重庆地区杂填土深基坑支护技术应用研究 重庆地区杂填土深基坑支护技术应用研究
彭 辉1， 邹光炯1， 陈柏全2， 周 捷1
(1.重庆市轨道交通设计研究院有限责任公司，重庆 401122；2.中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 401122)
摘 要：重庆地处丘陵山区，在城市建设过程中伴随着对原始地形地貌的改造形成了许多杂填土回填区。介绍了重庆地区杂填土工程特性、杂填土基坑破坏模式以及岩土压力计算方法。结合相关工程实践，主要研究了重庆地区杂填土深基坑中土钉墙、排桩锚杆挡墙以及悬臂桩支挡结构应用现状和适用条件以及设计计算方法，并着重介绍和分析了各种支护结构在应用过程中应注意的问题。同时介绍了重庆杂填土基坑地下水处理情况。最后根据工作中的体会，对重庆杂填土深基坑应用和研究工作提出一些问题与建议。
关键词：重庆；轨道交通；块石；杂填土；基坑；围护结构
重庆地处四川盆地东南丘陵山地区，市域内存在多个构造体系，各构造体系不同的岩层组合以及差异性很大的构造特征和构造发生、发育规律，塑造了复杂多样的地形地貌形态。重庆地形沿河流、山脉起伏，地势南北高、中间低，由南北向长江河谷倾斜，构成以山地、丘陵为主的地形地貌。
随着我国经济建设的发展以及城市化进程的加速，为满足发展过程中社会生产生活对用地的需求，重庆地区对原始为山地、丘陵的地形地貌进行了大量的改造整平，形成了原始为沟谷低洼地带的杂填土深回填区，回填深度甚至超过百米。
以重庆市轨道交通发展为契机，笔者有机会参与了较多的杂填土或岩土混合深基坑设计工作，并在工作中积累了一定的应用经验和体会。针对重庆杂填土的工程性质并结合笔者经验，本文对基坑支护技术在重庆杂填土基坑中的应用现状和适用条件进行了研究，以期为相似工程提供借鉴。
1 杂填土工程性质
重庆地区杂填土的土体成分复杂，其突出特点是块石含量大，属块石性填土。回填材料以城市建设中开挖土石方为主，且软硬不一，具体为粉质粘土、砂岩与砂质泥岩块碎石和少量建筑垃圾(见图1)。杂填土中岩块碎石含量较大，一般含量为20%～40%，粒径以20～1 000 mm为主，局部粒径更大。
图1 重庆地区典型块石杂填土
回填作业方式多为无序自由抛填，简单地自高处向低洼处倾倒，在回填区的中下部块石含量显著增高，局部可达>50%，且粒径也有所增大。由于回填材料和抛填方式的影响，重庆地区杂填土工程性质主要表现为结构松散、均匀性差、空隙大、软弱而欠固结以及抗剪强度低。重庆地区杂填土的固结沉降明显，固结周期特别长往往是数年甚至数十年。杂填土的固结沉降主要表现为以下三个方面：①在自重或外部荷载条件下对填土的压实；②降水和地下水径流作用造成的湿陷性沉降；③填土中砂泥岩岩块含量高，岩块相互倚靠形成大量空隙，伴随着地下水的风化作用泥岩岩块软化崩解为土，从而造成填土结构改变而引起填土空隙压缩。
对于杂填土基坑工程而言，填土强度参数的选取是设计的重点，更是工程勘察的难点。对于基坑工程设计所必需的填土抗剪强度(粘聚力c和内摩擦角φ)，由于杂填土的离散性和岩土结构的复杂性，即使同一区域内其数值往往存在很大差异，勘察设计单位往往难以通过试验给出确定的量值，给出的指导设计参数多为经验值。针对于重庆地区块石性杂填土基坑设计，勘察单位提供的填土岩土参数经验值一般为：重度19.5～21 kN/m3，综合内摩擦角28～30°；水平抗力比例系数m值8～10 MN/m4；土体与锚固体粘结强度标准值20～30 kPa(杂填土回填年份较长时，经验取值更高)。
2 基坑破坏模式与土压力确定
重庆地区杂填土深基坑主要的破坏模式为基于杂填土抗剪强度控制的自身强度破坏和以岩土分界面为滑动面的折线型滑动破坏。
填土深基坑侧向土压力分为静止土压力、主动土压力和被动土压力。当支护结构变形不能满足主动土压力产生条件时，或边坡上方有重要建筑物时，应对侧向土压力进行修正[1]。
