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摘 要:作者较全面地论述了软粘土结构性及基础桩施工方式对软粘土区基坑挖方性状的影响以及引起的破坏现象，以期工程设计时恰当地考虑和预估这一重要影响因素，避免类似事故重演。
关键词:软粘土 深基坑 施工工法
一、前言
熟悉基坑挖方的各种性状，对各种影响因素作出恰当的预估， 籍用概念设计、比较设计等综合考虑重要因素的影响在实际工程中起着相当重要的作用。本文通过大量工程的现场量测数据对比和事故实例失效分析的归纳总结，较系统地论述软粘土结构性及基础桩施工方式这些对基坑位移和破坏产生显著影响却在实际工程中往往被忽视的重要因素，供实际工程设计施工时应用和防止类似事故重演。
二、结构性软粘土的力学特征
所谓粘土的结构性是指它具有一定强度的粒间联结的性质。结构性粘土的力学特性与土所承受的应力水平和扰动程度密切相关。应力水平较低时，土会呈现出较好的力学特性；若应力水平超过某一临界值或受到剧烈的外界扰动，导致土的结构性破坏，则土体趋向于呈流动状态，在很小的外力作用下就产生较大的变形。
新近的研究表明，绝大多数的天然沉积正常压密粘土都具有一定的结构性。福州软粘土在地质上属第四纪全新世Q4土层，为天然沉积的正常压密粘土，具有一般的结构性。淤泥质土的结构性对其强度的作用还在于当其结构一经破坏，就会使其强度剧烈降低而呈流动状态。福州软土属中等灵敏土，灵敏度St一般在 3～8之间。现场十字板对比表明，软土的粒间联结除有某种程度的可恢复性外，还有相当部分是不可恢复的。因此，由于结构性，特别是饱和灵敏的软粘土， 其力学特性不是固定不变的，而是随施工工法等对土体的扰动程度不断变化的。地质报告中粘性土的土工物理状态则是依据液性指数
(1)
划分，规定液性指数IL＞1时，天然土处于流动状态，当含水量大于液限时，若土体结构遭到破坏，它将转变为粘滞泥浆。实际工程现场由于结构性的存在，并非真实地处于流动状态而仍保持固结状态；但若土层受到剧烈扰动，则土层将处于流动状态。因此，结构性土类具有双重的受力性质，利用土的结构性可取得经济效益，若认识不当则会引发事故，因为结构性破坏造成的力学性质恶化在短期内是很难恢复的。
三、结构性对基坑位移的影响
软粘土结构性引起的基坑事故与不加区分地应用地质报告的参数有关。地质报告的土工力学参数及评定的土体物理状态是否可用于描述基坑开挖时的力学行为还需按照基坑挖方前的施工工序安排和采用的挖方工法对土体结构的可能损伤程度重新评价。实际工程中曾出现水冲法挖土而破坏软粘土结构引发基坑整体坍塌的工程事故。但目前常用的挖土工法导致的土体结构损伤是有限的，且主要集中在开挖面附近。习惯认为高层建筑密集的基础桩有助于减小基坑位移， 而事实却要求必须区分基础桩的施工方式对土结构性的损伤程度，否则就有可能导致基坑破坏。
1.钻孔灌注基础桩的基坑
钻孔灌注桩的施工活动对土体原状结构的损伤很小，结构性的存在使基坑在不排水开挖时亦具保持形状的能力。密集的钻孔灌注基礎桩对减少坑底土的隆起变形量和减小墙体的水平位移，以及基坑的稳定都有着不可低估的作用。利用软粘土竖向渗透系数很小和土体结构性的土力学概念已成功实践了多个不进行人工降水的基坑挖方。2.锤击沉入基础桩的基坑
