某基坑位于市中心区, 拟建2栋办公楼及1栋酒店, 地上20层, 地下2层。基坑呈矩形, 面积约16 000m², 周长约560m, 深度为9.5m。基坑北侧4m为1排5～6层住宅楼, 基础形式为ϕ400 PHC管桩基础, 住宅楼与基坑相隔3.5m宽小区道路, 路面以下2m有1个污水管。基坑北侧靠住宅楼区域采用双排长螺旋钻孔灌注桩支护, 其余三侧采用长螺旋钻孔灌注排桩+预应力锚索支护。基坑北侧住宅楼区域开挖至6.5m深时, 发现桩顶变形增大至50mm;开挖至7.5m深时, 桩顶冠梁水平位移达240mm。前排桩明显向坑内倾斜, 桩冠梁出现长约30m、宽约12mm的裂缝, 向下贯通整个冠梁。后排桩冠梁顶位置坡脚隆起达100mm, 坑顶路面沉降约250mm, 路面混凝土与住宅楼台阶全部脱裂, 污水检查井破裂。经监测, 坑顶住宅楼发生水平位移18mm, 尚在允许值范围内 (见图1) 。施工单位立即停止施工, 对坡脚反压回填场地土约3m高, 同时对坑顶小区道路卸载1.2m后, 铺垫0.3m厚级配碎石, 继续观测数天后, 基坑变形趋于稳定。

基坑北侧为双排长螺旋灌注桩支护, 桩径600mm, 桩间距1.4m, 排距3.0m, 嵌固深度8m, 冠梁、连梁尺寸均为800mm×800mm, 连梁间距1.4m, 前排桩后侧设置ϕ600@1 400水泥搅拌桩作为止水帷幕, 进入坑底以下6m (见图2) 。

本项目位于市区三环道路附近, 属湖相沉积盆地, 表层为人工填土 (Q${}_4^{\text{m}\text{l}}$) , 下部为深厚的第四系冲洪积相 (Q${}_4^{\text{a}\text{l}+\text{p}\text{l}}$) 及湖沼相 (Q${}_4^{\text{l}+\text{h}}$) 沉积黏性土、淤泥、粉土等, 各土层性状如表1所示。上部孔隙潜水主要位于③₁层、④₁层及⑤₁层粉土层中, 地下水位埋深在1.1～2.0m。

本项目基坑侧壁和坑底分别有1层厚度1～2m的泥炭质土层, 属于软土场地, 基坑设计深度9.5m, 仅采用ϕ600@1 400双排灌注桩支护, 从经验判断, 桩径过小且桩距超过2倍桩径, 明显刚度不足。同时, 在开挖期间, 双排桩侧壁有多处漏水点, 渗漏较为严重, 大部分采用排水管引流, 部分泥炭质土层失水收缩沉降, 桩间土层脱空, 减弱本身设计强度偏弱的双排桩结构。

因此, 双排桩失稳原因可归纳为:在泥炭质土等软土地区设计的双排桩桩径偏小、桩间距偏大、支护结构刚度不足, 再加上漏水严重导致泥炭质土沉降, 进一步加大双排桩变形。

对于本基坑双排桩加固, 结合场地实际情况, 目前可采用的加固方案分别为:坑外主动土体钢花管注浆加固 (方案①) 、双排桩桩间土体2.4m宽度范围采用钢花管注浆加固 (方案②) 和坑底被动土体高压旋喷桩加固 (方案③) 。

