软黏土基坑抗隆起稳定性研究 软黏土基坑抗隆起稳定性研究
傅鑫晖
(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)
摘 要：目前我国所采用的抗隆起稳定性计算忽略了支护结构底以下滑动区内土的重力对隆起的抵抗作用。基此，文章以福州某软土基坑为研究对象，对支护桩底未穿透软土层的基坑进行了抗隆起计算分析，并据计算分析结果提出新的计算方式。认为：在计算软土较厚的底层时，应充分考虑开挖一侧坑底滑动面以内土体重力对隆起的抵抗作用；开挖侧坑底滑动面以内土体的加固，可以对基坑隆起破坏起到一定的抵抗作用。
关键词：软黏土；抗隆起破坏；土体加固
0 引言
随着城市的发展，基坑规模越来越大，开挖深度也越来越深，且市区往往建筑物密集、管线繁多，因此基坑支护结构除了满足自身强度以及确保地下工程建造中的安全，还应当满足变形要求。在福州地区，软土分布较广，主要成因类型为滨海沉积软土，其主要工程性质有：触变性、流变性、高压缩性、低强度、低透水性、不均匀性等。因此，在软土地区开挖基坑应充分考虑围护结构变形及隆起破坏对周围建筑及交通环境的影响。
国内外专家学者针对软土深基坑的抗隆起稳定性问题做了相关研究，其中，黄茂松等[1]采用Casagrande各项异性强度表达式，分析了基于Prandtl模式的抗隆起稳定；姚燕明等[2]采用弹性地基上的板壳有限元，分析了坑底土体加固的深度、密度，加固的程度对基坑变形的影响；张飞等[3]设计了狭长深基坑的抗隆起离心模型试验，分析了不同开挖深度和水位条件下基坑隆起稳定破坏机制；夏建中等[4]以弹性地基梁法为基础，建立了基坑的二维有限元分析模型；张耀东等[5]在Bjerrum-Eide方法的基础上进行了改进，提出的抗隆起稳定计算改进公式可以综合考虑支护墙体的入土深度、基坑坑底的软土层深度、坑底地基处理和工程桩等对隆起稳定的影响；王成华等[6]基于Terzaghi承载力理论提出了基坑抗隆起稳定分析的临界宽度法，得出了最可能发生基坑抗隆起失稳破坏的坑外临界宽度。
本文以福州某软土基坑工程为例，分析了坑底加固土对基坑抗隆起所起到的作用。研究结果对福州软土地区的抗隆起的设计和施工具有理论及实际参考价值。
1 工程概况
该工程基坑设有1层地下室，开挖深度5.9m，坑中坑位置开挖深度7.5m。场地四周均为已有建筑物，基坑距最近已有建筑物外墙仅有6m，基坑平面尺寸如图1所示。场地上部岩土层为：①杂填土，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。基坑开挖范围内的地下水主要为杂填土层中的上层滞水。
图1 基坑平面示意图
场地典型地质剖面及地勘报告建议的各土层物理力学参数分别如图2和表1所示。
表1 土层计算参数
层号土层名称状态厚度(m)重度(kN/m3)内聚力c(kPa)内摩擦角φ(°)m值(MN/m4)①杂填土松散1.70-2.2017.05.010.03.0②淤泥流塑18.9-20.3015.110.05.02.0②-1粘土可塑2.20-2.4018.024.010.84.5③卵石密实1.80-12.9021.02.030.08.0
图2 地质剖面图
2 支护形式
基坑支护采用内支撑式排桩支护(SMW工法桩)，围护桩采用Φ650三轴水泥搅拌桩内插HM488×300型钢，型钢长18m～21m，内支撑采用圆形支撑及角撑，圆拱直径49m，开挖侧采用4m长单轴水泥搅拌桩对坑底被动区土体进行加固，基坑开挖深度范围主要为②淤泥软土层，基坑开挖支护断面如图3所示。
图3 基坑开挖支护断面图
3 抗隆起计算
从支护底部开始，逐层验算抗隆起稳定性[7]，结果如下：
支护底部，验算抗隆起：Ks> 1.800，抗隆起稳定性满足。当基坑底部以下为软土时，其嵌固深度应符合下式中以支撑为轴心的圆弧滑动稳定性要求如图4所示[7]。
式中，Kr——以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定安全系数；安全等级为一级、二级、三级的支挡式结构，Kr分别不应小于2.2、1.9、1.7；