锤击沉入基础桩的施工活动则产生与钻孔灌注桩绝然相反的效果，它严重破坏土结构。在渗透性很低的饱和软粘土中，桩打入的过程相当于一个不排水的挤压过程。打入的桩向四周挤开与其自身体积相等的土体，使沉桩区域及附近较大范围内土结构受到严重损伤。土的结构性愈强，灵敏度愈大，土扰动后的强度损失愈大。宝钢用沉管桩施工砂桩加固地基施工期间，现场所做的十字板试验获得的土体强度变化资料表明：沉管砂桩间距为2.5倍桩径时，桩间土的强度约为土体天然强度的57%；并桩排列愈密，桩间土扰动愈严重。而基础桩的埋置深度要远大于砂桩的，锤击沉桩引起的土层振动也大。并砂桩能较迅速地消散超静孔隙水压力，而打入基础桩则不能。因此，锤击沉入的桩间软粘土的强度损失将比砂桩沉管施工时的要大，强度恢复亦延迟。
锤击沉桩使桩周土在较大范围内形成塑性区，据小扩张理论有
(2)
式中R，r 分别为塑性区和桩的半径；E， 和 分别是土的弹性模量、泊松比和不排水强度。
在不排水的条件下, =0.5，故R/r仅与E/ 有关。据室内试验， 福州的淤泥质粘土，E/ =150～380，即R/r≈7～11；淤泥质粉质粘土E/ =60～100，即R/r≈4.5～6。由此可得桩群内土体进入塑性状态的临界半径 。据此塑性区范围估计，目前福州的高层建筑塔楼和裙房的基础桩间距内的淤泥质土基本都将处于流塑状态。
淤泥质土的渗透性很低，打入的桩群破坏了软粘土层所夹薄砂层的连续性，持续打桩使桩群内积聚很高的超静孔隙水压力。测试表明， 在密集的基础桩打入过程中，淤泥质粘土中最大超静孔隙水压力可超过上覆土重，引起土体产生负的有效应力而导致桩周土体开裂。并且打桩期间积聚的超静孔隙水压力需在打桩结束后滞留很长的时间才逐步消散（现场测试表明，大约经半年后才可能消散70%～80%）。显然，由于锤击沉入排挤土桩施工在土层中积聚了较高的超静孔隙水压力，打桩一结束，施工的围护墙就切断了孔隙水压向坑外四周扩散的水平向薄砂层通道，这将大大延迟土体强度的恢复。
综上所述，锤击沉入基础桩的施工可使整个基坑内的淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土结构性全面丧失而处于流塑状态。
3 围护墙水平位移的对比
保持土体结构性完好的钻孔灌注基础桩基坑和破坏结构性的锤击沉入基础桩基坑对支护结构位移的影响可由实测的墙体水平位移曲线来说明。图1（a）系在同一片场地，支护结构和基坑开挖规模基本相同，但一个基础桩采用钻孔灌注桩，而另一个则为打入式基础桩的基坑，在第二层支撑下取土至坑底和建筑基础底板施工期间，实测的墙身内最大水平位移（点）随施工历时的变化规律的对比曲线。由图1可见，采用钻孔灌注基础桩的基坑围护墙位移历时约一周就基本稳定，位移量也小；而采用打入式基础桩的基坑围护墙的位移则需历经约一个月才逐渐趋于稳定，且位移量也比前者要大得多。图1（b）是此两基坑相应的围护墙底端的实测水平位移随时间的变化规律的对比曲线。
四、土结构性丧失对计算结果的影响
锤击沉入基础桩的施工破坏了场地上部淤泥质土层的原状结构， 导致这些土层隆起变形引起的侧向变形增大，侧向地基反力系数有较大降低和墙背土压力增大。当围护墙底端落在软土层时，土结构性破坏使围护墙的侧向位移（包括刚体平移）增加，但墙体弯矩则不一定增加；只是当围护墙插入到深层的硬塑土层时，则墙身的挠曲变形大为增长，从而使墙体弯矩大大增加。
图2的两基坑围护墙均穿过软塑～可塑灰色粘土层而进入硬塑粉质粘土层1m左右，且基坑内皆为锤击沉入的基础桩。计算都按规程或有关手册推荐的方法，即用梯形法决定地基侧向反力系数，墙背取用Rankine主动土压力，开挖面以下墙背土压力不变的计算图式进行设计计算。显然，这种计算预估和实际结果的较大差距是偏向危险一方的，实际发生的墙体弯矩则可能是计算值的数倍。而福州暗绿色硬塑粉质粘土在地质历史上系更新世末海退时期出露地表的古地面， 属东海大陆架的一部分，气候条件变化使其有超压密性质。它不属软粘土，具有较大的强度和刚度。锤击沉入基础桩施工对此层土的影响可能较小。它的存在使围护墙底端侧向位移很小，从而导致实测的墙体侧向位移曲线与计算预估的在形状上都出现较大差异，相应墙体弯矩亦大于计算预估的。