目前对基坑外主动区加固控制基坑变形和内力的研究认为^[1,2], 随着主动区加固范围的扩大, 支护结构内力和变形均会减小。但在有限的造价控制下, 如何确定合理的加固位置和范围, 使加固达到理想效果, 研究并不多。张文超等^[3]根据有限元结合库仑土压力分析, 当加固宽度达到0.6H后, 基坑位移和沉降基本不再变化;当加固深度达到1.0～1.2H后, 继续增加加固深度, 基坑变形基本趋于稳定, 并在加固深度达到1.2H后, 基本不再变化。刘钦等^[4]认为, 当对双排桩间土加固时, 由于土体内摩擦角、黏聚力及桩土间的相对弹性模量对土拱效应的影响呈正比关系, 所以随着桩间土体强度的增加, 双排桩间的土拱效应影响明显, 桩间土变形会减小。王磊等^[5]采用有限元分析认为, 双排桩桩间土体加固后, 可有效减小桩土水平位移, 双排桩类似于重力式挡土墙, 桩顶位移随着桩间土体加固深度的增加而逐渐减小, 在坑底2～4m达到最小值, 随着加固深度继续增加, 桩顶位移又有增大趋势, 因此加固深度并非越深越好, 超过坑底3m则增加缓慢, 建议加固至坑底3m左右。文献[6]对软土基坑开挖周围土体变形离心模型的研究表明, 坑内土体加固对减少土体变形的作用效果显著。文献[7]采用有限元HS模型分析, 对坑底采用深层搅拌桩加固可以减小墙体最终侧向位移27%左右, 且加固后墙体中部侧向变形趋势变得平缓。文献[8]经过大量有限元分析, 认为坑底加固最经济合理的尺寸为5m× (5～7) m。文献[9]认为一味地通过加大水泥掺入量增大加固土体的变形模量对控制基坑变形的影响甚微, 在实际工程中会造成严重浪费。

本文讨论的3种加固设计方案均采用P·O42.5R 水泥, 其中方案①和方案②采用ϕ50×2.5钢花管按照1m×1m梅花形布置注浆加固, 水泥用量80kg/m;方案③采用双管高压旋喷喷射工艺, 按照1.2m×1.2m梅花形布置, 水泥用量400kg/m, 各加固方案剖面如图3所示。

考虑加固成本, 须找到费用最小且效果最好的方案, 采用有限元分析不同加固方案、不同加固断面尺寸下基坑支护结构的变形和内力, 以确定最经济合理的加固断面尺寸。

对方案①分别计算加固宽度B₁=3, 4, 5, 6, 7m, 加固深度H₁=6, 7, 8, 9, 10, 11, 12m时支护结构变形和内力;对方案②双排桩间土的加固宽度B₂=2.4m, 加固深度H₂=5, 6, 7, 8, 9, 10m时支护结构的变形和内力;对方案③分别计算不同加固宽度B₃=3, 4, 5, 6, 7m下, 加固深度H₃=3, 4, 5, 6, 7, 8m时支护结构变形和内力。

有限元模型考虑了住宅楼及道路荷载, 6层楼等效为102kPa均布荷载, 作用于下部的管桩基础, 坑顶道路考虑15kPa地面荷载, 坑外水位随开挖逐渐下降至地表以下4m左右。计算模型分为3个阶段:第1阶段为基坑开挖前, 地基在住宅楼和基础相互作用下已完成所有附加沉降变形, 对地基产生附加应力;第2阶段将地基变形重置为0后, 模拟开挖至7.5m深度时双排桩的变形和内力情况;第3阶段模拟在第2阶段已产生大变形的情况下分别采用3种方案加固后开挖至坑底时支护结构的内力和变形发展情况。

采用硬化土 (HS) 模型进行计算, 考虑本场地冲洪积土层与上海地区冲洪积层类似, 因此结合场地勘察报告和文献[10]中上海地区类似土层, 最终采用有效应力强度指标参数计算。基坑加卸载泊松比ν_ur取0.2, 土层剪胀角Ψ取0°, 注浆加固土和高压旋喷加固土剪胀角分别取3°, 5°, 黏聚力和内摩擦角均采用有效应力强度指标, 各土层计算参数取值如表2所示。

