贾一全
中铁上海设计院集团有限公司杭州院 浙江 杭州 730050
摘要：本工程基坑坑底加固采用了裙边抽条加固相结合形式，且在加固深度范围内首次采用了不同水泥掺入量交错布置的加固方式。本文通过建立有限元模型，计算分析该形式的裙边、抽条加固对基坑变形影响规律，并采用极差分析法对影响因素进行主、次划分。研究结果表明，裙边加固深度是影响基坑变形的主要因素，且深度达到12m时围护桩最大变形值趋于稳定，加固宽度超过4m时对围护结构变形影响较小；抽条加固深度小于0.45倍的基坑挖深时可有效控制基坑变形，加固宽度达到一定的数值后对控制基坑变形基本没有效果。
关键词：软土,坑底加固,裙边加固,抽条加固,变形影响
中图法分类号：U448.1 文献标识码： A
基坑工程随着科学技术日新月异的发展，在强度控制和变形控制中，变形控制已成为判断基坑安全稳定的主要标准，尤其周边环境相对复杂，对变形有严格的控制要求[1]。而基坑变形主要体现在围护结构、坑底隆起、地表沉降以及周边建（构）筑物等，目前控制基坑变形的措施主要从上述几个方向出发，具体措施如增加围护结构刚度、增设内支撑、主、被动区土体加固、放坡卸荷以及增设降排水设施等。经大量计算和实际工程经验，坑底加固可有效抑制坑底隆起，并大幅度减小围护结构变形，是一种常用的控制基坑变形措施，其加固形式、范围、深度等均可影响基坑围护结构的变形值。
常用的坑底加固形式有满堂加固、裙边加固、抽条加固等，不同加固形式对基坑变形影响也不同，文献[2]~[5]通过实验结果和数值分析两者对比均论证了控制基坑变形效果满堂加固＞裙边加固，而抽条加固仅在加固范围内起到抑制基坑变形的效果。
目前针对地基承载力仅有40kPa的软土地区控制基坑变形尚没有研究和结论，这种土具有强度低、压缩性高、渗透性小等典型力学性质。本文以实际基坑工程为例，详细分析坑底加固对深厚软土地区基坑变形影响。本工程实例中基坑具有以下几个重难点：
（1）基坑位于城市轨道交通桥梁跨间，围护结构距离既有桥梁承台净距仅有295cm，且城市交通不允许限速或中断，对既有桥梁变形控制要求严格；
（2）坑底位于淤泥层，地基承载力为40kPa，且该层层厚约20m左右；
（3）坑底加固采用裙边抽条加固相结合形式，且在加固深度范围内首次采用了不同水泥掺入量交错布置的加固方式；
（4）由于该基坑用于道路框架暗埋段，坑底加固不仅要确保基坑稳定，还须兼做道路复合地基，且地基承载力须达到120kPa。
鉴于该基坑的特殊性，本文通过建立有限元模型进行数值分析，研究该加固方式对基坑变形的影响。
1 工程概况
基坑平面面积约1476m2，挖深7.81m，位于既有（40+60+40）m连续梁桥主跨正下方。该地区为典型的软土地质，软土层厚约20m左右，地质信息如表1所示，坑底位于②淤泥层，地基承载力仅为40kPa。
.png)
为确保轨道交通正常运营，根据实际地质情况，结合周边环境因素，基坑围护体系采用双排φ100@120cm钻孔桩结合内支撑形式，双排桩桩间设置高压旋喷桩兼做止水帷幕，坑底进行复合地基处理，加固后地基承载力达到120kPa。
.png)
采用启明星（FRWS9.0）进行基坑计算，结果显示，坑底加固深度须达到26.5m才可确保围护桩最大水平位移、基坑整体稳定性、抗倾覆、抗隆起等系数均满足现行规范要求。而根据置换率计算公式，当置换率达到0.7时，复合地基承载力可达到120kPa，但抗隆起系数仍达不到控制标准。考虑到软件计算的局限性，结合实际施工，为了降低造价，在确保复合地基承载力不小于120kPa，且满足抗隆起系数要求的前提下，对坑底加固进行了优化设计。
坑底加固采用裙边抽条加固相结合形式，和传统的裙边结合抽条加固形式相比，该基坑坑底加固在加固深度范围内采用不同水泥掺入量交错布置的加固形式，深度范围内的加固形式如图2（b）所示。
.png)
2 数值模拟
2.1模型建立
采用有限元软件对该基坑建立三维模型，围护结构按等效刚度法简化为矩形截面，其与土体之间设置接触面，确保桩与土协调变形受力。坑底加固体是通过改变土体割线模量来实现，其参数的选取直接影响计算结果，而水泥掺入比是影响割线模量的主要因素，根据文献[4]中经过计算得出水泥掺入比的合理范围为5%~20%，结合工程经验，本工程深度H1范围内水泥掺入比为15%，深度H2范围内水泥掺入比为8%。
2.2加固深度对围护结构变形影响
坑底加固越深，抑制基坑变形效果越好，但一味的增加加固深度，既不经济也不科学，在加固深度上必然存在一个合理的范围，使得加固体最大限度地发挥抑制基坑变形的作用。
2.2.1裙边加固
