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膨胀黏土加劲桩支护安全性分析

文档作者：王梦想周盛全宗琦文档来源：安徽理工大学土木建筑学院		点击数：	更新时间： 2025年11月18日
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2017年1月上施工技术
=第=4=6=卷==第==1=期===================C=ON=S=T=RU=C=T=I=ON==T=EC=H=N=O：LOG=Y 39
DOI：10．7672／s自s2叫7010039
膨胀黏土加劲桩支护安全性分析
王梦想，周盛全，宗琦
(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001>
[摘要]基于淮南地区膨胀黏土的特性，以某大型深基坑为例，研究并首次在该地区采用SMW工法桩与单轴旋喷
搅拌斜桩锚杆联合支护技术。通过基坑附近主干道工程水平位移和沉降监测分析基坑支护的稳定性和周边建筑
设施的安全性。数值模拟的结果和现场实测相一致，进一步验证了分析的正确性，工程应用和分祈研究证明了
SMW工法桩与单轴旋喷搅拌斜桩锚杆联合支护技术在该地区深基坑支护中的可行性和优越性。
[关键词]膨胀土；支护；桩；旋喷搅拌加劲桩；监测；数值模拟
[中图分类号]TU443 [文献标识码]A [文章编号]1002—8498(2017)叭一0039．04
Safety Analysis of the Stiffening Pile Supporting in Expansive Soil
Wang Mengxiang，Zhou Shengquan，Zong Qi
(School of Civil and Architectural Engineering，Anhui University∥Science＆Technology，Huainan，Aahui 232001，China)
Abstract：Based on the features of expanded soil in Huainan，in the ease of a large deep foundation
excavation，a supporting technology that combined SMW pile with single shaft rotary jet mixing inclined
pile anchor was applied in the deep foundation excavation for the first time．In the main road near the
foundation excavation，through these points of horizontal displacement and subsidence monitoring data
analysis and processing，the result is used to analyze the stability of the foundation excavation supporting
facilities of the building and its surrounding safety．The numerical simulation results and the measured
results are consistent，that is to further demonstrates the validity of the research and analysis．Application
in the engineering practice and analysis research prove the supporting technology that SMW pile with
single shaft rotary jet mixing inclined pile anchor combined suppoa technology feasibility and superiority
of deep foundation excavation supporting in the region．
Key words：expansive soil；supports；piles；mixing anchor pile；monitoring；simulations
0 引言
安徽淮南地区有着广泛的膨胀土‘1。，膨胀土是
～种吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特殊土旧一。胀
缩性、裂隙性和超固结性是膨胀土的3个主要特性，
这三者相互关联、相互影响，土体的胀缩性为最重
要的因素，裂隙性是土体发生膨胀的外因，超固结
加速了土体的膨胀。开挖卸载和地下水位变化是
外部诱发因素和直接原因”J。膨胀土的工程性质
对深基坑工程引起的破坏应引起足够的重视。4。o。
1)膨胀土具有很高的黏聚力，初期结构强度
高，不易压实，当含水量较大时，经钻头旋挖的扰
动，土体的可塑性降低，土块变得坚硬，难以钻透，
降低了施工速度。
[作者简介]王梦想，硕士研究生，E-mail：906974343@qq corn
【收稿日期]2015-12-23；[修订日期]2016-03—12
2)膨胀土具有很强的亲水性，钻孑L扰动解除了
膨胀土膨胀力的约束，导致孔壁产生裂缝，吸水后，
土体产生蓬松层，容易导致孔壁坍塌。
3)膨胀土的超固结性，使得基坑壁的水平应力