双排桩支护结构则等效为连续板墙结构, 双排桩每延米等效刚度EI=1.4×10⁵kN·m², EA=6.1×10⁶kN/m;连梁每延米等效刚度EI=7.3×10⁵kN·m², EA=1.92×10⁷kN/m。

完成第1阶段和第2阶段计算后, 当开挖至7.5m深时, 双排桩顶水平位移达212mm, 坑顶路面沉降达263mm, 同时平台的斜坡坡脚有隆起趋势。

采用方案①计算在不同的加固宽度和深度下, 开挖至坑底后双排桩结构的变形和内力结果如图4所示。

由图4可知, 随着B₁和H₁的增加, 前排桩最大弯矩呈不断减小趋势, 而后排桩却不断增加, 同时最大负弯矩点逐渐上移。对于前排桩, 当B₁从3m增加至5m时, 最大弯矩减小幅度不明显, 当从5m增加至6m时, 最大弯矩减小幅度最大, B₁>6m, 弯矩减小幅度较小, 而H₁>8m, 弯矩减小逐渐趋缓。对于后排桩, B₁对后排桩最大弯矩影响并不明显, 当H₁>8m后弯矩减小幅度逐渐趋缓, >11m后, 弯矩变化非常小。从前排桩顶变形看, B₁>5m和H₁>8m后, 桩顶水平位移变化均不明显。可见采用方案①加固时, 最优加固宽度B₁=6m, 最优加固深度 H₁=8m。这也符合文献[3]所分析的加固宽度宜为0.6H、加固深度宜为1.0～1.2H的要求。

最优加固宽度为6m时, 不同加固深度下的前排桩和后排桩弯矩如图5所示。

采用方案②对双排桩间土加固时, 加固宽度不变, B₂=2.4m, 仅计算在不同加固深度时, 开挖至坑底后, 双排桩结构的变形和内力计算结果如图6所示。

由图6可知, 随着H₂的增加, 前排桩最大弯矩呈不断减小趋势, H₂达6m后, 最大弯矩减小幅度趋缓, 而后排桩最大弯矩随H₂的增加变化不明显。桩顶水平位移在H₂=6m时达最小, 当H₂继续增加, 水平位移呈先增大后减小趋势, 这是由于H₂=6m时, 刚好穿过下部软弱的泥炭质土层, 因此对桩顶变形影响较大。可见采用方案②加固时, 最优加固深度H₂=6m。这符合文献[5]的分析 (加固深度并非越深越好) , 但是由于软弱泥炭质土的存在, 最优加固深度与文献[5]分析略有不同。

采用方案③计算不同加固宽度和深度时, 开挖至坑底后双排桩结构的变形和内力结果如图7所示。

随着B₃和H₃的增加, 前排桩和后排桩最大弯矩均呈现不断增加的趋势, 而后排桩增加的幅度明显大于前排桩。从加固宽度看, 前排桩和后排桩在B₃达到4m后, 弯矩减小幅度较大, >5m后弯矩减小幅度趋缓。从加固深度看, 前排桩随着加固深度的增加, 最大负弯矩点逐渐下移, H₃>5m后, 最大负弯矩和正弯矩增加幅度均较小, 而后排桩在H₃>7m后, 最大弯矩增加幅度较小。从桩顶变形方面看, B₃>5m后, 变形幅度开始减小;H₃>5m后, 变形幅度开始减小。可见采用方案③加固时, 最优加固宽度B₃=5m, 最优加固深度H₃=5m, 该结论与文献[8]分析结果较为吻合。

最优加固宽度5m时, 不同加固深度下的前排桩和后排桩弯矩如图8所示。

从经济性角度考虑, 无论采用哪种方案, 在双排桩内力和变形满足的前提下, 造价越低廉越好, 而每种加固方案造价高低与该方案的加固截面尺寸有关。根据分析结果, 在选用最优截面尺寸时, 双排桩结构的内力和变形结果对比如表3所示。