cj、φj——分别为第j土条在滑弧面处土的黏聚力、内摩擦角；
lj——第j土条的滑弧长度；
qj——第j土条顶面上的竖向压力标准值；
bj——第j土条的宽度；
θj——第j土条滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角；
Gj——第j土条的自重，按天然重度计算。
图4 以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定性验算
然而，若以该公式进行抗隆起稳定性验算则忽略了基坑开挖一侧支护结构底以下滑动区内土体重力对隆起的抵抗作用，要使该项计算满足工程需要仅能通过增加挡土构件嵌固深度来提高抗隆起稳定性，若软土层较厚，构件嵌固深度甚至需要达到100m以上才能满足要求，这显然不符合工程实际。为了能满足工程需要，设计时，对开挖侧基坑坑底以下区域采用了数排水泥土搅拌桩进行坑底被动区土体加固，而最终的监测结果均满足设计要求，周边建筑未出现裂缝及倾斜，四周道路也并未出现沉陷。
4 抗隆起稳定验算机理及公式的讨论
对于开挖深度较大，且基坑底部有深厚软土，同时支护结构嵌固深度较小的基坑，土体从支挡结构底端向基坑内隆起挤出是内支撑式支挡结构的一种破坏形式。这是一种土体丧失竖向平衡状态的破坏模式，由于支撑只能对支护结构提供水平方向的平衡力，无法对隆起变形起到控制作用，因此，对深厚软土层中的深基坑，依照规范公式，只能通过增加挡土构件嵌固深度来提高抗隆起稳定性。
规范所采用的抗隆起稳定性验算方法为承载力的Prandtl极限平衡理论公式，但Prandtl理论公式忽略了支护结构底以下滑动区内土的重力对隆起的抵抗作用以及基坑外挡土构件底部以上的土体的剪应力对隆起的抵抗作用。
该公式忽略了基坑开挖一侧坑底到支护桩底部滑动区域土体重力对圆弧滑动稳定安全系数的有益作用，导致了运用该公式的计算结果与实际情况有较大的偏差。基坑隆起破坏时，基坑围护桩底端向坑内位移，挤压坑内土体向上隆起，从而支撑向上曲折即基坑围护桩顶端向外移动，上层支撑系统脱落或者向上折断破坏。根据张飞等[3]的研究结果：软土层中的深基坑工程，随着开挖深度增大，围护墙底向坑内位移逐渐增加，支撑系统表现出向坑外的负弯矩分布，即墙体外侧受拉。当基坑开挖深度进一步加大，围护墙插入深度严重不足时，底端向坑内的变形进一步增加，围护墙出现绕某道支撑点向坑内转动的踢脚破坏。在这一破坏过程中，如果在基坑开挖一侧坑底采用被动土加固措施，就可以减少围护桩向坑内的位移，从而降低隆起破坏的可能性。
为了充分考虑开挖侧土体重力对抗隆起所起到的有益作用，笔者建议可采用如下公式进行以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定性验算：
为简化计算，将土体以支护桩为轴线，支护桩内外侧土体等宽度划分为数量相等的土条，即计算时，Gj和Gi分别为以支护为轴线，对称分布的土条的自重，两土条与支护桩的夹角如图5所示。
图5 考虑开挖侧土体重力并以最下层支点为轴心的圆孤滑动稳定性验算
采用该计算方式的计算结果为Kr=2.25>2.2满足设计要求，同时，由于对被动区土体进行了加固，使该区域内Gi有所提高，对隆起破坏也起到了控制作用。但由于计算时无法准确确定加固土体所占比例，因此，计算时并未考虑被动区土重增加这一有利作用，仅将其作为安全储备考虑，也与该工程的实际情况较为吻合。
5 结论
(1)以最下层支点为转动轴心的圆弧滑动模式的稳定性验算方法忽略了基坑开挖一侧坑底滑动面以内土的重力对隆起的抵抗作用。因此，在软土较厚的底层中计算结果与工程实际情况有较大偏差，应充分考虑开挖一侧坑底滑动面以内土体重力对隆起的抵抗作用。
(2)开挖侧坑底滑动面以内土体的加固提高了该区域土体的重度，对基坑隆起破坏能起到一定的抵抗作用。
参 考 文 献：
[1] 黄茂松，宋晓宇，秦会来.固结黏土基坑抗隆起稳定性上限分析[J].岩土工程学报，2008，30(2)：250-255.
