水泥土搅拌桩与钻孔灌注桩组合支护基坑研究应用
敖小平+张巍
【摘 要】随着我国城市建设的发展，出现了大量基坑的开挖与支护的工程建设问题。在软土地区，由于软土的强度不高、变形较大，且具有一定的蠕变性，基坑支护常常是施工中的难点。本文探讨了水泥土搅拌桩与双排灌注桩在软土基坑工程中组合使用的机理，其中着重分析了土拱效应。在此基础上，以上海某大型基坑工程为例，对其稳定性计算与基坑局部变形机理进行了研究。结合实际工程进行了一个大型基坑的设计计算与基坑局部变形的有限元模拟。本论文可为软土地区双排钻孔灌注桩与水泥土搅拌桩基坑组合支护供参考。
【关键词】基坑工程；水泥搅拌桩；钻孔灌注桩；双排桩；变形控制
The application and research on combined supporting of cement mixing pile with drilling bored pile
Ao Xiao-ping1、2,Zhang Wei2
(1.Jiangxi Geological Engineering (Group) Company Nanchang Jiangxi 330000；
2.Nanjing University, School of Earth Sciences and Engineering Nanjing Jiangsu 210000)
【Abstract】With the development of urban construction in China，more and more problem of excavation and supporting of foundation has emerged. In the soft soil area, because of the limited strength, large deformation and a certain degree of creep, the foundation supporting is even more complicated.In the paper, the mechanisms of combined application of cement-soil mixing pile with double row bored pile in soft soil foundation, especially the soil arching effect were discussed. Based on this, a large foundation engineering in Shanghai was taken for instance, the stability of the foundation was calculated and mechanism of local deformation was studied by finite element analysis. Subsequently. The study could be referred to the design and construction of combined support of cement soil mixing pile and double row bore pile in soft soil area.
【Key words】Foundation;Engineering;Cement;Mixing pile;Bored pile;Double-row pile;Deformation control.
1. 水泥土搅拌桩与双排钻孔灌注桩组合支护作用机理
基坑开挖后随着土体应力的改变及位移的产生，支护结构后土体产生主动土压力首先传递给水泥搅拌桩挡墙，然后再通过水泥土搅拌桩挡墙传递给排桩承受，双排桩在冠梁及连梁的作用下将土压力分配给前后排桩来共同承受。水泥土搅拌桩与双排灌注桩的组合支护结构即充分利用了双排灌注桩的侧向刚度大、整体稳定性好、桩身内力小、变形控制能力强等特点，同时发挥了水泥土搅拌桩的止水性能。另外水泥土搅拌桩对土体的加固，也充分发挥了双排桩与土体间的协同作用，使组合支护结构的综合能力大大提高。
图1 地下车库深坑围护结构剖面2. 水泥土搅拌桩与双排钻孔灌注桩组合支护应用分析
2.1 工程地质条件。根据勘查报告显示，本场地位于长江三角洲入海口东南前缘，属滨海平原地貌，总体稳定，地基土层均属于不液化土层，不良地质情况有：场地的西北角、西南角及东侧各存在1个暗浜，开挖范围内土层物理力学参数如表1：
图22.2 基坑支护结构设计方案。基坑面积34902m2，开挖深度1.90m~6.95m，周边环境相对宽松。按照基坑工程设计规程，本基坑工程安全等级定为三级，环境保护等级定为三级。
