软土基坑设计的关键问题研究

2014-10-21周豪

建筑工程技术与设计 2014年32期

周豪

【摘要】本文阐述了软土基坑工程的特点，对软土基坑设计中涉及的一系列关键问题进行了讨论和分析，并通过工程实例分析对软土基坑设计进行了介绍。

【关键词】软土基坑；设计；关键问题

城市的发展带动了土木工程建筑行业的快速发展，地上空间与地下空间得到了充分的利用，由此推动了深基坑的发展。然而在深基坑的发展中深基坑的开挖和支护的岩土是最关键的问题，特别是软土基坑工程，与一般的基坑设计与施工相比有更大的难度，工程更为复杂，设计要求更高。

一、软土基坑工程的特点

软土基坑与一般的基坑设计与施工相比具有以下几个特点，而这也是软土基坑设计与施工的难点所在。首先，软土的强度较低，具有很强的流变性，导致软土基坑边坡的稳定性较差，支护体系承受的荷载也较大，因此软土基坑工程需要更高强度的支护结构。其次，软土基坑施工场地的地下水含量十分丰富，水位的埋藏点很浅，因此在软土设计与施工过程中需要引起高度的重视，进行有效的控水方案设计与施工。再次，软土具有很大的变形性，这就导致软土基坑的开挖也容易发生变形和移位的现象。在软土基坑施工中常常发现部分软土基坑的支护结构存在严重的侧向位移，位移超过几十厘米之多，这对基坑的开挖造成了严重的影响和破坏。再次，软土基坑护壁结构的变形往往比较滞后，这就造成了对护壁的破坏比较迅速，并且具有突变性。在护壁结构被破坏前，会造成土压力值剧烈的变化。最后，软土基坑事故发生的频率较高，导致事故发生的因素较多，包括临近的施工的影响，如打桩、挖土和降水等。

二、软土基坑设计的关键问题

（一）软土基坑施工增量法计算问题

目前杨光华提出的增量法广泛的用于基坑工程支护结构的计算，该算法能够对各个施工过程所增加的增量载荷进行计算和叠加。增量荷载包括土压力增量和开挖的弹簧反力。这种方法与连续梁法具有较大的区别，主要体现在弯矩和支撑反力上面。不考虑施工过程的连续梁法计算由于缺少了对弯矩偏小的考虑，也就对设计的安全性造成了影响。增量法中，下部支撑受力较小，并且受到施工过程的影响，因此增量法多用于多撑与多锚支护结构中。

（二）预应力锚杆计算问题

在当前的基坑支护中广泛使用了预应力锚杆，但是基坑设计软件并不能进行完整的预应力锚杆分析，因为软件无法对主动侧弹簧的作用和基坑施工的增量荷载进行考虑，这也就导致了工程实测的锚杆受力与计算值之间存在较大的差异。对此，有关研究提出了相关的解决办法，从而对预应力锚杆进行合理的计算。如进行一层锚杆增量法的计算，主要分为了三步。第一步，当地面开挖到深度H2时，开挖面以上弹簧消失后，墙体会向基坑内部发生位移；第二步，在开挖深度H1处加预应力锚杆，预应力F被施加到墙体上，同时墙体会向基坑外产生位移增量△V0，并且认为预应力F由弹簧与锚索共同承担；第三步，从H2开挖到深度H3时，基坑内的位移增量为△V1。由此可知，两个增步量产生的总位移为△V=?V0+△V1。以弹簧代替锚杆，根据受力情况来判断是否存在。当△V<0时，则弹簧受压，计算中需要考虑；当△V>0时，弹簧受拉，计算中不做考虑。得到的锚杆指点反力为R=K△V+F。其中，K为锚杆水平刚度。通常的基坑设计软件对预应力锚索进行分析时，忽略了主动侧弹簧作用，从而导致△V0偏大，而在软土基坑设计中这种误差则被进一步的扩大。因此，设计人员普遍对△V0进行控制，不采用高预应力值，最终造成了结构受力与实际的较大差异。

（三）软土基坑局部稳定性被忽略

通常采用放坡开挖的方式进行软土基坑施工，并对整体的稳定性进行分析。在基坑设计时通常会忽略局部的稳定性，而软土基坑往往最先发生的是局部性的破坏，对于软土基坑而言，地基的局部稳定性是相当关键的。目前极限圆弧滑动法只能够对基坑的整体稳定性进行分析，缺少了对局部稳定的判断，因此圆弧滑动法存在不合理的现象，尤其是在遇到软夹层时，更容易造成软土基坑的不安全。此时，就需要通过计算来确定整体的稳定性，同时对地基进行稳定性分析。

三、工程实例——支护结构的设计

（一）工程概况

基坑工程为引水工程泵站基坑，施工场地原为稻田，钻探结果发现该地的岩性主要为冲击岩与人工堆积岩。其中，冲击岩土层分布主要为泥质粉砂约4.3m；灰褐色粉质粘土1.5-6.0m；淤泥和淤泥质粘土3.0-7.0m；花斑粘土4.5-12.0m；粉土3.7-5.2m。同时还包括全风化层、强风化层和弱风化层。

（二）支护结构的设计

该基坑场地地层不均匀，含有深厚的软弱层，淤泥和淤泥质粘土最厚处约15.7m，开挖的深度变化比较大，在5.8-16.0m，僅使用单一的支护，安全性和经济性不够理想。其设计难点也在于支护桩的嵌固深度、锚杆锚固力等问题上。结合施工场地的地质情况，进行支护结构设计。

1、确定设计方案

设计方案1，在基坑上部的软弱土层采用排桩支护，下部岩体采用土钉支护。这种支护形式是比较常用的一种设计，施工经验成熟，但是由于软弱土层的影响，难以负荷施工机械的质量，机械极易陷入泥土，为施工将造成很大的困难，因此需要对表土层进行换填，另外，淤泥中锚杆成孔也十分困难，锚固力弱。

设计方案2，结合各个区域的地质土层的实景情况与周边的环境考虑，为了方便施工，方案2根据不同分区的情况进行了不同的支护结构设计。其中，区域Ⅰ～Ⅴ采用“灌注桩/混凝土内撑/放坡”一体的支护结构；区域Ⅵ～Ⅸ采用放坡开挖的形式；区域Ⅹ～Ⅻ支护结构为“放坡/锚杆”。

综合对比后，最终选择针对性强，操作性强的方案2。

2、各支护剖面计算

本设计中采用杨光华的增量法深基坑计算程序，综合考虑支护结构与锚杆之间的作用，以及主动册弹簧的作用，从而计算结果与实测结果的一致性较好。另外，对软弱层基坑边坡的稳定性分析，根据地基的承载力与局部的强度折减法来进行，求出地基的安全系数。表1和表1分别为各支护剖面计算结果。

结束语