五、围护墙的插入深度
保证基坑支护不发生失稳破坏的一个重要方面就是需要围护墙有足够的入土深度D，对于以位移控制为主的城市基坑工程，围护墙要有较大的插入深度。确定墙体插入深度的公式很多，一种公式对应一组安全系数，因此这些公式的应用通常会取决于工程师的经验和习惯。在福州软粘土区，工程实践经验总结确定的围护墙插入比 （基坑开挖深度He:围护墙插入深度D）为
=He:D≈1:1(3)
此时坑底土层稳定性一般能满足要求。
但土的结构性是否丧失与基坑围护墙的插入比 亦紧密相关。例如福州某基坑平面为43.2m×48.0m，打入0.45m×0.45m预制钢筋混凝土基础桩277根，3.20m厚双排钻孔灌注桩内夹深层水泥搅拌桩的围护墙，插入比 =1:0.98。基坑开挖时由于坑底土层发生隆起失稳破坏，并引发设计不合理的型钢支撑系统失稳破坏，整个基坑整体坍塌（图3）。坍塌的主要原因是锤击沉入基础桩破坏基坑内土层的结构性所致。因此，采用式（3）的经验插入比仍可能发生基坑支护结构整体失稳破坏。
因此，应用式（3）的经验公式必须区分基础桩施工对土体结构性的破坏程度。实践表明：对于围护墙落在软粘土层，采用排挤土基础桩支护的基坑，宜取D≥1.1He；采用钻孔灌注基础桩的基坑可取D≥0.85He。当墙底落在硬塑土层时，应按有关的稳定性验算公式和现场经验确定，已有D≥0.85He的成功实践。
六、结束语
综上所述，在软粘土区基坑设计施工时，必须充分重视土工力学参数随施工工法的可变性，必须区分基础桩的不同施工方式对土体结构性的损伤程度，并清晰认识地质报告与实际工程有区别的地方。忽视这些重要影响因素和模糊它们之间的关系，就有可能导致事故。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词:软粘土 深基坑 施工工法
一、前言
熟悉基坑挖方的各种性状，对各种影响因素作出恰当的预估， 籍用概念设计、比较设计等综合考虑重要因素的影响在实际工程中起着相当重要的作用。本文通过大量工程的现场量测数据对比和事故实例失效分析的归纳总结，较系统地论述软粘土结构性及基础桩施工方式这些对基坑位移和破坏产生显著影响却在实际工程中往往被忽视的重要因素，供实际工程设计施工时应用和防止类似事故重演。
二、结构性软粘土的力学特征
所谓粘土的结构性是指它具有一定强度的粒间联结的性质。结构性粘土的力学特性与土所承受的应力水平和扰动程度密切相关。应力水平较低时，土会呈现出较好的力学特性；若应力水平超过某一临界值或受到剧烈的外界扰动，导致土的结构性破坏，则土体趋向于呈流动状态，在很小的外力作用下就产生较大的变形。
新近的研究表明，绝大多数的天然沉积正常压密粘土都具有一定的结构性。福州软粘土在地质上属第四纪全新世Q4土层，为天然沉积的正常压密粘土，具有一般的结构性。淤泥质土的结构性对其强度的作用还在于当其结构一经破坏，就会使其强度剧烈降低而呈流动状态。福州软土属中等灵敏土，灵敏度St一般在 3～8之间。现场十字板对比表明，软土的粒间联结除有某种程度的可恢复性外，还有相当部分是不可恢复的。因此，由于结构性，特别是饱和灵敏的软粘土， 其力学特性不是固定不变的，而是随施工工法等对土体的扰动程度不断变化的。地质报告中粘性土的土工物理状态则是依据液性指数
(1)
