０８ 江苏建筑 ２０１７年第ｉ期（总第１８１期） 淤泥质土条件下基坑支护设计与数值分析 陶铸。徐岱，胡蓉伟 （中亿丰建设集团设计研究院有限公司，江苏苏州２１５００８） 『摘 要１ 淤泥质土的物理性质比较特殊．在此土层中进行大面积的基坑土方开挖有着较大的难度，因此，需要选择合理 的支护措施以尽量减少施工扰动对土体的影响．保证基坑安全稳定。文章以苏州某基坑支护工程为研究对象，利用Ｐｌａｘｉｓ软 件对基坑的施工过程进行模拟．对比分析围护结构变形的计算结果与监测结果．结论证明采用水泥土重力式挡墙围护结构 能有效地控制深基坑施工过程中土体变形．对苏州地区类似基坑的围护设计和施工具有一定指导借鉴意义． ．『关键词１ 淤泥质土：水泥土重力式挡墙；变形控制：数值模拟 『中图分类号１ ＴＵ４４７．４『文献标识码１Ａ ｆ文章编－￣］１ｏｏ５—６２７０（２０１７）Ｏ１—０１０８—０４ Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｐｉｔ Ｓｕｐｐｏｒｔ ｕｎｄｅｒ Ｍｕｃｋｙ Ｓｏｉｌ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ＴＡＯ Ｚｈｕ ＸＵ Ｄａｉ ＨＵ Ｒｏｎｇ—ｗｅｉ （ＺＹＦ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｕｚｈｏｕ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１５００８ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｍｕｃｋｙ ｓｏｉｌ ｉｓ ｒａｔｈｅｒ ｓｐｅｃｉａｌ，ｉｔ＇ｓ ｄｉｆｉｆｃｕｌｔ ｆｏｒ ｐｉｔ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｏｉｌ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒ ｉｔ ｎｅｅｄ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｓｕｒｐｐｏｒｔｉｎｇ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｅｎｓｕｒｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｎ Ｓｕｚｈｏｕ．Ｉｔ ｕｅｓ Ｐｌａｘｉｓ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｄｅｅｐ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ．Ｃｏｍｐａｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ—ｓｏｉｌ ｇｒａｖｉｔｙ ｗａｌｌ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ｈａｖｅ ｇｕｉｄａｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｓｕｚｈｏｕ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｃｋｙ ｓｏｉｌ；ｃｅｍｅｎｔ－ｓｏｉｌ ｇｒａｖｉｔｙ ｗａｌｌ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ０ 引言 强度低。在淤泥质土地质条件下进行施Ｔ，由于软土的流变 性及灵敏性等特性．在施工过程中．对基坑支护结构的内力 随着我国城镇化进程的持续推进．基础设施的建设在 经历了３０余年的高速发展之后开始步入稳定发展时期．城 市化进程带来城市人口的激增，为满足地下轨道交通、市政 Ｔ程发展的需要．提高城市中心土地的利用率．建筑的高层 化与地下空间的开发成为了城市建设的必然趋势 目前苏州地下空间的开发正处于大发展的状态．在长 ｉ角地区深厚的淤泥质土层地质条件下进行基坑结构的设 计．需要统筹考虑结构的安全性、技术的先进性、方案的经 济性以及施＿丁条件的便利性等诸多因素。 １ 工程概况 丁程地上建筑物为４ １０层的研发办公楼．下设ｌ层地 下车库。基坑开挖面积约为１．２万ｍ２，周长约４７０ｍ，基坑四 周大面积开挖深度为５．４０ｍ．周围无重要建筑物．西侧为空 地．南侧为在建道路．东侧与北侧为已建道路．