现有基坑施工所采用直径600mm长螺旋钻孔灌注桩, 在配置11ϕ28主筋情况下, 最大可承受的弯矩设计值为490kN·m, 以上3种加固方案即使在最优的尺寸截面下, 桩身最大弯矩仍不满足抗弯承载力设计值。同时, 无论哪种加固方案, 后排桩弯矩均随加固深度的增加而增大, 仅靠加大加固尺寸截面达到减小桩身弯矩的目的并不可行。

由于不能依靠加大加固尺寸截面来减小最大桩身弯矩, 根据计算分析结果, 方案①对减小桩顶变形优势明显, 方案②对减小桩身最大弯矩作用明显, 因此采用方案①和方案②联合加固的方法, 加固范围均取前面分析的最优截面尺寸。

采用有限元分析, 在开挖至7.5m深度已产生大变形的情况下, ①+②方案联合加固后, 开挖至坑底时双排桩的内力及变形结果如表4所示。

由表4可知, 采用①+②联合加固方案, 开挖至坑底后, 无论是桩身内力还是桩顶变形均大幅度减小, 双排桩顶水平位移相比于原失稳阶段仅增加约30mm便趋于稳定。最大弯矩相比于失稳阶段减小18%。可见, 采用联合加固方案在现有桩身强度和配筋情况下, 可保证开挖至坑底时, 不仅桩身强度满足要求, 同时桩顶水平位移仅增加约30mm便不再增长。

堆土反压停工2个多月后, 按照①+②联合加固方案采用钢花管对主动土体及双排桩间土体进行注浆加固, 然后分层开挖至坑底。根据监测结果, 随着开挖深度增加, 桩顶水平位移变形速率逐渐增大, 当浇筑底板垫层后变形逐渐趋于稳定 (见图9) 。地下室结构施工期间, 桩顶水平位移增加幅度最大值为41mm, 最小值为23mm, 与理论计算结果相差不大, 说明对主动土体范围和双排桩间土体联合注浆加固合理、经济。

本文基于某软弱土地基基坑双排桩失稳实例分析了导致失稳的原因, 提出3种加固方案, 并根据有限元计算结果找到最优加固方案, 结合监测数据验证得出以下结论。

1) 软土地区采用双排桩支护必须引起足够重视, 尤其是存在软土夹层的场地, 桩径不能太小, 桩距不宜过大, 宜采用刚度较大的支护结构。

2) 目前对于双排桩失稳事故, 大多采用3种加固方案处理:方案①为坑外侧主动土体范围注浆加固, 方案②为双排桩间土体注浆加固, 方案③为坑底被动土体范围加固。考虑经济方面, 须找出费用最小、效果最显著的加固方案和加固尺寸。

3) 根据有限元分析, 采用方案①加固时, 最优加固宽度B₁=6m, 最优加固深度H₁=8m;采用方案②加固时, 最优加固深度H₂=6m;采用方案③加固时, 最优加固宽度B₃=5m, 最优加固深度H₃=5m, 该结论与前述学者研究成果基本一致。

4) 单纯采用任何一种加固方案均不能满足现有桩身弯矩承载力要求。3种加固方案在超过最优尺寸后, 随着加固深度进一步增加, 后排桩最大弯矩均有不同程度的增加, 因此仅靠进一步增加加固深度减小桩身内力并不合适。

5) 根据分析对比, 方案①对减小桩顶变形方面优势明显, 方案②对减小桩身最大弯矩方面优势明显, 因此采用①+②联合加固方案, 相比于单一的加固方案, 无论桩身最大弯矩还是桩顶变形均大为减小, 满足桩身弯矩承载力设计要求, 表明该方案最优。

6) 根据开挖后监测数据, 随着基坑深度继续增加, 双排桩仍会有一个变形发展过程, 当浇筑底板垫层后, 变形会趋于稳定, 桩顶水平位移增加值在23～41mm, 与计算值相差不大。