划分，规定液性指数IL＞1时，天然土处于流动状态，当含水量大于液限时，若土体结构遭到破坏，它将转变为粘滞泥浆。实际工程现场由于结构性的存在，并非真实地处于流动状态而仍保持固结状态；但若土层受到剧烈扰动，则土层将处于流动状态。因此，结构性土类具有双重的受力性质，利用土的结构性可取得经济效益，若认识不当则会引发事故，因为结构性破坏造成的力学性质恶化在短期内是很难恢复的。
三、结构性对基坑位移的影响
软粘土结构性引起的基坑事故与不加区分地应用地质报告的参数有关。地质报告的土工力学参数及评定的土体物理状态是否可用于描述基坑开挖时的力学行为还需按照基坑挖方前的施工工序安排和采用的挖方工法对土体结构的可能损伤程度重新评价。实际工程中曾出现水冲法挖土而破坏软粘土结构引发基坑整体坍塌的工程事故。但目前常用的挖土工法导致的土体结构损伤是有限的，且主要集中在开挖面附近。习惯认为高层建筑密集的基础桩有助于减小基坑位移， 而事实却要求必须区分基础桩的施工方式对土结构性的损伤程度，否则就有可能导致基坑破坏。
1.钻孔灌注基础桩的基坑
钻孔灌注桩的施工活动对土体原状结构的损伤很小，结构性的存在使基坑在不排水开挖时亦具保持形状的能力。密集的钻孔灌注基礎桩对减少坑底土的隆起变形量和减小墙体的水平位移，以及基坑的稳定都有着不可低估的作用。利用软粘土竖向渗透系数很小和土体结构性的土力学概念已成功实践了多个不进行人工降水的基坑挖方。2.锤击沉入基础桩的基坑
锤击沉入基础桩的施工活动则产生与钻孔灌注桩绝然相反的效果，它严重破坏土结构。在渗透性很低的饱和软粘土中，桩打入的过程相当于一个不排水的挤压过程。打入的桩向四周挤开与其自身体积相等的土体，使沉桩区域及附近较大范围内土结构受到严重损伤。土的结构性愈强，灵敏度愈大，土扰动后的强度损失愈大。宝钢用沉管桩施工砂桩加固地基施工期间，现场所做的十字板试验获得的土体强度变化资料表明：沉管砂桩间距为2.5倍桩径时，桩间土的强度约为土体天然强度的57%；并桩排列愈密，桩间土扰动愈严重。而基础桩的埋置深度要远大于砂桩的，锤击沉桩引起的土层振动也大。并砂桩能较迅速地消散超静孔隙水压力，而打入基础桩则不能。因此，锤击沉入的桩间软粘土的强度损失将比砂桩沉管施工时的要大，强度恢复亦延迟。
锤击沉桩使桩周土在较大范围内形成塑性区，据小扩张理论有
(2)
式中R，r 分别为塑性区和桩的半径；E， 和 分别是土的弹性模量、泊松比和不排水强度。
在不排水的条件下, =0.5，故R/r仅与E/ 有关。据室内试验， 福州的淤泥质粘土，E/ =150～380，即R/r≈7～11；淤泥质粉质粘土E/ =60～100，即R/r≈4.5～6。由此可得桩群内土体进入塑性状态的临界半径 。据此塑性区范围估计，目前福州的高层建筑塔楼和裙房的基础桩间距内的淤泥质土基本都将处于流塑状态。
淤泥质土的渗透性很低，打入的桩群破坏了软粘土层所夹薄砂层的连续性，持续打桩使桩群内积聚很高的超静孔隙水压力。测试表明， 在密集的基础桩打入过程中，淤泥质粘土中最大超静孔隙水压力可超过上覆土重，引起土体产生负的有效应力而导致桩周土体开裂。并且打桩期间积聚的超静孔隙水压力需在打桩结束后滞留很长的时间才逐步消散（现场测试表明，大约经半年后才可能消散70%～80%）。显然，由于锤击沉入排挤土桩施工在土层中积聚了较高的超静孔隙水压力，打桩一结束，施工的围护墙就切断了孔隙水压向坑外四周扩散的水平向薄砂层通道，这将大大延迟土体强度的恢复。
综上所述，锤击沉入基础桩的施工可使整个基坑内的淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土结构性全面丧失而处于流塑状态。
3 围护墙水平位移的对比