选取裙边加固宽度B1=2、3、4、5、6m五种加固宽度，分析裙边加固深度对基坑围护结构变形影响。结果显示，随加固深度的增加，围护桩最大水平位移值发生的部位逐渐从地面以下15m的范围向坑底靠近。如图3所示，不同加固宽度下，围护桩最大水平变形随裙边加固深度的增加而逐渐减小，其各变化曲线走向基本一致。当加固深度在9m范围内增加时，围护桩的最大水平位移值变化较明显，当加固深度大于12m时，围护桩最大变形值趋于稳定，变化很小。结合坑底隆起量的控制标准，各加固宽度下裙边加固深度H至少达到12m才可确保基坑稳定。
.png)
2.2.2抽条加固
保持裙边加固深度H=12m、H1=3m不变，选取抽条加固宽度B2=3、5、7、9m四种加固宽度，分析抽条加固深度对基坑围护结构变形影响。结果显示，随加固深度的增加，围护桩最大水平位移值发生的部位从基坑底部逐渐下移。如图4所示，与裙边加固深度相比，抽条加固深度的变化对基坑围护结构变形影响相对较弱。不同加固宽度下，围护桩最大水平变形随抽条加固深度的增加而逐渐增大。当加固深度大于4m时，围护桩最大水平位移变化趋势增大，结合坑底抗隆起控制标准，抽条加固深度小于0.45倍的基坑挖深时可有效控制围护结构和坑底隆起的变形，故本工程确定抽条加固深度H2=3m。
.png)
2.3加固宽度对围护结构变形影响
2.3.1裙边加固
如图3所示，在不同的加固深度下，加固宽度2~4m时，围护结构最大水平变形相对明显，加固宽度超过4m时，其水平位移值并没有多大的变化，文献[6]也对加固体的宽度有不小于0.4倍基坑开挖深度的要求，故本工程基坑裙边加固宽度B1不宜小于3.5m。
2.3.2抽条加固
保持H、H1、B1、H2均不变，提取围护桩最大水平位移值以及坑底最大隆起值，计算结果表明，抽条加固宽度B2的变化对围护桩的变形影响相对较小，这是因为计算条件中已计入裙边加固，裙边加固控制围护桩变形效果相对较好。抽条加固宽度在3~8m的范围内，对围护结构和坑底隆起的影响相对显著，加固宽度超过9m后，围护桩和坑底隆起量的变化较小，加固宽度达到一定的数值后对控制基坑变形基本没有效果，故本工程抽条加固宽度B2最终取值7~9m。
.png)
3 影响基坑变形的主、次要因素
综上所述，不管是裙边加固还是抽条加固，在加固深度和宽度上都不同程度的影响基坑变形结果。提取模型数据，采用极差分析法对裙边、抽条加固中的加固深度、宽度进行影响分析计算。极差分析法中R反映了影响因素对指标的影响程度，R越大说明该因素是主要影响因素。
表2 裙边加固影响因素结果统计
Table 2 Statistical analysis of influencing factors of skirt reinforcement
.png)
经计算，裙边加固的围护结构最大水平位移和坑底最大隆起量中RH＞RB，说明加固深度H在该影响因素中占主导地位，影响基坑变形作用相对较大。抽条加固中，针对围护结构最大水平位移RH＞RB，说明和加固宽度B2相比，加固深度H2对围护结构变形影响较大；而坑底最大隆起量RH＜RB，说明抽条加固宽度B2是影响坑底隆起量的主要因素。
4 结论
结合基坑周边环境的复杂性以及典型的软土地质，本基坑工程坑底加固设计相对保守，通过有限元建模计算，对影响基坑变形的因素进行了系统的分析，得到以下结论：
（1）裙边加固深度H达到12m时，围护桩最大变形值趋于稳定。
裙边加固宽度2~4m时，围护结构最大水平变形相对明显，加固宽度超过4m时，对围护结构变形影响较小。
（2）抽条加固深度H2的变化对基坑围护结构变形影响相对较弱。当加固深度小于0.45倍的基坑挖深时可有效控制围护结构和坑底隆起的变形。
抽条加固宽度在3~8m的范围内，对围护结构和坑底隆起的影响相对显著，加固宽度达到一定的数值后对控制基坑变形基本没有效果。
（3）经分析计算，裙边加固中加固深度H是抑制基坑变形的主要影响因素；抽条加固中，加固深度H2对围护结构变形影响较大，而加固宽度B2是影响坑底隆起量的主要因素。
参考文献：
[1] 龚晓南,杨仲轩.岩土工程变形控制设计理论与实践[M].北京:中国建筑工业出版社,2018.
[2] 郑俊杰,章荣军,丁烈云等.基坑被动区加固的位移控制效果及参数分析[J].岩石力学与工程学报.2010,29（5）：1042-1051.
[3] 熊伟,邓建林,钟庆华等.基坑底部土体裙边加固模型试验与数值模拟研究[J].土木与环境工程学报（中英文）.2019,41(5):9-17.
[4] 谈亦帆,言建标,熊伟等.基坑底部土体满堂加固模型试验与数值模拟研究[J].土木与环境工程学报（中英文）.2020,42(2):56-64.
[5] 熊春宝,高鹏,田力耘等.不同坑底加固方式对深基坑变形影响的研究[J].建筑技术.2015,46(6):486-490.
[6] 建筑基坑工程技术规程[M].北京:中国建筑工业出版社,2018.