[2] 姚燕明，周顺华，孙巍，等.坑底加固对平行换乘车站基坑变形影响的计算分析[J].地下空间，2004，24(1)：7-10.
[3] 张飞，李镜培，孙长安，等.软土狭长深基坑抗隆起破坏模式试验研究[J].岩土力学，2016，10:2826-2832.
[4] 夏建中，罗战友，龚晓南.基坑内土体加固对地表沉降的影响分析[J].岩土工程学报，2008，30(S1)：212-215.
[5] 张耀东，龚晓南.软土基坑抗隆起稳定性计算的改进[J].岩土工程学报，2006，28(S1)：1378-1382.
[6] 王成华，鹿群，孙鹏.基坑抗隆起稳定性分析的临界宽度法[J].岩土工程学报，2006，28(3)：295-300.
[7] JGJ120-2012 建筑基坑支护技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
Study on basal heave stability of soft clay foundation
FU Xinhui
(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research,Fuzhou 350001)
Abstract：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.
Keywords：Soft clay; Basal heave failure; Reinforcement of the soft soil
作者简介：傅鑫晖(1984.11- )，男，工程师。
E-mail:[email protected]
收稿日期：2017-02-24
中图分类号：TU
文献标识码：A
文章编号：1004-6135(2017)05-0079-04
软黏土基坑抗隆起稳定性研究 软黏土基坑抗隆起稳定性研究
傅鑫晖
(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)
摘 要：目前我国所采用的抗隆起稳定性计算忽略了支护结构底以下滑动区内土的重力对隆起的抵抗作用。基此，文章以福州某软土基坑为研究对象，对支护桩底未穿透软土层的基坑进行了抗隆起计算分析，并据计算分析结果提出新的计算方式。认为：在计算软土较厚的底层时，应充分考虑开挖一侧坑底滑动面以内土体重力对隆起的抵抗作用；开挖侧坑底滑动面以内土体的加固，可以对基坑隆起破坏起到一定的抵抗作用。
关键词：软黏土；抗隆起破坏；土体加固
0 引言
随着城市的发展，基坑规模越来越大，开挖深度也越来越深，且市区往往建筑物密集、管线繁多，因此基坑支护结构除了满足自身强度以及确保地下工程建造中的安全，还应当满足变形要求。在福州地区，软土分布较广，主要成因类型为滨海沉积软土，其主要工程性质有：触变性、流变性、高压缩性、低强度、低透水性、不均匀性等。因此，在软土地区开挖基坑应充分考虑围护结构变形及隆起破坏对周围建筑及交通环境的影响。
国内外专家学者针对软土深基坑的抗隆起稳定性问题做了相关研究，其中，黄茂松等[1]采用Casagrande各项异性强度表达式，分析了基于Prandtl模式的抗隆起稳定；姚燕明等[2]采用弹性地基上的板壳有限元，分析了坑底土体加固的深度、密度，加固的程度对基坑变形的影响；张飞等[3]设计了狭长深基坑的抗隆起离心模型试验，分析了不同开挖深度和水位条件下基坑隆起稳定破坏机制；夏建中等[4]以弹性地基梁法为基础，建立了基坑的二维有限元分析模型；张耀东等[5]在Bjerrum-Eide方法的基础上进行了改进，提出的抗隆起稳定计算改进公式可以综合考虑支护墙体的入土深度、基坑坑底的软土层深度、坑底地基处理和工程桩等对隆起稳定的影响；王成华等[6]基于Terzaghi承载力理论提出了基坑抗隆起稳定分析的临界宽度法，得出了最可能发生基坑抗隆起失稳破坏的坑外临界宽度。