基于填土自身抗剪强度破坏的侧向土压力可以采用库伦土压力或朗金土压力方式求解。以岩土分界面为滑动面的折线滑动破坏的边坡稳定性可采用传递系数法进行验算，验算公式详见《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)章节A.0.3。并引入安全系数根据传递系数法确定上覆土层沿着岩土分界面滑动的剩余下滑力，并对比基于强度破坏的岩土侧压力，其中较大值即为作用在支挡结构上的推力。
3 杂填土基坑支护方式应用研究
目前，根据基坑破坏模式、周边环境要求以及安全等级的不同，应用于重庆地区杂填土基坑的支护结构主要有土钉墙、排桩式锚杆挡墙、桩+内支撑以及悬臂桩等。基于地区杂填土特性，各种支护结构在实际应用中多具有地方特点。
3.1 土钉墙支护技术
土钉墙主要由密布于原位土体中的细长杆件——土钉、粘附于土体表面的钢筋混凝土面层及土钉之间的被加固土体组成，是具有自稳能力的原位挡土墙[2]。由于土钉墙施工便捷、工程投资相对更省，土钉墙结合放坡和土体改良已被广泛应用于重庆地区杂填土基坑中，基坑深度甚至超过20 m。以设计规范为理论依据，设计可以借助于理正深基坑软件土钉墙模块或者其他商用软件进行土钉墙计算。
杂填土土钉墙的适用条件：地下水位以上或经人工降水后地下水位以上、对环境要求控制不高且具备一定的放坡条件、基坑稳定性受到填土强度控制而不会沿着岩土分界面滑动。
结合笔者自身工作和类似工程经验[3-5]，提出在重庆地区杂填土基坑工程应用土钉墙支护应注意的几个问题：
(1)重庆地区块石性杂填土多为黏土质砂质泥岩，砂质泥岩遇到水崩解或长时间风化作用后形成的黏性土和杂填土的固结程度是决定填土粘聚力大小的主要因素，内摩擦角则是由于填土中砂质泥岩和砂岩块石与中黏性土以及其他材料相互镶嵌及相互摩擦而产生的。从填土粘聚力和内摩擦角成因上分析重庆地区块石性杂填土的粘聚力、内摩擦角以及土体与锚固体粘结强度应较一般杂填土更高。勘测单位提供的土层抗剪强度和锚固体与土层粘结强度多为经验值，且取值偏于保守，易使设计造成浪费。重庆地区多可见一些无序抛填而形成的小坡率高填方边坡，在无支护的情况下能够长期自稳，然而若按照填土抗剪强度进行稳定性验算，计算得到的安全系数则是偏于不安全的。所以，在填土深基坑土钉墙支护设计过程中应根据填土的回填年限、回填材料、填土密实程度以及地下水情况等具体的地质条件，并结合设计团队经验和类似工程经验更准确确定杂填土抗剪强度取值优化设计。
(2)根据土钉墙基坑稳定性计算得到土钉抗拔力，选择土钉锚筋时应在保证安全系数的前提下使得土钉锚筋抗拉力和土钉锚固体抗拔力尽量接近，使得能够充分利用锚筋和锚固体承载能力，从而避免造成材料浪费。若土钉抗拔力远大于锚筋抗拉能力，在土钉承受较大荷载后锚筋发生受拉破坏而锚固体却未能充分发挥其锚固能力；反之如土钉抗拔力远小于锚筋抗拉能力，在土钉承受较大荷载后，由于土层与锚固体粘结力不足而发生破坏而锚筋却未被拉断则未能充分发挥其抗拉能力。影响土钉抗拉能力的是锚筋的规格；而影响锚固体抗拔能力的因素主要有：土层与锚固体粘结强度、土钉孔径、土钉长度。土层与锚固体粘结强度施工前应通过现场试验检验以确保安全。
(3)土钉孔径和土钉长度的确定除了满足计算之外，应结合杂填土可成孔性确定。杂填土中土钉成孔易造成塌孔，故土钉孔径不宜过大且土钉长度也不宜过长。根据笔者自身工作和类似工程经验[5]以及与施工单位信息交流，并且随着新型成孔设备的应用，笔者认为重庆地区杂填土土钉孔径控制在70～110 mm(杂填土回填年份较长时取大值)，土钉长度控制在≤12 m，土钉成孔基本上能够保证。
