基坑土体加固设计重点

当基坑支护工程设计及施工中存在下列情况时，应采取适当的地基处理措施：

① 基坑地基不能满足基坑侧壁的稳定要求；

② 对周围环境的预计影响程度超出有关标准；

③ 现有地基条件不能满足开挖、放坡、底板施工等正常施工要求；

④ 基坑开挖过程中暴露出的质量问题，严重影响基坑施工及基坑安全。

对于有管涌和水土流失危险之处则更须预先进行可靠的预防性地基处理。必须加固的位置和范围要选在可能引起突发性灾害事故的地质或环境条件之处，包括但不限于以下条件：

① 液性指数大于 1.0 的触变性及流变性较大的粘土层，基坑开挖较深，墙前土体有可能发生过大的塑性破坏；

② 地下水丰富的松散砂性土或粉砂土层；

③ 坑边设备重载区或坑外有较大的超载，或坑外有局部的松土或空洞；

④ 基坑附近有重要的保护设施或对沉降较敏感的建筑设施：

⑤ 坑周边有较大的边坡或较大的水位差；

⑥ 坑内局部加深区域的加固。

基坑土体对基坑和环境的影响是一个综合因素，与基坑结构型式、基坑规模与开挖深度、基坑环境保护要求、施工技术水平等有关，故基坑土体加固设计也应综合考虑上述因素的影响。基坑变形及对环境的影响程度与土性和环境状况有关，基坑土层条件和环境变化较大，单一基坑的周围环境往往也有较大区别，故坑内被动区域的土体加固设计应区别对待，以达到加固设计合理，工程投资经济、环境安全的社会效果。

一、基础资料的收集与分析

为做好加固设计方案比较，必须强调准确的地质勘察资料对加固设计的重要意义。必须具备工程场地各层土在深度和水平向的准确分布和层位标高，以及详尽的物理、力学、化学性质指标和地下水状况的资料。工程地质勘察应查明加固土层的分布范围、含水量、孔隙率等土体的物理力学性质指标。尤其要准确测定土的 pH 值、有机质含量、粘土矿物成分和颗粒组成，以免发生误导而引起工程事故。故在基坑土体加固设计前应予以查明，以便更合理地选择不同地质特性条件下的加固方法。

二、基坑加固方法的确定

基坑开挖前，应根据基坑稳定和变形控制要求进行基坑支护设计，并进行开挖对地基稳定或地层位移对保护对象影响的计算分析。根据地质水文条件和基坑开挖施工参数所设计的支护结构体系，预测基坑周围地层位移。当经过精心优化围护墙及支撑体系结构设计及开挖施工工艺后，预测周围地层位移仍大于保护对象的允许变形量时，或基坑和环境存在安全困难和风险较大问题时，则必须考虑在计算分析所显示的基坑地基薄弱部分，预先进行可靠而合理的地基加固，使基坑变形符合要求。

基坑支护结构类型繁多，基坑工程周边环境各具特色，地质状况复杂，当对基坑土体采取加固时，首先需考虑加固区域的确定与加固方案的比较。确定地基土加固方案时应根据加固目的、周边环境、场地地质条件及施工条件、预期处理效果和造价等初步选定几种加固方案，进行综合技术经济对比分析，从中选出相对经济合理的加固方式，必要时也可采用两种处理方法联合使用或同时加强围护结构整体性和刚度的综合处理方案。

基坑土体加固设计应包括选择基坑土体加固处理方法的理由及多种经济技术比较、加固体平面布置和竖向布置及构造要求等，并对土体加固材料配比、水灰比、强度、基坑土体稳定或变形等进行计算复核。

三、基坑加固体的平面布置

1．基坑土体加固桩位排列布置形式包括满膛式、格栅式、墙肋式等 ，见图24-2。

桩位满膛式布置的地基加固成本较大，一般仅应用于基坑外侧环境保护要求较高的与基坑对应的被动区域或基坑面积较小的区域。

2．基坑土体加固的平面布置包括加固体宽度、顺围护边线方向的长度、间距，平面加固孔位布置原则、土体置换率要求等。基坑土体加固的平面布置原则上同水泥土重力坝的布置。土体加固平面布置形式包括满膛式、格栅式、裙边式、抽条式、墩式、墙肋式等 ，见图24-3。