本文以福州某软土基坑工程为例，分析了坑底加固土对基坑抗隆起所起到的作用。研究结果对福州软土地区的抗隆起的设计和施工具有理论及实际参考价值。
1 工程概况
该工程基坑设有1层地下室，开挖深度5.9m，坑中坑位置开挖深度7.5m。场地四周均为已有建筑物，基坑距最近已有建筑物外墙仅有6m，基坑平面尺寸如图1所示。场地上部岩土层为：①杂填土，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。基坑开挖范围内的地下水主要为杂填土层中的上层滞水。
图1 基坑平面示意图
场地典型地质剖面及地勘报告建议的各土层物理力学参数分别如图2和表1所示。
表1 土层计算参数
层号土层名称状态厚度(m)重度(kN/m3)内聚力c(kPa)内摩擦角φ(°)m值(MN/m4)①杂填土松散1.70-2.2017.05.010.03.0②淤泥流塑18.9-20.3015.110.05.02.0②-1粘土可塑2.20-2.4018.024.010.84.5③卵石密实1.80-12.9021.02.030.08.0
图2 地质剖面图
2 支护形式
基坑支护采用内支撑式排桩支护(SMW工法桩)，围护桩采用Φ650三轴水泥搅拌桩内插HM488×300型钢，型钢长18m～21m，内支撑采用圆形支撑及角撑，圆拱直径49m，开挖侧采用4m长单轴水泥搅拌桩对坑底被动区土体进行加固，基坑开挖深度范围主要为②淤泥软土层，基坑开挖支护断面如图3所示。
图3 基坑开挖支护断面图
3 抗隆起计算
从支护底部开始，逐层验算抗隆起稳定性[7]，结果如下：
支护底部，验算抗隆起：Ks> 1.800，抗隆起稳定性满足。当基坑底部以下为软土时，其嵌固深度应符合下式中以支撑为轴心的圆弧滑动稳定性要求如图4所示[7]。
式中，Kr——以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定安全系数；安全等级为一级、二级、三级的支挡式结构，Kr分别不应小于2.2、1.9、1.7；
cj、φj——分别为第j土条在滑弧面处土的黏聚力、内摩擦角；
lj——第j土条的滑弧长度；
qj——第j土条顶面上的竖向压力标准值；
bj——第j土条的宽度；
θj——第j土条滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角；
Gj——第j土条的自重，按天然重度计算。
图4 以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定性验算
然而，若以该公式进行抗隆起稳定性验算则忽略了基坑开挖一侧支护结构底以下滑动区内土体重力对隆起的抵抗作用，要使该项计算满足工程需要仅能通过增加挡土构件嵌固深度来提高抗隆起稳定性，若软土层较厚，构件嵌固深度甚至需要达到100m以上才能满足要求，这显然不符合工程实际。为了能满足工程需要，设计时，对开挖侧基坑坑底以下区域采用了数排水泥土搅拌桩进行坑底被动区土体加固，而最终的监测结果均满足设计要求，周边建筑未出现裂缝及倾斜，四周道路也并未出现沉陷。
4 抗隆起稳定验算机理及公式的讨论
对于开挖深度较大，且基坑底部有深厚软土，同时支护结构嵌固深度较小的基坑，土体从支挡结构底端向基坑内隆起挤出是内支撑式支挡结构的一种破坏形式。这是一种土体丧失竖向平衡状态的破坏模式，由于支撑只能对支护结构提供水平方向的平衡力，无法对隆起变形起到控制作用，因此，对深厚软土层中的深基坑，依照规范公式，只能通过增加挡土构件嵌固深度来提高抗隆起稳定性。
规范所采用的抗隆起稳定性验算方法为承载力的Prandtl极限平衡理论公式，但Prandtl理论公式忽略了支护结构底以下滑动区内土的重力对隆起的抵抗作用以及基坑外挡土构件底部以上的土体的剪应力对隆起的抵抗作用。
