基于岩土工程勘察的基坑支护技术研究

刘晓东，张 建，赵伟河，刘贤德

（中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南）

前言

通过岩土工程勘察获得地层物理力学性质，判断基坑开挖存在的风险以及可选用的支护方式。金雪莲等[1]对带撑式基坑开挖进行有限元模拟，得出墙体入土高度、基坑平面尺寸效应、支撑位置、支护结构的墙体刚度、支承刚度等是影响深基坑变形的主要因素。马海龙[2]分析了被动区土体基坑支护合理加固深度为基坑开挖深度的0.55 倍，合理加固宽度为开挖深度的0.36 倍。于至海等[3]研究了软土深基坑中对开挖段进行超前加固，认为裙边加固的合理宽度可取基坑开挖深度的0.5 倍，满堂加固的合理加固深度可取基坑开挖深度的0.3 倍。

由于基坑工程涉及到的学科知识较多，具有很强的综合性，目前广泛采用的基坑支护结构形式主要分为桩墙式和板墙式，结合工程综合地质条件和周边环境，对基坑支护进行设计选型和分析，才能最大限度的达到支护效果[4-6]。本文以酒店主体建筑基坑为研究对象，分析存在液化土层基坑支护的选型以及安全稳定性，以期为同类型项目提供一定的参考和借鉴。

1 工程概况

拟建场地位于济南市济阳区同德街南侧，东侧距离银河路约300 m，交通便利。项目总占地约9 780 平米，建筑总面积约3.3 万平米。本次设计按基坑大开挖进行设计，主要建设内容包括1 栋酒店及裙房和地下车库。地面标高现状标高结合清表后为18.83～19.81 m 左右，坑底标高在12.90～14.8 m 之间，开挖深度约4.0～6.6 m。拟开挖基坑东西长约142.6 m，南北宽约52.0 m，基坑支护总长度约384.2 m。场地地形起伏不大，拟建场区属黄河冲积平原地貌单元，地形较平整，局部略有起伏，场地平整后，现状标高约18.83～19.81 m。基础平面布置图见图1。

图1 基础平面布置图

勘区地下水主要为第四系孔隙潜水，以大气降水入渗、侧向径流为主要补给来源，以人工开采、侧向径流和地面蒸发为主要排泄方式；勘察期间测得各钻孔稳定水位埋深0.64～1.60 m之间，水位标高平均值为18.40 m，水位变幅约1～2 m，根据区域水文地质资料，勘区历史最高地下水位及近3～5 年最高地下水位标高可按20.00 m考虑。

2 场地岩土工程条件

该场区为黄河冲积平原地貌，通过勘察及查阅区域地质资料，勘察区新构造活动不强烈，地震活动水平较低，建筑场地属区域地质构造稳定场地，场区及附近无大的活动断裂带通过，未见滑坡、泥石流等不良地质作用的迹象，场区覆盖层20 m 深度内的第4 层粉土为液化土，场地液化等级为轻微液化，场区拟建物应按建筑抗震设计规范采取相应的抗液化措施，场地附近不存在故河道、河岸、海岸、边坡等可能产生液化横向扩展的地段。勘测拟建场区基坑支护及地下水控制深度范围内岩土层共16 层，其中与基坑支护设计相关地层为第一层到第十层。典型地质剖面图见图2，相关地层参数见表1。

表1 岩土相关物理力学参数

图2 典型地质剖面图

3 地基基础分析

场区第①层素填土为特殊性岩土。第①层素填土回填时间短、结构松散，均匀性、稳定性较差，为周边建筑工地渣土堆填所致，未经处理不宜直接作为基础持力层，配套建筑采用天然地基方案，将第1 层素填土全部挖除，以第4 层粉土为地基持力层，基础形式可选用筏板基础。

由于第4 层粉土为液化土且地基承载力低，主体建筑采用天然地基方案不能满足设计要求，可采用复合地基方案（CFG桩），以第10 层黏土为CFG桩桩端持力层，桩端进入桩端持力层不小于2 d，桩长不宜小于16 m。

对有粘结强度增强体复合地基应该按照式[7]（1）进行计算：

式中，fspk为复合地基承载力特征值（kPa）；fsk为处理后桩间土承载力特征值（kPa）；m 为面积置换率；λ 单桩承载力发挥系数；Ra为单桩竖向承载力特征值（kN）；Ap为桩的截面积（m2）；β 为桩间土承载力发挥系数。

增强体单桩竖向承载力特征值可按照式（2）进行估算：

式中，up为桩的周长（m）；qsi为桩周第i 层土的侧阻力特征值（kPa）；lpi为桩长范围内第i 层土的厚度（m）；αp为桩端端阻力发挥系数；qp为桩端端阻力特征值（kPa）。

复合地基承载力fspk按300 kPa 考虑，则计算相应的置换率m值估算见表2。

其中αp=1.0、λ=0.8、β=0.9；考虑到桩间土第4 层粉土为轻微液化土，处理后的桩间土承载力特征值fsk取其120 kPa。地基面积置换率为7.85%～8.0%，满足规范要求。