2.2.1 水泥搅拌桩区域+钻孔灌注桩组合支护计算。深基坑区域采用6排700@500二轴搅拌桩重力坝作围护，重力坝宽3.2m，搅拌桩桩长9m，桩顶绝对标高为-3.1m，为控制搅拌桩变形，在重力坝2侧套打2排600钻孔灌注桩，灌注桩间距1.5m，桩长9.3m，桩顶标高与搅拌桩一致，局部靠近住宅楼基础较近处，为保护住宅楼管桩，搅拌桩与钻孔灌注桩桩长延长3m，围护结构剖面见图1。
表1 主要土层物理力学参数
土层
编号 土层 层厚
(m) 重度(
KN/m3) φ
( °) C
(KPa) 渗透系数
(cm/s)
①1 杂、素填土 1.4 18.5 15 5 ——
②1 褐黄色粘土 0.9 19.0 18 27 4.0E-07
②2 灰黄色粘土 1.0 17.8 15.5 18 5.0E-07
③ 灰色淤泥质粘土 3.9 16.6 12 11 2.0E-06
④1 灰色淤泥质粘土 7.3 16.9 13 12 3.0E-06
④2 灰色淤泥质粉质
粘土与粉质粘土
互层 5.4 17.7 21 11 1.0E-04
（1） 坑底抗隆起(圆弧滑动)计算（见图2）。 下滑力：366.1KN/m；抗滑力：807.7KN/m；每延米墙体抗滑力：0.0KN/m；安全系数：2.21，要求安全系数：1.7 。
图3
图4（2） 墙底抗隆起计算（见图3）。 坑内侧向外5.4m范围内总荷载：1190.4KN/m；验算断面处土体内聚力：14.0KPa；内摩擦角：13.0°。
地基承载力：
Nq=eπtgφtg2(45+φ/2)=eπtg13.0tg2(45+13.0/2)=3.26
Nc=(Nq-1)tgφ=(3.26-1)tg13.0=9.81
Ru=qNq+cNc=112.4×3.26+14.0×9.81=504.2
安全系数：504.2×5.4/1190.4=2.27，要求安全系数：1.5。
（3） 抗倾覆计算（见图4）。
墙重： 19.0×12×4.200=957.60抗倾覆安全系数： 576.8×2.77+957.60×4.20÷2262.7×3.97+440.1×4.65=1.17，要求安全系数：1.1。
图5（4） 抗滑移计算（见图5）。
墙重： 19.00×12.00×4.200=957.6
抗滑移安全系数： 576.8+957.6×tg(13.0)+14.0×4.20262.7+440.1=1.22，
要求安全系数：1.2，当长边不大于20m时，取1.0。
（5） 抗渗流稳定计算。抗渗流稳定安全系数：
(2.500-1)/(1+1.000) 4.85/(1.5×4.85+1.5×2×6.65+1.00×4.20)=4.86，要求安全系数：1.5～2.0，开挖面以下土为砂土、砂质粉土或黏性土与粉土中有明显薄层粉砂夹层时取大值。
图6
图7 计算模型图（6） 整体稳定计算（见图6）。 滑弧：圆心(-0.03m，-2.16m)，半径：14.76m， 起点(-14.63m,0.00m)， 终点(12.67m,5.35m)， 拱高比0.707；下滑力：731.43KN/m；土体(若有则包括搅拌桩和坑底加固土)抗滑力：1253.45KN/m；土钉/锚杆抗滑力：0.00KN/m；桩墙的抗滑力：0.00KN/m；安全系数：1.71。
2.2.2 基坑变形模拟。
2.2.2.1 组合支护土拱效应的基坑变形模拟。
（1）结构设计单位要求桩基工程管桩移位控制在3cm之内，深基坑的开挖对浅基坑基础的桩基工程的移位变形进行模拟分析（见图7、图8、图9、图10）。
图8 模型有限网格划分图
图9 基坑挖到底变形网格图
图10 水平变形云图25.62mm （2）通过对基坑地下车库深坑基坑支护结构的有限元模拟，地下车库支护的搅拌桩墙附近水平位移较大。水平位移最大可达2.56cm，变形相对较小，不会对附近桩基工程（管桩）造成影响。
（3）通过后期围护体系钻孔灌注桩+搅拌桩套打施工，基坑开挖过程中专业监测单位对基坑变形情况进行检测显示，基坑整体水平位移量最大为18.9mm，此类围护体系设计可以满足该工况下设计要求。
3. 结论
本文通过对基坑工程支护结构形式及支护结构的设计理论的总结，提出了水泥土搅拌桩与双排灌注桩在软土基坑工程中组合使用的方法。具有较大的整体刚度，能有效控制变形，且各桩所受内力较小，在基坑工程中是一种具有广阔应用前景的支护结构。
参考文献
［1］ 刘宗仁，刘雪雁编著．基坑工程［M］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008.
［2］ 杨小平主编．《基础工程》［M］．广州：华南理工大学出版社，2010.5.
［3］ 刘国彬，王卫东．基坑工程手册［M］．北京：中国建筑工业出版社，2009.
［4］ 杨明，姚令侃，王广军．抗滑桩宽度与桩间距对桩间土拱效应的影响研究［J］．岩土工程学报，2007，29(10).