(4)钢管土钉在重庆地区块石杂填土基坑中的适用性和作用存在着误区。钢管土钉一般应用于钻孔型土钉难以成孔的土层，需采用钢管并通过人力或振动冲击钻、液压锤等机具打入土层中[2]。然而重庆杂填土中孤石含量大，尤其是砂岩孤石抗压强度较高，通过人工或机具打入很困难。一些设计人员根据规范或参考书关于土层成孔困难可采用打入式土钉的要求，教条的在块石性填土基坑土钉墙设计中采用了打入式钢管土钉。实际上，重庆地区所应用的钢管土钉，施工单位也是通过成孔后置入钢管，然后压灌水泥浆使钢管与土体间的空隙全部由浆液充满而形成土钉。并且，由于钢管土钉直径小且根据《建筑基坑支护技术规范》(JGJ 120—2012)表5.2.5中各类土的土钉极限强度标准值判断钢管土钉灌浆后对土钉的粘结强度增加不大，所以钢管土钉抗拔力较小。综合以上的分析，对重庆地区杂填土采用钢管土钉从工程安全性、可实施性以及成本控制方面评价都不是最优选择。
当然，钢管土钉在重庆地区块石填土中仍然具有重要使用价值。特别是针对新近填土，由于填土抗剪强度低，若采用传统的钻孔钢筋土钉无法保证基坑工程安全性时，可采用钻孔钢管土钉并结合压力注浆的方式，即主要通过改良土体性质(提高填土的抗剪强度和锚固体的粘结强度)并结合土钉墙承载特性，从而达到保证基坑安全的目的。此时,注浆质量是提高填土抗剪强度和土钉拉拔力的关键，施工时可采用低压慢注、间歇注浆、逐渐加压的注浆方式[3](具体注浆压力应根据现场试验确定)。设计人员应在保证基坑安全的前提下，对注浆质量和注浆后的填土抗剪强度提出相应的要求，以确保注浆质量并制定相应的检测标准。
土钉墙工程实例：重庆某填土基坑深度约为10～13.8 m，采用土钉墙支护，采用理正深基坑软件进行设计计算。土体重度为19.5 kN/m3;综合内摩擦角为30°；与锚固体的摩阻力为25 kPa。土钉墙放坡坡率为1∶0.75，分为两级开挖；墙面挂?8 mm@200 mm×200 mm钢筋网喷射100 mm厚C25早强混凝土；土钉采用?18 mm锚筋，长度L=8.0 m或8.5 m，锚孔D=110 mm，土钉横竖间距为1.2 m×1.0 m。结构支护设计见图2。
图2 某填土基坑土钉墙支护剖面图(单位：mm)
3.2 排桩式锚杆(锚拉桩)支挡结构
围护桩与锚杆(索)联合组成的抗滑支挡结构即为排桩式锚杆挡墙(简称桩锚结构)或称之为锚拉桩。桩锚结构有利于基坑稳定及控制基坑水平及垂直变形，通过逆作法施工并通过增设锚杆、对锚杆施加预应力或跳槽开挖等技术措施，可进一步增加基坑稳定性[1]。桩锚结构一般由桩、锚杆和岩(土)体共同组成线弹性变形体系。计算中将桩视为下端嵌入基底完成面以下，上端锚杆视为弹性支座，围护桩在外荷载作用下采用“K”法或“m”法(当围护桩嵌固段位于岩层时采用“K法”，当围护桩嵌固段位于土层中时采用“m”法)，对桩锚和地基按弹性协调变形计算，求出围护桩内力、锚杆拉力以及结构位移。设计中可以借助于理正岩土抗滑桩或桩板挡墙模块抑或采用商用有限元软件利用平面杆系单元建立弹性地基梁模型进行支护结构计算。
对于重庆地区杂填土基坑，桩锚结构适用于上部为较厚填土，岩土分界面倾向基坑内的岩土混合基坑。但根据《建筑边坡工程技术规范》要求，填方锚杆挡墙在设计和施工时应采取有效措施防止新填方土体沉降造成的锚杆附加拉应力过大，且高度较大的新填方边坡不宜采用锚杆挡墙，且当土层对锚杆具有腐蚀作用不应采用锚杆结构。并且考虑到重庆地区桩锚结构锚杆受力大，土层无法为锚杆提供足够的锚固力，故要求锚杆锚固段应位于稳定中风化岩层中。
重庆地区桩锚结构在岩土混合以及岩质基坑(边坡)被广泛应用，在应用过程中应注意的主要问题有以下几点：
(1)由于重庆地区杂填土固结时间长，伴随着土层固结对锚杆拉力造成附加荷载而引起锚杆破坏，所以当锚杆位于杂填土中应慎用桩锚结构。特别对于新近填土锚杆挡墙应作特殊设计，采取有效措施控制填方对锚杆拉力增加过大的不利影响[1]。通过重庆轨道交通建设类似的工程经验，对于堆载时间超过5 a的老填土，临时基坑采用桩锚结构是适用的。但是由于重庆块石杂填土固结时间长，若桩锚结构作为永久结构，为保证安全无论堆载时间长短均建议采取必要的措施控制填土固结对锚杆的不利影响。其中，加速填土固结沉降的一般技术措施均可以作为控制填土固结沉降对锚杆不利影响的有效手段，相对来说注浆固结填土的措施从可操作性和效果上说为更优选择，且被较常应用。