拟建物 孔位 桩顶标高 桩长(m)(mm) 持力层 R�(kPa) 桩端进入持力层深度(m)桩径f����(kPa)M(%)K9 14.95 16 500 619.7 3.24 301.4 8.00综合体 第10 层黏土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 基坑开挖与支护分析

基坑边坡拟采用悬臂桩、桩锚、双排桩、SMW 工法桩、土钉墙、放坡挂网喷面方式进行支护；通过基坑周边设置止水帷幕、帷幕内管井降(疏)水配合集水明排及周边回灌等措施进行地下水控制；通过对基坑坡顶水平位移和沉降、深层水平位移、锚杆轴力、周边建筑及管线变形、地下水位等监测，为信息化施工和优化设计提供依据，确保基坑支护结构及周边环境安全。

4.1 地下水和地表水控制

为减少基坑工程降水所形成的降落漏斗对周边市政道路、既有建筑物的影响，综合考虑场地水文地质条件、周边环境及经济比选，采用全封闭止水帷幕、帷幕内降疏水配合集水明排措施降低坑内地下水位。

在帷幕内侧沿基坑周边布置降水井，井间距约10 m，共计37 眼；基坑内部布置疏干井，疏干井间距约15 m，共计18 眼，降水井、疏干井井深均为15.0 m，若存在电梯井、集水坑等局部超挖结构，需另行处理。成井规格：孔径700 mm，井管直径500 mm。井管采用混凝土无砂滤水管，外层滤水网采用棕皮或双层50 目滤网，管壁外侧回填中粗砂

在基坑开挖时，距基坑顶外围设置挡水墙，防止雨水回灌基坑。挡水墙宽240 mm×高300 mm；基坑周围场地应硬化处理，并按1%坡度向外找坡，防止降水下渗。根据边坡支护和土层情况，在填土等含水层部位沿边坡自上而下布置泄水孔，泄水孔水平和竖向间距为2.5米，泄水孔材料采用A75PVC 管，泄水管入土长度不小于500 mm，排水管进入土层部分设置成花管，外包滤布，反滤包采用中粗砂。基坑坡底按照30 m间距设置集水坑，坑内亦设置一定数量的集水坑，以便及时排出大气降水和坡面上层滞水。

4.2 基坑支护

本文选取三轴搅拌桩+混凝土灌注桩+锚索加固的支护形式进行分析研究，基坑支护典型断面图见图3。支护采用前后两直径均为1 000 mm 的钻孔灌注桩，桩长19.0 m，混凝采用标号为C30。三周搅拌桩直径为650 mm，桩长为19.0 m 或者进入10 层黏土不小于1.50 m。灌注桩一侧挂网喷射混凝土60 mm，冠梁尺寸为1 200×800，混凝土强度等级为C30。

图3 基坑支护典型断面图

4.3 稳定性计算

基坑支护后边坡整体稳定性计算采用瑞典条分法，计算公式如式（3）所示，稳定性计算应力状态采用总应立法，条分法中的土条宽度取1.0 m，取刚度折减系数K=0.85。

式中，FS为安全系数；MR为滑移面上土条抗滑力矩之和；MT为滑移面上土条抗滑动力之和；Wi为第i 块土条的质量；αi为第i 块土条剪切面与水平面的夹角，φi为第i 块土条滑动面的内摩擦角；ci为第i 块土条粘聚力；li为第i 块土条滑弧弧长。

经过计算得出，支护后边坡整体稳定安全系数Ks=2.681>1.30，满足规范要求。

基坑支护抗倾覆稳定性计算采用公式（4），规范指出：抗倾覆安全系数，一、二、三级的结构，分别不小于1.25、1.20、1.15。

式中，Eak、Epk分别为基坑外侧主动土压力和基坑内侧被动土压力（kN）；Za、Zp分别为基坑外侧主动土压力和基坑内测被动土压力的合力作用点至挡土构件底端的距离（m）；G 为双排桩及其盖板和桩间土的自重之和（kN）；ZG为双排桩及其盖板和桩间土的重心至前排桩边缘的水平距离（m）；Ti为锚固力设计值（kN）；ZTi为支点至支护结构底部或最下道支撑的竖向距离（m）。

经计算抗倾覆稳定性系数KQ=1.220≥1.20，满足规范要求。

5 结论

通过岩土工程勘察获得地层物理力学性质，第1 层素填土并不适合作为建筑地基承载上部荷载，需要挖出挖除。第4 层粉土为液化土，场地液化等级为轻微液化，不宜作为持力层，以第10 层黏土为CFG桩桩端持力层，桩端进入桩端持力层不小于2 d，桩长不宜小于16 m。

采用联合采用多种支护形式对基坑进行加固，更能因地制宜提高边坡稳定性。对双排灌注桩加固情况进行分析，边坡整体稳定安全系数和抗倾覆稳定性系数均满足规范要求，本工程采用双排灌注桩对基坑进行防护是可行的。