［作者简介］ 敖小平（1975-），男，职称：高级工程师，工作单位：南京大学地球科学与工程学院，主要从事岩土地质工程施工工作。
张巍（1974-），工作单位：南京大学地球科学与工程学院，副教授。
【摘 要】随着我国城市建设的发展，出现了大量基坑的开挖与支护的工程建设问题。在软土地区，由于软土的强度不高、变形较大，且具有一定的蠕变性，基坑支护常常是施工中的难点。本文探讨了水泥土搅拌桩与双排灌注桩在软土基坑工程中组合使用的机理，其中着重分析了土拱效应。在此基础上，以上海某大型基坑工程为例，对其稳定性计算与基坑局部变形机理进行了研究。结合实际工程进行了一个大型基坑的设计计算与基坑局部变形的有限元模拟。本论文可为软土地区双排钻孔灌注桩与水泥土搅拌桩基坑组合支护供参考。
【关键词】基坑工程；水泥搅拌桩；钻孔灌注桩；双排桩；变形控制
The application and research on combined supporting of cement mixing pile with drilling bored pile
Ao Xiao-ping1、2,Zhang Wei2
(1.Jiangxi Geological Engineering (Group) Company Nanchang Jiangxi 330000；
2.Nanjing University, School of Earth Sciences and Engineering Nanjing Jiangsu 210000)
【Abstract】With the development of urban construction in China，more and more problem of excavation and supporting of foundation has emerged. In the soft soil area, because of the limited strength, large deformation and a certain degree of creep, the foundation supporting is even more complicated.In the paper, the mechanisms of combined application of cement-soil mixing pile with double row bored pile in soft soil foundation, especially the soil arching effect were discussed. Based on this, a large foundation engineering in Shanghai was taken for instance, the stability of the foundation was calculated and mechanism of local deformation was studied by finite element analysis. Subsequently. The study could be referred to the design and construction of combined support of cement soil mixing pile and double row bore pile in soft soil area.
【Key words】Foundation;Engineering;Cement;Mixing pile;Bored pile;Double-row pile;Deformation control.
1. 水泥土搅拌桩与双排钻孔灌注桩组合支护作用机理
基坑开挖后随着土体应力的改变及位移的产生，支护结构后土体产生主动土压力首先传递给水泥搅拌桩挡墙，然后再通过水泥土搅拌桩挡墙传递给排桩承受，双排桩在冠梁及连梁的作用下将土压力分配给前后排桩来共同承受。水泥土搅拌桩与双排灌注桩的组合支护结构即充分利用了双排灌注桩的侧向刚度大、整体稳定性好、桩身内力小、变形控制能力强等特点，同时发挥了水泥土搅拌桩的止水性能。另外水泥土搅拌桩对土体的加固，也充分发挥了双排桩与土体间的协同作用，使组合支护结构的综合能力大大提高。
图1 地下车库深坑围护结构剖面2. 水泥土搅拌桩与双排钻孔灌注桩组合支护应用分析
2.1 工程地质条件。根据勘查报告显示，本场地位于长江三角洲入海口东南前缘，属滨海平原地貌，总体稳定，地基土层均属于不液化土层，不良地质情况有：场地的西北角、西南角及东侧各存在1个暗浜，开挖范围内土层物理力学参数如表1：
图22.2 基坑支护结构设计方案。基坑面积34902m2，开挖深度1.90m~6.95m，周边环境相对宽松。按照基坑工程设计规程，本基坑工程安全等级定为三级，环境保护等级定为三级。