主干道距离 图１基坑周边环境图 ［收稿日￣１２０１６－０８．１７ 【作者简介】陶铸，（１９７９一），中亿丰建设集团设计研究院有限公司，高 级工程师．主要从事岩土工程勘察设计工作。 围护结构边线最近处约５ｍ。基坑坑底基本位于②一２层淤 泥质粉质粘土层．该土层呈流塑状．水平基床系数小，抗剪 江苏建筑 ２０１７年第１期（总第１８１期） “辨ｔ 与位移的控制产生很大的影响。因此，本基坑设汁的重点是 支护结构的位移控制与整体稳定（图１）。 － １．１地质水文概况 场地地江三角洲南缘的冲、湖积平原．地貌型态单 一 ～｝．１・｜牡—— — Ｔ ． 一 ． 。 本Ｔ程基坑开挖深度范嗣内土层自上而下依次为： 生 ■■－Ｌ－Ｌ 一Ｌ ！Ｔ『 ｒ ＿Ｊ § ①层素填土：灰黄色，松散，浅部含有植物根茎和建筑 垃圾．以粉质粘土为主．该层土回填时间约ｌ～５年。该层土 质不均匀．属欠同结土．该土层场地内均有分布。 ｝ＩＩ棚Ｉ ±盟 ．盎基 嚏曼 卜１■■粘土 』 、塑射蛹！哺 一 ②一ｌ层粉质粘土：灰色，可塑～软塑，含有机质，稍有光 泽．无摇振反应．干强度中等，韧性巾等，具中偏高压缩性。 该土层场地均有分布 ’ ３－１■ｔ轱土 面＿ — 照量 ②一２层淤泥质粉质粘土：灰色，流塑，含有机质，稍有 光泽．无摇振反应，干强度中等，韧性中等，具高压缩性。该 土层场地均有分布 一一．～ ③一ｌ层粉质粘土：黄灰色，可塑，稍有光泽，无摇振反 应．干强度中等．韧性中等，具中压缩性。场地内大部分分 布。 图２基坑典型区域支护结构剖面图 ③一２层粉质粘土：黄灰色，可塑，稍有光泽，无摇振反 应．１＝强度中等．韧性中等．具中压缩性。该土层场地均有分 布。 ④层粉质粘土：灰色，软塑 流塑，夹薄层稍密状粉土， 稍有光泽 无光泽，摇振反映无一缓慢，千强度中等～低，韧 性中等～低．具中偏高压缩性。 拟建场地对本二『．程有影响的地下水主要为潜水。潜水 主要赋存于第①层素填土层的孑Ｌ隙中，富水性差，主要受大 气降水的入渗补给．潜水初见水位标高１．４６ｍ １．９１ｍ；稳定 水位标高１．６６ｍ ２．１ｌｍ．土的物理力学性质见表１．． １Ｉ２支护结构设计 图３几何模型及网格划分 综合基坑周边环境、场地的Ｔ程地质、水文地质条件及 基坑开挖深度．分别采用放坡挂网喷混凝土结合木桩支护及 水泥土重力式挡墙的支护形式 重力坝采用 ７００＠５００双 轴水泥土搅拌桩．水泥掺量１５％．．基坑支护结构剖面图如图 ２ ２有限元分析 ２．１ 建立模型 土体采用ｌ５节点平面单元．土体材料模型采用土体硬化模 型（Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ—Ｓｏｉｌ模型）。整体模型见图３。 ２－２施ｌ丁工况模拟 计算之前通过对土体进行白重应力模拟．并使其位移 清零来作为基坑施．［Ｔ况的初始阶段 为使数值分析结构 更加贴近工程实际．本文将整个基坑的开挖过程分成３步 有限元分析。（表２） 采 Ｐｌａｘｉｓ有限元程序建立基坑支护的平面应变模型 进行开挖丁况的分析。根据相关文献的建议｝一 ．取基坑开挖 深度３倍范嗣尺度建模。模型宽度为３０ｍ，深度为２０ｍ，岩 表１ ２－３计算结果及分析 经有限元模拟计算．基坑最终变形结果图４所示．从图 ４变形网格中可看出．基坑卸土开挖后．水泥土搅拌墙受土 岩土物理力学性质 江苏建筑 表２ １ 况 ２０１７年第１期（总第１８１期） 有限元分析表 模拟 况内容 基坑开挖前初始地应力状态 ３监测结果与分析 ３．１搅拌墙内力变形分析 位移（ｍｍ）ｘ１Ｏ 弯矩（ｋＮ．ｅ）ｒｘ１００ 施Ｔ步０ 施Ｔ步Ｉ 放坡开挖．施丁双轴搅拌桩 开挖土方至基坑底 施ｌＴ步２ 图７水泥土搅拌墙内力变形 图７为同济启明星软件计算得 的水泥土重力式挡 墙内力计算网Ｉ ．从包络图可以看出．内力变形基本呈线 图４基坑变形网络图 性，墙顶最大位移为２６．４ｍｍ，弯矩最大值为２０１．９ｋＮ・ｍ。 ３．２搅拌墙顶位移监测 Ｃ－三－三一ｌ＝ｉ 三一 卜 ．； 压力作用，向坑内倾斜，坑底土体发生隆起变形。 基坑开挖对坑内土体的卸荷作用明显Ｉ４Ｉ．随着上部土体 被挖除．自重应力进行释放必将引起土体的回弹变形．除此 之外，嗣护的重力坝向基坑内侧变形．也会推挤土体．造成坑 内隆起。淤泥质粉质粘土具有高压缩性．该土的弹性指数比 压缩指数小，故土层的塑性变形要大于弹性变形 从图５中 可看出．坑内隆起的竖向位移最大值约为３５ｍｍ 帅 ∞ 篮 ∞ 一哪）簿晕 ＊肾摹ｆ ｍ ０ 啦 幢 图８搅拌墙顶水平位移曲线 图８反映了基坑整个开挖过程中搅拌墙顶水平位移的 一 期 变化状况．