要远大于自重应力，且水平应力会随着自重应力的
增加而变大，产生应力集中，易达到土体的承载力
极限状态。
该深基坑工程位于膨胀性地层上，围护工程开
挖面约1．5万m2，开挖面积大且深度较深，面临着
周边环境要求高、工期紧迫等难题。鉴于该深基坑
工程的复杂性，为了确保安全施工及对变形的有效
控制，首次采用了SMW工法桩与单轴旋喷搅拌斜
桩锚杆联合支护技术，同时基坑监测是支护工程必
不可少的一部分∞⋯。
运用有限元分析岩土工程问题已逐渐趋于成
熟，在广泛运用的同时也得到了普遍认可”1，因此
万方数据
施工技术第46卷
运用有限元法分析SMW工法桩与单轴旋喷搅拌
斜桩锚杆联合支护对深基坑的稳定性和基坑周边
变形的影响，结合现场监测数据对比分析，验证该
工程地质条件下有限元分析结果的可靠性，得出
影响膨胀土基坑安全的主要因素，并提出相关安
全施工技术措施。为SMW工法桩与单轴旋喷搅
拌斜桩锚杆联合支护在膨胀土基础工程中推广，
提供一定的理论基础和工程经验，具有较强的指
导意义。
1 工程概况
该拟建场地原为3～5层低层建筑，现拟建1栋
11层办公楼和4层商业，下设整体3层地下室，地
下室底板埋深约为±0．000以下14．50m，基坑北侧
为建筑物(包括高层建筑)，基坑东侧、南侧为交通
主干道，西侧为建筑施工临时道路，基坑南北宽近
60m，东西长近200m，开挖深度为16．15m。
基坑南侧边缘距人行道10．-Om，支护形式为放
坡+加劲桩支护。加劲桩为SMW工法桩与单轴旋
喷搅拌斜桩锚杆联合支护技术。
假定地面超载为20kN／m，设置桩间距6650mm
@1 800mm，型钢为500mm×300mm×11mm×
18mm，设置有4道锚索支撑，基坑支护方案如图1
所示，锚桩参数如表1所示。
；。1降世书
图1基坑支护方案
Fig．1 Foundation excavation supporting scheme
表1锚桩参数
Table 1 Anchor pile parameters
2有限元分析
2．1开挖工况
在有限元分析过程中，由于考虑膨胀土的特性，
膨胀土层参数同时除以折减系数K，先将折减系数K
取的小一些，以保证开始时是一个近弹性问题，然后
不断增加折减系数，使得基坑边坡达到土体临界状
态¨0|，该膨胀土层折减系数为K=1．25时基坑边坡
达到土体临界状态，然后采用牛顿一拉普拉斯方程进
行有限元分析。工程中为了便于网格划分和数值计
算，综合分析勘察资料，对模型进行了适当简化。基
坑南侧支护段(3—3剖面)，地层由上往下依次为：①
填土、③膨胀黏土、④残积黏土、⑤粉砂质泥岩、⑥泥
质粉砂岩中风化层，勘察最大土层厚度约12．00m。
各土层物理力学参数如表2所示。
表2地层参数
Table 2 Formation parameters
有限元施工工况如下：①工况l 基坑放坡开
挖至5．Om，施工SMW工法桩和锚索安置；②工况2
张拉第1排锚索；③工况3 基坑竖直开挖至
8．Om和锚索安置；④工况4 张拉第2排锚索；
⑤工况5 基坑竖直开挖至10．5m和锚索安置；
⑥工况6张拉第3排锚索；⑦工况7基坑竖直开
挖至13．Om和锚索安置；⑧工况8 张拉第4排锚
索；⑨工况9基坑竖直开挖至坑底。
2．2整体变形计算结果
根据勘测数据和设计参数建立有限元模型如
图2所示。根据各节点的位移，计算出基坑周边相
对变形量，最大沉降变形3．03ram，最大水平位移为
18．37mm，分析结果中工况3和4，5和6，7和8变
形数据基本相同，得出基坑在施工过程中周边变形
评估曲线，如图3，4所示。
图2计算模型
Fig．2 Calculation model
万方数据
2017 No·l 王梦想等：膨胀黏土加劲桩支护安全性分析41
兰
三
滟
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置
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
距坑顶距离加
图3基坑周边竖向变形曲线
Fig．3 Vertical deformation curves around
foundation excavation
兰
三
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*
-5 0 5 0 15 20 25 30 35 40 45 50
距坑顶距离加
图4基坑周边水平位移曲线
Fig．4 Horizontal displacement curves around
foundation excavation
分析可知：在距基坑周边15m范围内基坑的变
形量较大，第1排锚索张拉对基坑周边变形影响较
为显著，随着基坑开挖，各个工况下基坑周边变形
曲线间距变小，周边变形趋于稳定。
3监测结果及对比分析
3．1监测结果
基坑从东往西采用分层分段开挖，监测点从东
往西依次为DL02，DL06和DL08，道路水平位移监
测结果如图5所示，道路沉降监测结果如图6所示，
道路向坑内最大水平位移为58．0mm，最大沉降量
为9．8ram。
沉降和水平位移监测始于2014年1月27日，
其后26d内未进行监测，部分数据缺失，沉降量在监
测过程中波动的幅度比较大。测点DL02，DL06和
广呻”．／讪
≯
20 40 00 80 100】20】4016018020(／2202-402602-8(
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10
5
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DL08附近基坑段开挖分别始于监测后第5 d、