(2)桩锚结构中杆受力较大，需锚固段提供足够大的抗拔力进而需要提高锚杆的钻孔孔径。然而，较大锚孔穿过填土段时成孔困难易塌孔，因此锚杆钻孔需采用跟管钻孔或其他辅助措施以保证成孔质量。
(3)锚杆若作为永久锚杆(使用时间>2 a)，锚杆设计中除了应满足锚杆结构受力外还需满足锚杆耐久性要求。对于永久锚杆的耐久要求，笔者认为除了满足相关规范(程)的锚杆构造和防腐等方面的要求还应从结构材料出发加强耐久性设计，比如锚索建议优先选用非粘结钢绞线。若锚杆耐久性不能满足挡墙服务年限时，建议选择重力式挡墙或悬臂挡墙等支挡结构，以确保安全并减小后期挡墙维护。
3.3 悬臂桩支挡结构
悬臂桩支挡结构主要是指桩板挡墙，围护桩可采用人工挖孔桩或机械成孔桩，根据结构受力特性主要分为单排桩和双排桩。
悬臂桩支挡适用于各种地层，以及各种基坑受力模式。单悬臂桩支挡结构高度过大，其承担的岩土压力及产生的桩顶位移均较大幅度增长，不利于控制基坑安全，且围护桩断面过大。因此，从安全性和经济性的角度，悬臂桩支挡结构高度不宜超过12 m。相对于多支点围护结构，悬臂桩结构不利于结构受力和变形控制，且也不具备经济性优势，但是其适用范围广、耐久性优势突出，特别适用于长时间作用的填土区支挡结构。
目前，重庆地区悬臂桩结构多采用单排桩结构，但是随着双排桩的研究工作深入和其他地区的应用经验推广，双排桩已逐渐得到更多的工程技术人员的青睐。双排桩是一种钢架结构形式，其内力分布特性明显优于单排桩，水平变形也比单排桩结构小得多，适用的基坑深度也相对更深[6]。笔者在重庆轨道交通十号线填土深基坑工程中首次应用到了双排桩支挡结构，并取得了良好的效果。
单排桩设计可借助于理正岩土抗滑桩或桩板挡墙模块抑或采用商用有限元软件利用平面杆系单元建立弹性地基梁模型进行结构计算，根据嵌固段岩土条件可以采用“K法”或“m”法，求出围护桩内力结构和位移。双排桩设计可以以《建筑基坑支护技术规程》作为理论依据，借助于理正深基坑软件7.0及以上版本进行计算。
双排桩工程实例：重庆市轨道交通十号线渝北区某明挖区间，开挖形成10～18 m深岩土混合或全填土基坑。其中基坑局部由于客观条件限制，锚杆(索)、土钉以及支撑无法实施，若采用单排悬臂桩支护，为满足结构承载力和基坑变形要求需采用大直径悬臂桩，而在块石性填土中大直径成孔困难而且工程造价不够经济，因此设计采用了双排桩支护(支护设计参数见表1)。双排桩段基坑深度约为13.0 m，基坑顶部2 m范围采用1∶1坡率放坡，下部双排桩悬臂高度为11.0 m。设计采用了理正深基坑7.0进行双排桩结构计算，并利用有限元软件进行复核验算。具体的双排桩支护参数为：前后排桩均采用?1.2 m的围护桩，桩间距为2.5 m，前后排围护桩分别设置1.2 m×1.0 m冠梁，连梁采用1.2 m×1.0 m、水平间距为2.5 m。在基坑顶部临时导改道路需通过大型重载货车的情况下，双排桩支护有效的控制了基坑变形，确保了支护工程本身和周边环境的安全，取得了良好的效果。支护结构设计见图3。
表1 重庆某填土基坑双排桩支护设计参数
地层重度/(kN/m3)内摩擦角φ/°内聚力c/kPa泊松比μ弹性模量/MPa水平基床系数k值/(MPa/m)水平抗力系数比例系数m值/(MN/m4)填土20综合30--25-8砂岩强风化24．0303000．40-200-中风化24．841．519500．124300500-
4 杂填土基坑地下水处理
重庆地区一般无稳定的地下水水位，地下水多为降水补给和地下管线渗漏，但是在基坑设计工作中应结合周边环境、原始地形地貌以及地质条件充分考虑地下水对工程安全的不利影响。
