弧形且滑動面經(jīng)過樁底，其圓弧部分的圓心在錨拉點(diǎn)處，圓弧滑動模式的計算簡圖如圖4所示。

圖4 上海規(guī)范計算簡圖

利用力矩平衡法進(jìn)行分析，力矩平衡法的圓心固定在錨拉點(diǎn)處?？孤∑鸢踩禂?shù)表示為

式中：γRL為抗隆起安全系數(shù)，安全等級二級時γRL為1.9；MRLk為抗隆起力矩標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m/m；MSLk為隆起力矩標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m/m；Msk為圍護(hù)墻的容許力矩標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m/m；MRLkj為坑外最下道支撐以下第j層土產(chǎn)生的抗隆起力矩標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m/m；MRLkm為坑內(nèi)開挖面以下第m層土產(chǎn)生的抗隆起力矩標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m/m；MSLkq為坑外地面荷載產(chǎn)生的隆起力矩標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m/m；MSLki為坑外最下道支撐以上第i層土產(chǎn)生的隆起力矩標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m/m；MSLkj為坑外最下道支撐以下、開挖面以上第j層土的隆起力矩標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m/m。

比較分析上?；右?guī)范與國家基坑規(guī)范坑底抗隆起計算公式，可以發(fā)現(xiàn)，上?；右?guī)范與國家基坑規(guī)范考慮的滑動力矩相同，但抗滑動力矩卻不同。上海基坑規(guī)范中抗滑動力矩包括：①圍護(hù)墻的容許力矩；②滑動面FECK 上抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的抗滑力矩；③EFG 區(qū)域內(nèi)土體自重產(chǎn)生的抗滑力矩。而國家基坑規(guī)程中抗滑動力矩僅包括滑動面ECK 上抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的抗滑力矩。這就是同一基坑工程采用上?；右?guī)范與國家基坑規(guī)范驗(yàn)算坑底抗隆起穩(wěn)定，其安全系數(shù)不同的原因。但上海基坑規(guī)范與國家基坑規(guī)范要求的安全系數(shù)卻又相同。

在基坑工程實(shí)踐中，上海地區(qū)積累了大量的軟土基坑支護(hù)工程經(jīng)驗(yàn)，本工程位于長江口北岸，采用上?；右?guī)范進(jìn)行坑底抗隆起驗(yàn)算較為合理。如支護(hù)樁的入土深度達(dá)18 m，按上海基坑規(guī)范驗(yàn)算坑底抗隆起穩(wěn)定，安全系數(shù)即可達(dá)1.9，滿足規(guī)范要求。

另一方面，工程樁對軟土區(qū)基坑的抗隆起有明顯幫助作用[9]，而規(guī)范在坑底抗隆起的驗(yàn)算中并未考慮工程樁對坑底抗隆起的貢獻(xiàn)。

在軟土區(qū)，高層建筑基礎(chǔ)大多采用樁基礎(chǔ)，并且樁基是在基坑開挖以前施工完成的，因此這些工程樁會對基坑開挖的性狀產(chǎn)生一定的影響。

由于工程樁的強(qiáng)度和剛度比較大，也在一定程度上提高了坑底土的整體力學(xué)性能，從而減小了支護(hù)樁的位移。當(dāng)基坑開挖引起基底隆起時，由于受到工程樁的約束，樁與土之間存在摩阻力，工程樁對被動區(qū)土體具有一定的拉錨作用，有利于控制基底隆起，從而提高了抗隆起穩(wěn)定性。

采用強(qiáng)度折減有限元法考慮有無工程樁的存在對軟土深基坑抗隆起穩(wěn)定性對比分析結(jié)果表明：坑底有工程樁時抗隆起穩(wěn)定系數(shù)明顯高于無工程樁[10]?；诠こ虡兜挠欣饔茫净訉⒅ёo(hù)樁的入土深度調(diào)整至16 m 作進(jìn)一步分析探討。

考慮工程樁與周邊土對抗隆起穩(wěn)定性的影響，把入土深度范圍內(nèi)樁與土體間總的摩阻力平均到整個基坑。整個基坑范圍內(nèi)基礎(chǔ)底共布置鉆孔灌注樁1869 根，其中：樁徑1 m，樁長62 m，501 根；樁徑0.7 m，樁長37 m，1368 根，在基坑被動區(qū)支護(hù)樁入土深度16 m 范圍內(nèi)，工程樁對土增加的黏聚力按式（5）計算。

式中：α為工程樁與土體間的黏聚力修正系數(shù)，小于1，本工程取0.7 計算；u為樁身周長，m；ci為支護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度范圍內(nèi)被動區(qū)土體的黏聚力，kPa；A為基坑范圍內(nèi)基礎(chǔ)底面積，m2。

在被動區(qū)滑動面FE 上增加的抗滑力按式（6）計算[1]。

采用同濟(jì)啟明星FRWS 軟件，按上海規(guī)范DG/TJ 08?61?2010 驗(yàn)算坑底抗隆起，抗滑力為：4083 kN/m，滑動力為：2283.7 kN/m，坑底抗隆起安全系數(shù)1.79，考慮工程樁的有利影響，坑底抗隆起安全系數(shù)增加到：

說明若考慮工程樁的有利影響，支護(hù)樁的入土深度16 m，就可以滿足坑底抗隆起的驗(yàn)算要求。

此外，尚有一些有利因素還未加考慮，因此，本工程的支護(hù)樁的入土深度最終確定取16 m。

3 實(shí)測結(jié)果

該工程支護(hù)樁的施工時間是2019年7月10日?2019年10月20日，基坑挖土?xí)r間是2019年9月1日?2019年12月初，2019年11月即開始部分地下室施工，2020年1月20日大部分地下室已施工至地下一層，2020年4月施工至±0，工法樁中的型鋼于2020年6月20日全部拔出。

根據(jù)監(jiān)測資料，至2019年12月4日，基坑的位移、基坑周邊沉降變化達(dá)到最大值，基坑?xùn)|南側(cè)支護(hù)樁壓頂梁最大水平位移達(dá)39.8 mm，代表性的深層土體位移曲線參見圖5。

圖5 深層土體位移曲線

坑外地面的最大沉降31.5 mm，坑底隆起變形量為23.4～32.8 mm，均在正常范圍內(nèi)。圖6 為基坑開挖后的實(shí)際效果。

圖6 基坑開挖后的實(shí)景圖

4 結(jié)論

(1)軟土深基坑支護(hù)，由于土的抗剪強(qiáng)度較低，支護(hù)樁的入土深度主要由坑底抗隆起穩(wěn)定驗(yàn)算控制，而采用國家基坑規(guī)范JGJ120?2012 公式與采用上?；右?guī)范DG/TJ 08?61?2010 公式驗(yàn)算，其穩(wěn)定安全系數(shù)相差很大。

(2)上海附近地區(qū)的軟土深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，坑底抗隆起穩(wěn)定驗(yàn)算采用上?；右?guī)范DG/TJ 08?61?2010 公式比較合理。而按國家基坑規(guī)范JGJ 120?2012 驗(yàn)算，樁的入土深度過長，不夠經(jīng)濟(jì)。

(3)坑內(nèi)工程樁對坑底抗隆起穩(wěn)定驗(yàn)算的有利影響，可以適當(dāng)加以考慮。有必要進(jìn)一步對坑內(nèi)工程樁參與坑底抗隆起穩(wěn)定驗(yàn)算方法進(jìn)行探討，使計算結(jié)果更貼近工程實(shí)際。