该公式忽略了基坑开挖一侧坑底到支护桩底部滑动区域土体重力对圆弧滑动稳定安全系数的有益作用，导致了运用该公式的计算结果与实际情况有较大的偏差。基坑隆起破坏时，基坑围护桩底端向坑内位移，挤压坑内土体向上隆起，从而支撑向上曲折即基坑围护桩顶端向外移动，上层支撑系统脱落或者向上折断破坏。根据张飞等[3]的研究结果：软土层中的深基坑工程，随着开挖深度增大，围护墙底向坑内位移逐渐增加，支撑系统表现出向坑外的负弯矩分布，即墙体外侧受拉。当基坑开挖深度进一步加大，围护墙插入深度严重不足时，底端向坑内的变形进一步增加，围护墙出现绕某道支撑点向坑内转动的踢脚破坏。在这一破坏过程中，如果在基坑开挖一侧坑底采用被动土加固措施，就可以减少围护桩向坑内的位移，从而降低隆起破坏的可能性。
为了充分考虑开挖侧土体重力对抗隆起所起到的有益作用，笔者建议可采用如下公式进行以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定性验算：
为简化计算，将土体以支护桩为轴线，支护桩内外侧土体等宽度划分为数量相等的土条，即计算时，Gj和Gi分别为以支护为轴线，对称分布的土条的自重，两土条与支护桩的夹角如图5所示。
图5 考虑开挖侧土体重力并以最下层支点为轴心的圆孤滑动稳定性验算
采用该计算方式的计算结果为Kr=2.25>2.2满足设计要求，同时，由于对被动区土体进行了加固，使该区域内Gi有所提高，对隆起破坏也起到了控制作用。但由于计算时无法准确确定加固土体所占比例，因此，计算时并未考虑被动区土重增加这一有利作用，仅将其作为安全储备考虑，也与该工程的实际情况较为吻合。
5 结论
(1)以最下层支点为转动轴心的圆弧滑动模式的稳定性验算方法忽略了基坑开挖一侧坑底滑动面以内土的重力对隆起的抵抗作用。因此，在软土较厚的底层中计算结果与工程实际情况有较大偏差，应充分考虑开挖一侧坑底滑动面以内土体重力对隆起的抵抗作用。
(2)开挖侧坑底滑动面以内土体的加固提高了该区域土体的重度，对基坑隆起破坏能起到一定的抵抗作用。
参 考 文 献：
[1] 黄茂松，宋晓宇，秦会来.固结黏土基坑抗隆起稳定性上限分析[J].岩土工程学报，2008，30(2)：250-255.
[2] 姚燕明，周顺华，孙巍，等.坑底加固对平行换乘车站基坑变形影响的计算分析[J].地下空间，2004，24(1)：7-10.
[3] 张飞，李镜培，孙长安，等.软土狭长深基坑抗隆起破坏模式试验研究[J].岩土力学，2016，10:2826-2832.
[4] 夏建中，罗战友，龚晓南.基坑内土体加固对地表沉降的影响分析[J].岩土工程学报，2008，30(S1)：212-215.
[5] 张耀东，龚晓南.软土基坑抗隆起稳定性计算的改进[J].岩土工程学报，2006，28(S1)：1378-1382.
[6] 王成华，鹿群，孙鹏.基坑抗隆起稳定性分析的临界宽度法[J].岩土工程学报，2006，28(3)：295-300.
[7] JGJ120-2012 建筑基坑支护技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
Study on basal heave stability of soft clay foundation
FU Xinhui
(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research,Fuzhou 350001)
Abstract：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.
Keywords：Soft clay; Basal heave failure; Reinforcement of the soft soil
作者简介：傅鑫晖(1984.11- )，男，工程师。
E-mail:[email protected]
收稿日期：2017-02-24
中图分类号：TU
文献标识码：A
文章编号：1004-6135(2017)05-0079-04