上述土体加固满膛式布置图、格栅式布置图、抽条式布置图一般用于基坑较窄且环境保护要求较高的基坑土体加固中。土体加固裙边式布置图一般用于基坑较宽且环境保护要求较高的基坑土体加固中。土体加固墩式布置图一般用于基坑较宽且环境保护要求一般的基坑土体加固中。

四、基坑土体加固的竖向布置

基坑土体加固竖向布置形式包括坑底平板式、回掺式、分层式、阶梯式等 ，见图24-4。

五、基坑土体加固的构造

1．加固体置换率

基坑土体加固体平面（置换率）和断面布置及固化剂掺量与基坑开挖深度是一个比较复杂的系统关系，很难通过单一数据予以确定，建立完全对应的比例关系在目前的技术条件下也是不现实的，必须结合不同的施工工法实践和工程经验确定，必要时进行计算复核。

有环境保护要求时或考虑加固后的土体m值或k值提高的坑内加固宜用格栅形加固体布置，其截面置换率通常可选择 0.5～0.8，在基坑较深或环境保护要求较高的一级或二级基坑中，可选用大值，反之可取用小值。

2．加固体的搭接和垂直度要求

相邻桩的搭接长度不小于 150mm。桩的垂直度不小于 1/100。紧贴围护墙边的一排桩体宽度不宜小于 1.2m，宜连续布置，且应采取措施确保加固体与围护墙有效密贴，如搅拌桩和墙体之间的空隙应采用旋喷桩密贴。

3．加固体水泥掺量与加固体强度

根据开挖深度和环境保护等级确定其固化剂掺量和强度技术指标。加固体材料技术指标，包括加固体材料强度指标（水泥标号）、水泥掺量、加固体龄期、加固体强度等。加固时水泥(固化剂)掺入量，是以每立方被加固软土所拌和的水泥重量计。加固体的强度取决于水泥掺合量和龄期，其能掺入土中的固化剂含量因施工工法的不同而有所区别，对水泥固化剂而言，常用的水泥种类为普通硅酸盐水泥、矿碴水泥。基坑土体加固时的固化剂掺量和强度指标，受施工工法的限制，其能掺入土中的固化剂含量因施工工法的不同而有所区别，有关加固工法的水泥掺量及加固体强度一般如下：

⑴ 注浆加固时水泥掺入量不宜小于 120kg/m3 ，水泥土加固体的 28 天龄期无侧限抗压强度，比原始土体的强度提高 2～3 倍；

⑵ 双（单）轴水泥土搅拌桩的水泥掺入量不宜小于 230kg/m3 ，水泥土加固体的 28天龄期无侧限抗压强度不宜低于 0.6MPa；

⑶ 三轴水泥土搅拌桩的水泥掺入量不宜小于 360kg/m3 ，水泥土加固体的 28 天龄期无侧限抗压强度 qu不宜低于 0.8MPa；

⑷ 旋喷加固时水泥掺入量不宜小于 450kg/m3 ，水泥土加固体的 28 天龄期无侧限抗压强度不宜低于 1.0MPa；

上述水泥掺量及其强度的关系不是绝对的，因地层条件和环境保护要求有别。在固化剂种类和掺入量相同的情况下，浆液喷搅时，土的天然含水量越低，加固土的强度越高。此外，不同种类的土在相同的水泥掺入量的条件下，两者的加固体强度有差别，但其强度随土中含水量增大而减少的递减率比较接近。对有少量有机质含量和淤泥质粘土层厚度较大的地段及暗浜、杂填土、松散砂、淤泥质土，或流塑状土等，应适当增加水泥掺量，或通过加固试验确定。对重要复杂的基坑工程或基坑比较深且环境保护要求高的基坑工程，应进行现场加固试验确定其适应性，合理确定加固方法和加固强度。考虑加固体的 m 或 k 值采用比相应土体本身高的数值时，必须满足相应的水泥掺量要求。