７—２８为土方开挖第ｌｄ．９—２ｌ为基坑开挖至坑 底．可以看出．随着开挖深度逐渐加深．各监测点位移均逐 步变大．开挖至坑底后．搅拌墙变形趋于平稳。其中ＷＹ９处 位移相较其他监测点有明显放大．经现场调查后．发现施 图５基坑总位移云图 的重型车辆距基坑坡顶不足５ｍ．造成坑外附加荷载超出设 计限值。导致土体变形过大。因此．对于存在高压缩性淤泥 质土的基坑．施工期间需要严格控制周边荷载，以防支护结 构变形过大造成基坑失稳． ３Ｉ３深层土体位移监测 水平位移（ｍ） 重力坝后的流塑状淤泥质粉质粘土的抗剪强度低．基坑 歼挖后．搅拌桩在土压力作用下产生变形．通过网６更直观的 看到。桩顶变形较大．重力坝顶部最大水平位移达到２６ｍｍ 垦 嫩 蹙 图６ 基坑水平位移云图 图９深层土体水平位移曲线 江苏建筑 ２０１７年第１期（总第１８１期） ｌ玺ｌ ９刀基ｒ几升 芏巩坻后． 层土侔即水午但移随 一： 度变化的曲线。从图中曲线可以看出．水平位移值随深度加 （１）针对长三角地区深厚的淤泥质土层地质条件．采用 深逐渐减小．由于桩身大部分位于淤泥质土中．主动侧土压 水泥土重力式挡墙，能够有效控制变形。＿Ｔ程实践证明此支 力较大．故曲线中段变化速率较大 变形最大值发生在围护 护措施安全可靠．并且经济效益显著，可为类似工程提供参 桩顶．监测得到的最大位移值为３５．１ｍｍ．在可控范围之内。 考。建议实际施工可以通过开挖面下进行墩式加固ｎ。从而进 ３．４对比分析 一步控制位移．保证基坑稳定。 水平位移（姗） （２）Ｐｌａｘｉｓ有限元模拟采用Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ－Ｓｏｉｌ本构模型， 通过数值模拟与监测数据的对比．证明有限元分析能较真 实的反映基坑开挖造成的变形影响．为今后此类Ｔ程提供 可参考的分析方法 （３）由于淤泥质土的工程特性，基坑开挖需要严格控制 坑边堆载和重型施丁机械作用．以防由此引起的墙后土压 力增加或墙体抗倾覆稳定性不足．导致墙体失稳破坏 参考文献 【１】昊建奇，李文彪，肖波，等．基于ＰＬＡＸＩＳ软件的深基坑 变形与内力分析Ｕ】．铁道建筑，２０１４（７）：８０—８２． ｆ２１徐中华，王卫东．敏感环境下基坑数值分析中土体本构 模型的选择Ⅲ．岩土力学，２０１０，３１（１）：２５８－２６４． 图ｌ０模拟值与监测值对比 ｆ３１陈洛氚．深厚淤泥质土条件下基坑坑内加固工程效用研 通过图ｌ０中数值模拟的搅拌墙位移曲线与监测值进 究ｌＤ１．华南理工大学，２０１４：３３—３５． 行对比，可以发现，两者变化趋势相近．曲线基本吻合。由于 【４】侯晓亮，周建华，赵晓豹，等．南京河西淤泥质粉质粘土 现场施丁过程中存在重型机械离坑边较近、雨天等不利因 卸荷回弹变形研究Ｕ１．防灾减灾工程学报，２０１１，３１（４）： 素，同时，基坑开挖至坑底后，施工难度变大，出土速度减 ３９７－４０２． 慢，导致基坑暴露时间加长，这些因素造成围护结构实际位 【５】建筑基坑支护技术规程：ｊＧｊ １２０—２０１２［Ｓ］．北京：中国建 移较模拟值偏大。基坑目前已回填．整个开挖过程基坑保持 筑工业出版社．２０１２． 稳定状态．证明此基坑支护方案安全可行 【６１基坑工程技术规范：ＤＧ／ＴＪ０８—６１—２０１０［Ｓ１．上海：上海市 ４结论 城乡建设和交通委员会．２０１０． 水泥土重力式挡墙支护依靠其自身的重力、墙底摩阻 【７刘国彬，王卫东．７】基坑工程手册【Ｍ１．２版．北京：中国建筑 力以及基坑开挖面下土体的被动土压力稳定墙体．保证基 工业出版社．２００９． 坑安全 本工程应用此支护形式得到良好效果．并得出如下 Ｉ上接第８６页） ５．１２采用信息化测温自控技术 冷却循环水管降温法。有效地控制了大体积混凝土的裂缝 即用ＨＮＴｒ－Ｄ大体积混凝土温度测试仪ｆ多点无线采 万隆国际商城工程应用该技术后，各项检测指标均合 集系统）进行测温监控，缓解大体积混凝土水化热高、温度 格，混凝土观感良好。无裂缝出现，结构安全可靠．主体结构 应力过大产生的负面影响。达到控制裂缝的效果 一次性验收合格 ６结语 参考文献 该技术对转换板混凝土分次浇筑．缓解了大体积水化 【１１江林，等．超厚预应力转换板单层综合支撑与控裂控温施 热高、温度应力过大产生的负面影响．对控制裂缝起到很好 工工艺：ＺＬ２０１３１０４１２４１６．ｘＩＰ！．２０１６－０２－２４． 的效果．确保了工程质量 【２】江林，等．叠合式受弯转换板组合单支撑施工工法【ｚ】．江 采用大掺量粉煤灰纤维混凝土技术．取消膨胀剂、取代 苏省住房和城乡建设厅．２０１６、