2.2.1 水泥搅拌桩区域+钻孔灌注桩组合支护计算。深基坑区域采用6排700@500二轴搅拌桩重力坝作围护，重力坝宽3.2m，搅拌桩桩长9m，桩顶绝对标高为-3.1m，为控制搅拌桩变形，在重力坝2侧套打2排600钻孔灌注桩，灌注桩间距1.5m，桩长9.3m，桩顶标高与搅拌桩一致，局部靠近住宅楼基础较近处，为保护住宅楼管桩，搅拌桩与钻孔灌注桩桩长延长3m，围护结构剖面见图1。
表1 主要土层物理力学参数
土层
编号 土层 层厚
(m) 重度(
KN/m3) φ
( °) C
(KPa) 渗透系数
(cm/s)
①1 杂、素填土 1.4 18.5 15 5 ——
②1 褐黄色粘土 0.9 19.0 18 27 4.0E-07
②2 灰黄色粘土 1.0 17.8 15.5 18 5.0E-07
③ 灰色淤泥质粘土 3.9 16.6 12 11 2.0E-06
④1 灰色淤泥质粘土 7.3 16.9 13 12 3.0E-06
④2 灰色淤泥质粉质
粘土与粉质粘土
互层 5.4 17.7 21 11 1.0E-04
（1） 坑底抗隆起(圆弧滑动)计算（见图2）。 下滑力：366.1KN/m；抗滑力：807.7KN/m；每延米墙体抗滑力：0.0KN/m；安全系数：2.21，要求安全系数：1.7 。
图3
图4（2） 墙底抗隆起计算（见图3）。 坑内侧向外5.4m范围内总荷载：1190.4KN/m；验算断面处土体内聚力：14.0KPa；内摩擦角：13.0°。
地基承载力：
Nq=eπtgφtg2(45+φ/2)=eπtg13.0tg2(45+13.0/2)=3.26
Nc=(Nq-1)tgφ=(3.26-1)tg13.0=9.81
Ru=qNq+cNc=112.4×3.26+14.0×9.81=504.2
安全系数：504.2×5.4/1190.4=2.27，要求安全系数：1.5。
（3） 抗倾覆计算（见图4）。
墙重： 19.0×12×4.200=957.60抗倾覆安全系数： 576.8×2.77+957.60×4.20÷2262.7×3.97+440.1×4.65=1.17，要求安全系数：1.1。
图5（4） 抗滑移计算（见图5）。
墙重： 19.00×12.00×4.200=957.6
抗滑移安全系数： 576.8+957.6×tg(13.0)+14.0×4.20262.7+440.1=1.22，
要求安全系数：1.2，当长边不大于20m时，取1.0。
（5） 抗渗流稳定计算。抗渗流稳定安全系数：
(2.500-1)/(1+1.000) 4.85/(1.5×4.85+1.5×2×6.65+1.00×4.20)=4.86，要求安全系数：1.5～2.0，开挖面以下土为砂土、砂质粉土或黏性土与粉土中有明显薄层粉砂夹层时取大值。
图6
图7 计算模型图（6） 整体稳定计算（见图6）。 滑弧：圆心(-0.03m，-2.16m)，半径：14.76m， 起点(-14.63m,0.00m)， 终点(12.67m,5.35m)， 拱高比0.707；下滑力：731.43KN/m；土体(若有则包括搅拌桩和坑底加固土)抗滑力：1253.45KN/m；土钉/锚杆抗滑力：0.00KN/m；桩墙的抗滑力：0.00KN/m；安全系数：1.71。
2.2.2 基坑变形模拟。
2.2.2.1 组合支护土拱效应的基坑变形模拟。
（1）结构设计单位要求桩基工程管桩移位控制在3cm之内，深基坑的开挖对浅基坑基础的桩基工程的移位变形进行模拟分析（见图7、图8、图9、图10）。
图8 模型有限网格划分图
图9 基坑挖到底变形网格图
图10 水平变形云图25.62mm （2）通过对基坑地下车库深坑基坑支护结构的有限元模拟，地下车库支护的搅拌桩墙附近水平位移较大。水平位移最大可达2.56cm，变形相对较小，不会对附近桩基工程（管桩）造成影响。
（3）通过后期围护体系钻孔灌注桩+搅拌桩套打施工，基坑开挖过程中专业监测单位对基坑变形情况进行检测显示，基坑整体水平位移量最大为18.9mm，此类围护体系设计可以满足该工况下设计要求。
3. 结论
本文通过对基坑工程支护结构形式及支护结构的设计理论的总结，提出了水泥土搅拌桩与双排灌注桩在软土基坑工程中组合使用的方法。具有较大的整体刚度，能有效控制变形，且各桩所受内力较小，在基坑工程中是一种具有广阔应用前景的支护结构。
参考文献
［1］ 刘宗仁，刘雪雁编著．基坑工程［M］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008.
［2］ 杨小平主编．《基础工程》［M］．广州：华南理工大学出版社，2010.5.
［3］ 刘国彬，王卫东．基坑工程手册［M］．北京：中国建筑工业出版社，2009.
［4］ 杨明，姚令侃，王广军．抗滑桩宽度与桩间距对桩间土拱效应的影响研究［J］．岩土工程学报，2007，29(10).
［作者简介］ 敖小平（1975-），男，职称：高级工程师，工作单位：南京大学地球科学与工程学院，主要从事岩土地质工程施工工作。
张巍（1974-），工作单位：南京大学地球科学与工程学院，副教授。