图3 某填土基坑双排桩支护剖面图
目前，重庆深基坑工程地下水处理多利用基坑墙面设置泄水孔泄水引入坑内，而后采用坑内疏导明排的方式，并且在基坑设计中一般较少考虑地下水压力。除了少数临近江河湖泊或其他地下水汇聚区域的深基坑工程之外，重庆地区基坑工程较少采用降水或止水措施。
需要特别指出的是，当基坑立面存在岩土分界面呈“U”型状的沟心，应结合周边地形条件分析地下水的径流情况，因为这种回填前的原始地形往往是地下水汇集而形成径流通道，即使经回填后仍然是地下水汇聚的通道，且沟底为不透水或弱透水的岩层，特别是雨天地表水补给充足时，沟心地下水汇聚更多。一旦基坑围护结构施作后，就将沟心地下水通道拦截而增加了墙后水土压力，因此围护结构设计时应考虑地下水压力至地表。
重庆地区原始地形为沟心的地下水作用对基坑造成的破坏是有深刻经验教训的。图4为重庆某基坑采用桩锚支护体系，墙后局部段为原始地形为沟心的填土区，在多日降雨的情况下，由于墙后积水作用和不当施工作业而造成了基坑局部失稳。当工程中遇到这种情况时，基坑墙面不宜设置泄水孔，因为泄水孔泄水能力远小于地下水补给能力，而且恶化了施工作业环境；建议完善地表排水措施，并采取墙后止水、墙后降水措施或墙后设井抽排等措施以确保安全。
5 结束语
重庆地区软硬岩组合的块石性杂填土基坑工程是一项复杂的岩土工程，需综合分析填方区基坑破坏模式、土压力分布以及地下水情况等多方面影响因素。本文通过笔者和类似的工程实践，研究了重庆地区杂填土基坑支护技术应用现状和适用条件，提出了在应用过程中应当注意的问题，并对实践过程中存在的不足或困惑提出以下意见：
图4 某基坑墙后沟心地下水作用造成的局部失稳
(1)块石性杂填土工程性质复杂，勘测单位提供的土层抗剪强度和锚固体与土层粘结强度多为经验值，且根据实际的应用情况来看取值偏于保守，造成了设计中的一定浪费。需要勘测单位进一步开展详细工程地质调查和研究，采取综合手段评价杂填土工程性质，使得基坑工程既安全又经济。
(2)重庆地区软硬岩组合的块石性杂填土基坑工程中广泛应用的基坑支护技术主要有土钉墙、排桩锚杆挡墙、悬臂桩支挡结构。随着各种基坑支护技术的研究工作深入和其他地区的应用经验推广，近年来桩撑结构、双排桩支护技术已被重庆地区工程技术人员重视并越来越多的应用于工程实践中，并取得了较好的效果。
(3)基坑支护中广泛应用到各种成孔和成桩技术，而重庆地区块石性杂填土成孔、成桩较困难，若存在地下水作用则更难，故亟待一套适用性更强的成孔、成桩的机械设计或技术措施。
(4)目前，针对重庆地区块石性杂填土土质的各种支护技术受力特性和变形的理论研究相对滞后，需工程技术人员进一步开展相关研究工作。
参考文献：
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On the Application of the Supporting Technique to the Construction of Deep Foundation Pits of Miscellaneous Fill in the Chongqing Region
PENG Hui1, ZOU Guangjiong1, CHEN Baiquan2, ZHOU Jie1
(1.The Rail Transit Design and Research Institution Co.Ltd.of Chongqing City, Chongqing 401122,China; 2.The CISDI Engineering Co.Ltd.of the Metallurgical Industry Ministry of the PRC,Chongqing 401122,China)