搅拌法或高喷法的水泥用量较大，造价也高，且对空气和地下水环境有一定的污染作用。所以寻求经济合理且环保，以降低工程投资且又环保的加固方法或加固材料是急需研究探讨的课题之一。为推动地基土固化剂技术的发展，可考虑选择水泥固化剂以外的固化材料，但应选择场地土壤进行现场试验，并与采用水泥固化剂材料加固时的试验效果进行对比确定。

4．加固体强度与龄期的关系

加固体的无侧限抗压强度比原始土体的抗压强度可提高数十倍以上，但加固体的强度与土质及含砂量、龄期、水泥品种及掺入比、土的含水量、外掺剂、水灰比等有关。水泥土的抗压强度随加固龄期而增长，它的早期强度增长并不明显，在低温条件下，水泥土的强度随龄期增长更慢。强度增长主要发生在龄期 28d 后，并且持续增长至 120d，其增长趋势才减缓。在深基坑中可利用水泥土的后期强度，但在浅基坑中则是不利因素，往往会因为工期提前开挖而发生基坑坍塌事故。

5．搅拌加固体上部引孔段回掺要求

开挖面以上的固化剂回掺量应与施工工法的特点结合，并考虑坑边环境和基坑深度的影响。工程实践表明，以往采用搅拌工艺时基坑上段回掺 7%的水泥掺量，加固效果往往达不到工程要求，低水泥回掺量并不符合工程计算对土体的力学性能指标要求，故而造成实测的墙体变形远大于计算值。因此，当环境保护要求较高的情况下，坑底以上适当高度宜采用与坑底接近的掺量搅拌回掺，更不能全部空钻。

6．加固体外掺剂要求

加固体掺加外掺剂是为了改善水泥土加固体的性能和提高早期强度。由于土性的差别，水泥土强度和增长速度也有区别，为提高加固的效果，需根据不同的土性选用相应合适的外掺剂和外掺量。加固体外掺剂应考虑加固土的土性(暗浜、软弱土、有机土、回填区、砂性)、开挖深度、周边环境等因素。经常使用的外掺剂有碳酸钠、氯化钙、三乙醇胺、木质素磺酸钙等。通过掺加外掺剂以改善水泥土加固体的性能和提高早期强度，但相同的外掺剂以不同的掺量加入于不同的土类或不同的水泥掺入比，会产生不同的效果。

借此介绍一种特种粘土固化浆液技术，该特种粘土固化浆液由特种结构剂、水泥、粘土、水配制而成，具有优于现行普通水泥浆液、水泥粘土浆液等多项性能。如浆液具有析水率低、稳定性高和结石率高、胶凝时间短和早期强度上升快、固化结石体强度高等特点。工程应用无环境污染、施工简便、造价很低。可用于港口码头、堤坝、基坑围护、边坡、隧道、采矿等注浆防渗加固，该技术已成功用于安徽马钢公司姑山矿采场东帮 100m 高边坡、广西南宁邕江防洪大堤江滨医院段、广西龙州金龙水库主坝、江西萍乡芦洞水库大坝和红旗水库大坝、北京地铁 5 号线雍和宫站回填土地基等几十个工程，取得了显著的技术经济效益。2004 年通过水利部科技成果鉴定，2005 年获得中国发明专利授权和广西壮族自治区政府科技进步一等奖。该技术运用于广西龙州县境内的金龙水库的堵漏加固取得成功。该金龙水库位于岩溶地区，岩溶类型繁多、发育强烈，库水大量外漏，坝头与基岩衔接处常年大量漏水，虽然过去经过历年多次注浆堵水处理（采用普通水泥浆液、水泥粘土浆液注浆），但是收效一直不显著。采用特种粘土固化浆液技术处理后，进行注浆施工效应检测结果，检测结果完全符合设计要求。由抽取的岩芯可见，特种粘土固化浆液的结石体与碎石、土之间密实结合，见下图 24-5。