保持土体结构性完好的钻孔灌注基础桩基坑和破坏结构性的锤击沉入基础桩基坑对支护结构位移的影响可由实测的墙体水平位移曲线来说明。图1（a）系在同一片场地，支护结构和基坑开挖规模基本相同，但一个基础桩采用钻孔灌注桩，而另一个则为打入式基础桩的基坑，在第二层支撑下取土至坑底和建筑基础底板施工期间，实测的墙身内最大水平位移（点）随施工历时的变化规律的对比曲线。由图1可见，采用钻孔灌注基础桩的基坑围护墙位移历时约一周就基本稳定，位移量也小；而采用打入式基础桩的基坑围护墙的位移则需历经约一个月才逐渐趋于稳定，且位移量也比前者要大得多。图1（b）是此两基坑相应的围护墙底端的实测水平位移随时间的变化规律的对比曲线。
四、土结构性丧失对计算结果的影响
锤击沉入基础桩的施工破坏了场地上部淤泥质土层的原状结构， 导致这些土层隆起变形引起的侧向变形增大，侧向地基反力系数有较大降低和墙背土压力增大。当围护墙底端落在软土层时，土结构性破坏使围护墙的侧向位移（包括刚体平移）增加，但墙体弯矩则不一定增加；只是当围护墙插入到深层的硬塑土层时，则墙身的挠曲变形大为增长，从而使墙体弯矩大大增加。
图2的两基坑围护墙均穿过软塑～可塑灰色粘土层而进入硬塑粉质粘土层1m左右，且基坑内皆为锤击沉入的基础桩。计算都按规程或有关手册推荐的方法，即用梯形法决定地基侧向反力系数，墙背取用Rankine主动土压力，开挖面以下墙背土压力不变的计算图式进行设计计算。显然，这种计算预估和实际结果的较大差距是偏向危险一方的，实际发生的墙体弯矩则可能是计算值的数倍。而福州暗绿色硬塑粉质粘土在地质历史上系更新世末海退时期出露地表的古地面， 属东海大陆架的一部分，气候条件变化使其有超压密性质。它不属软粘土，具有较大的强度和刚度。锤击沉入基础桩施工对此层土的影响可能较小。它的存在使围护墙底端侧向位移很小，从而导致实测的墙体侧向位移曲线与计算预估的在形状上都出现较大差异，相应墙体弯矩亦大于计算预估的。
五、围护墙的插入深度
保证基坑支护不发生失稳破坏的一个重要方面就是需要围护墙有足够的入土深度D，对于以位移控制为主的城市基坑工程，围护墙要有较大的插入深度。确定墙体插入深度的公式很多，一种公式对应一组安全系数，因此这些公式的应用通常会取决于工程师的经验和习惯。在福州软粘土区，工程实践经验总结确定的围护墙插入比 （基坑开挖深度He:围护墙插入深度D）为
=He:D≈1:1(3)
此时坑底土层稳定性一般能满足要求。
但土的结构性是否丧失与基坑围护墙的插入比 亦紧密相关。例如福州某基坑平面为43.2m×48.0m，打入0.45m×0.45m预制钢筋混凝土基础桩277根，3.20m厚双排钻孔灌注桩内夹深层水泥搅拌桩的围护墙，插入比 =1:0.98。基坑开挖时由于坑底土层发生隆起失稳破坏，并引发设计不合理的型钢支撑系统失稳破坏，整个基坑整体坍塌（图3）。坍塌的主要原因是锤击沉入基础桩破坏基坑内土层的结构性所致。因此，采用式（3）的经验插入比仍可能发生基坑支护结构整体失稳破坏。
因此，应用式（3）的经验公式必须区分基础桩施工对土体结构性的破坏程度。实践表明：对于围护墙落在软粘土层，采用排挤土基础桩支护的基坑，宜取D≥1.1He；采用钻孔灌注基础桩的基坑可取D≥0.85He。当墙底落在硬塑土层时，应按有关的稳定性验算公式和现场经验确定，已有D≥0.85He的成功实践。
六、结束语
综上所述，在软粘土区基坑设计施工时，必须充分重视土工力学参数随施工工法的可变性，必须区分基础桩的不同施工方式对土体结构性的损伤程度，并清晰认识地质报告与实际工程有区别的地方。忽视这些重要影响因素和模糊它们之间的关系，就有可能导致事故。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看