Abstract：As Chongqing is located in a hilly mountainous region, there are quite a few districts of miscellaneous fill formed with the transformation of its original topographical features in the process of the urban construction.Introduced first in the paper are the engineering properties of the miscellaneous fill in Chongqing, the failure modes of the foundation pit of the miscellaneous fill,and the methods of calculating the rock and soil pressure.With some corresponding practical projects as illustrating examples,a study is then made of the application of and the application conditions for soil nailing walls,soldier-pile-anchor-rod retaining walls and cantilever pile retaining structures to deep foundation pits in Chongqing,and the corresponding design and calculation methods,with greater stress placed on the introduction to and the analysis of the problems worth our great attention in the course of applying the various supporting structures. Meanwhile,the treatment of underground water for the deep foundation pits of miscellaneous fill in Chongqing is also introduced in the paper.Finally,in the light of the working experience and reflection,put forward in the paper are some problems and suggestions related to the further application of and research into the deep foundation pits of miscellaneous fill in Chongqing in the future.
Key words：Chongqing;rail transit;block stone;miscellaneous fill;foundation pit;retaining structure
收稿日期：2016-06-22
作者简介：彭 辉(1983—)，男，工程师，主要从事地下工程设计与研究工作。[email protected]
DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.06.005
中图分类号：TU753
文献标识码：A
文章编号：1672-3953(2016)06-0017-06