第55 d和第71 d。通过DL06，DL08监测曲线得出
在未开挖前水平位移存在小幅波动，主要原因是
DL02段土体开挖引起土体应力释放和膨胀土体吸
水膨胀失水干缩，在边坡开挖过程中水平位移迅速
向坑内发展，期间水平位移值占收敛值的40％以
上。其后水平位移发展相对缓慢，随着基坑开挖至
坑底，水平位移渐渐趋于稳定。道路的沉降发展规
律较为类似，但沉降量相对较小。
测点DL06附近支护段由于3月连续的阴雨天
气和4月中旬的大量降雨，雨水侵蚀导致水平位移
发展迅速，监测曲线斜率偏大。基坑边坡混凝土喷
层出现裂缝并剥离，边坡土体滑移，导致地下管线
变形过大，部分损坏。针对此情况采取了及时的抢
修：首先施加临时支撑减小管线受力变形，然后修
筑挡土墙进行管线抢修和边坡加固，在坡顶坡面铺
设防水材料。
事故的主要原因分析：①勘察资料中未给出地
下管线的具体位置，放坡开挖边坡采用喷射混凝土
支护+排水孔，没有考虑到地下管线在雨季，排水
管道自重增加；②3月连续的阴雨天气和4月中旬
的大量降雨，基坑顶部没有设置良好的防渗措施和
排水措施。雨水从边坡坡顶向坡面渗透，导致坡面
土体软化；③土体为膨胀性超固结老黏土，设计过
程未对土体参数进行优化；④泄水孔排水不畅，坡
面的水土压力增大。
在吸取前期经验的基础上，后期施工过程中加
大了对雨水的治理和地下水疏导，同时加强了坡面
挡土和桩间挡土，后期开挖过程中道路的变形控制
在允许范围内。
3．2对比分析
根据监测曲线可以看出，实际的道路变形是竖
向沉降和向坑内移动，最大沉降量为9．8ram，最大
水平位移为56．0mm，这与有限元分析结果相一致。
但在监测过程中监测曲线往往是波动的，对于这种
复杂的波动一定程度E可以从有限元分析结果得
—一m
p
／
20 40 60 80 100120140160180200220240200280
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b DL06
图5道路水平位移监测曲线
Fig．5 Road horizontal displacement monitoring curves
时间，d
C DL08
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0
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如非∞”∞”如”m，0
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万方数据
42 施工技术第46卷
25 50 75】00 125 J50 175 200 225 250
时间／d
a DL02
时间，d
b DL06
图6道路沉降监测曲线
Fig．6 Road subsidence monitoring curves
到验证。
3．3基坑安全性判断及保护措施
膨胀性黏土深基坑，在施工过程中易受水环境
的影响，在施工过程必须采取严格的控制措施。根
据《建筑地基基础设计规范》GB50007--201 1⋯J，基
坑变形设计控制指标确定坑外基坑最大沉降量和
支护结构最大位移，分别为40．375mm和48．45nlm，
有限元分析结果分别为3．03mm和13．49ram，明显
小于规范值，表明基坑安全。也可根据基坑安全可
拓方法和熵值法相结合进行基坑评价¨“，通过熵值
的大小，判定监测指标的变化速率，从监测数据可
以得出道路DL02附近，最大水平位移为40．0ram，
最大沉降量为9．8ram，变形速率最大值为
1．5mm／d<3mm／d，满足规范要求。
由于膨胀性黏土基坑极易受环境的影响且周
边变形非常复杂，建议采用以下保护措施：①对基
坑及周边进行详细勘察，保证勘察资料正确性和完
整性；②设计过程中应优化设计参数，建议对黏土
的黏聚力c值进行适当折减，在地下水位比较高或
容易受雨水侵蚀时建议采用饱和强度；③施工过程
中应特别注重基坑坑顶及周边土体的防水和排水；
④保护基坑周边的排水管道，及时疏导；⑤进行及
时有效的监测和信息反馈机制；⑥建立基坑安全巡
查机制，在降雨天建议每隔2h进行一次巡查。
4 结语
1)SMW工法桩与单轴旋喷搅拌斜桩锚杆联合
支护技术，在淮南膨胀黏土深基坑工程中应用可
行，在工艺上有所创新。
2)有限元分析结果表明，在膨胀黏土中SMW
工法桩与单轴旋喷搅拌斜桩锚杆联合支护能较好
地控制基坑周边的变形。
3)有限元分析验证了现场监测曲线中变形波
动的合理性，通过监测曲线可以看出基坑周边的变
形在允许范围内。
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北盘江大桥(世界第一高桥)正式建成通车
2016年12月29日，横跨贵州省水城县都格镇
和云南省宣威市普立乡的北盘江大桥正式建成通
车。从此，从“中国凉都·生态水城”到云南宣威只
需要1个小时的时间。
北盘江大桥桥面距离江面垂直高度565m，差不
多相当于200层楼的高度，是世界第一高桥。著名
的埃菲尔铁塔的高度，刚刚超过北盘江大桥的一
半。北盘江大桥沿线山峦叠嶂、地质情况复杂，大桥
设计者通过反复论证，创新性地推出了山区特大跨
径钢桁梁斜拉桥方案。总长1 341．4m，主跨720m，
位居世界同类型桥梁第二位。整座大桥使用了上
万个钢构件，总重近3万t，通过两边桥塔上的112
对拉索牵引，高悬于峡谷之上。
(摘自“新华网”2016．12—27)

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